何銀，段瀟川，劉曼(東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430056)

工業(yè)探傷室的混凝土屏蔽厚度計(jì)算

何銀，段瀟川，劉曼
(東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430056)

針對(duì)輻射的防護(hù)，選擇傳統(tǒng)計(jì)算方法中較復(fù)雜的方法并加以改進(jìn)。以某工業(yè)探傷室（包括1個(gè)X射線探傷室、1個(gè)γ射線探傷室）為實(shí)例，運(yùn)用新方法進(jìn)行了混凝土屏蔽厚度的計(jì)算，使此工業(yè)探傷室的設(shè)計(jì)能滿足輻射防護(hù)的基本原則及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)的要求。

X射線探傷；γ射線探傷；混凝土;屏蔽厚度

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.008

1 引言

射線探傷是無(wú)損檢測(cè)的一個(gè)常用方法，廣泛應(yīng)用于石油化工、壓力容器、冶金、機(jī)械制造等各行業(yè)。壓力容器所處工作環(huán)境惡劣—高溫、深冷、易燃或介質(zhì)有毒，一旦容器破裂或爆炸，將會(huì)造成較多人員傷亡及很大的經(jīng)濟(jì)損失。焊縫是壓力容器失效的主要因素[1]，不論是生產(chǎn)還是使用壓力容器的公司，對(duì)其焊縫進(jìn)行射線探傷都是必要的。為確保操作人員及公眾免受超過(guò)國(guó)家規(guī)定的允許輻射劑量，對(duì)射線輻射的防護(hù)成為射線探傷工作的重要環(huán)節(jié)之一。通常采用縮短接觸時(shí)間、增大防護(hù)距離，遮擋屏蔽物的方法來(lái)降低輻射劑量，本文重點(diǎn)闡述屏蔽物適宜厚度的計(jì)算方法。

2 輻射防護(hù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

探傷室運(yùn)行時(shí)，工作人員和公眾可能受到的輻射及附加年有效劑量，需分別滿足《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871—2002)[2]對(duì)輻射工作人員、公眾附加年有效劑量20mSv、1mSv的劑量限值要求，同時(shí)也需滿足當(dāng)?shù)氐胤綐?biāo)準(zhǔn)。如本工程所在的湖北省，在2009年頒布的《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)探傷項(xiàng)目輻射安全防護(hù)工作的通知》[3](鄂環(huán)辦 [2009]75號(hào)文)中，要求“放射工作人員職業(yè)照射年劑量約束值取2mSv，公眾照射年劑量約束值取0.25mSv”，即每周為0.04mSv、0.005mSv（1年按50周考慮）。

根據(jù)《工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GBZ117—2006）和《工業(yè)γ射線探傷放射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]（GBZ132—2008），在進(jìn)行屏蔽墻設(shè)計(jì)時(shí)，可取公眾約束劑量限值為0.3mSv/a，對(duì)于在X射線、γ射線裝置工作條件下，探傷室屏蔽墻外30cm處空氣比釋動(dòng)能率要求均不大于2.5μGy/h。使用移動(dòng)探傷裝置進(jìn)行探傷作業(yè)時(shí)，需根據(jù)規(guī)范設(shè)置監(jiān)督區(qū)及控制區(qū)。

3 屏蔽厚度計(jì)算

物質(zhì)對(duì)輻射的吸收量與物質(zhì)厚度近似成正比，可通過(guò)增加防護(hù)物質(zhì)厚度可使輻射降低到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定劑量范圍內(nèi)。屏蔽厚度的計(jì)算方法很多[6]，通過(guò)減弱倍數(shù)、輻射穿透率、工作量、5%減弱厚度、分階層等方法均可。方法越簡(jiǎn)化，其結(jié)果的準(zhǔn)確性越差，這里采用較復(fù)雜的通過(guò)輻射穿透率來(lái)計(jì)算防護(hù)厚度的方法。此方法是計(jì)算出實(shí)際的穿透率，然后對(duì)比通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的射線在不同屏蔽材料中的減弱曲線來(lái)獲取屏蔽厚度。文獻(xiàn)[7]提出的方法計(jì)算屏蔽厚度精度更好，然而其建模程序復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)且沒(méi)有考慮施工階段的質(zhì)量因素影響，對(duì)于一般工程不一定更合適。雖受測(cè)量裝置、環(huán)境等因素影響，減弱曲線有細(xì)微不同，但是用透射率來(lái)計(jì)算屏蔽厚度還是比較可靠的。

對(duì)有用射線的屏蔽計(jì)算：

式中,B為透射量，相應(yīng)于B值的屏蔽厚度可從透射曲線讀出，對(duì)于γ射線，B為比值，單位為1，對(duì)于X射線，B的單位為C/(kg·mA·min)；P為以每周的劑量當(dāng)量表示的劑量限值，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取值,單位為mSv;D為從放射源到考察點(diǎn)的距離，單位為m；T為與考察點(diǎn)所在區(qū)域相應(yīng)的居留因子，參考人員在輻射場(chǎng)所周圍的實(shí)際駐留位置取值；U為利用因子，表示輻射源開啟時(shí)間內(nèi)射線束向需要考慮屏蔽的那個(gè)方向上的時(shí)間分?jǐn)?shù)；W為1周內(nèi)有用線束的工作負(fù)荷，對(duì)于γ射線，單位為Sv·m2，對(duì)有電流表的X射線機(jī)，即為1周內(nèi)擬定曝光時(shí)間與管電流的乘積，單位為mA·min。

隨著檢測(cè)件厚度的增加，對(duì)焊縫質(zhì)量檢測(cè)要求越來(lái)越高，除使用X射線對(duì)一般厚度構(gòu)件進(jìn)行探傷外，還需引入穿透能力強(qiáng)效率高的γ射線對(duì)厚度較大構(gòu)件的對(duì)接焊縫等進(jìn)行探傷。γ射線探傷有以下特點(diǎn)：穿透能力比X射線強(qiáng)且比加速器經(jīng)濟(jì)，作業(yè)時(shí)不需用電，可穿過(guò)尺寸為2.54cm小口的瑕位去透照（X射線探傷儀和加速器幾乎難以辦到），可勝任X射線能承擔(dān)的所有任務(wù)且無(wú)易損件。因混凝土墻體厚度計(jì)算簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確且建成后防護(hù)效果穩(wěn)定，新建探傷室大部分采用混凝土墻體進(jìn)行射線防護(hù)，本文以混凝土作為屏蔽材料研究對(duì)象。

文獻(xiàn)[6]介紹的方法是根據(jù)透射曲線查出相應(yīng)屏蔽厚度，圖表中中間數(shù)值需要插值，計(jì)算精度難以保證。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到“60Co寬束γ線穿過(guò)密度為2.35g/cm3的混凝土?xí)r的透射曲線”[8]（見(jiàn)圖1）、“管電壓350kV的寬束X射線穿過(guò)混凝土(密度2.25g/cm3)的透射曲線”（見(jiàn)圖2）對(duì)應(yīng)的擬合函數(shù)。

圖1 Co寬束γ射線穿過(guò)密度為2.35g/cm3的混凝土?xí)r的透射曲線

圖2 管壓350kV的寬束X射線穿過(guò)混凝土（密度為2.35g/cm3）的透射曲線

圖2 1#、2#探傷室平面圖

圖中，R2為判定系數(shù)。

縱橫坐標(biāo)交換來(lái)擬合，得到屏蔽厚度H與透射量B的關(guān)系如下：

曲線擬合誤差分別為0.17%、0.04%，小于查表誤差，更適合一般工程應(yīng)用。

4 實(shí)例簡(jiǎn)介

建設(shè)單位擬建2個(gè)探傷室，1#探傷室（用60Co放射源進(jìn)行γ射線探傷）位于廠房外部，2#探傷室（X射線探傷）位于廠房?jī)?nèi)部，根據(jù)檢測(cè)工件的尺寸、建設(shè)方的使用要求，平面布置如圖3（墻體厚度為最終設(shè)計(jì)厚度）。

1#探傷室：60Co放射源及192Ir放射源各1枚。2枚放射源的活度均為3.7×1012Bq（100Ci）。探傷作業(yè)過(guò)程中2枚放射源不同時(shí)使用。每天使用時(shí)間共不超過(guò)2h。2#探傷室：2臺(tái)工業(yè)X射線探傷機(jī)，XXGHP-3505周向探傷機(jī)及XXG-3505定向探傷機(jī)各1臺(tái)，2臺(tái)探傷機(jī)的最高工作電壓為350kV，最高管電流為5mA。探傷作業(yè)過(guò)程中2臺(tái)探傷機(jī)不同時(shí)使用。

擬建1#、2#探傷室的設(shè)計(jì)說(shuō)明：

1）擬設(shè)置紅色警示燈、門-機(jī)-燈聯(lián)鎖裝置，張貼電離輻射警示標(biāo)志，并附中文警示說(shuō)明，并在探傷室內(nèi)安裝固定式報(bào)警儀；

2）擬安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)、緊急停機(jī)按鈕，并將管理制度及操作規(guī)程等相關(guān)輻射安全管理制度裝裱上墻；

3）電纜溝采用“U”形走線，安裝通風(fēng)量大于6400m3/h的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，在開機(jī)條件下每小時(shí)換氣5～10次。

本文著重考慮1#、2#探傷室墻體厚度的計(jì)算，探傷室的工件進(jìn)出大門、人員進(jìn)出小門均由探傷設(shè)備廠家提供，這里不做討論。

公式（1）中，對(duì)工作人員取p為0.04mSv/周，對(duì)公眾取0.005mSv/周；對(duì)放射工作人員按最不利情況，全居留取T為1，對(duì)防護(hù)墻外公眾取T為1/4；探傷室屋頂無(wú)人員居留，取T為1/16；對(duì)工作人員取1，公眾取U為1/4。

60Co放射源衰變時(shí)γ射線能量為1.25MeV，192Ir放射源衰變時(shí)γ射線能量為0.48MeV，故以60Co放射源作業(yè)時(shí)的屏蔽計(jì)算來(lái)計(jì)算1#探傷室的屏蔽厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[6]第94頁(yè)表格“常用γ輻射源的γ常數(shù)、線較弱系數(shù)μ及半價(jià)層HVL”可知，37GB9（1Ci）的60Co放射源在距1m處每小時(shí)的照射量為3.35×10-4C/kg(1.3R)，本項(xiàng)目60Co放射源的活度為3.7× 1012Bq；故3.7×1012Bq的60Co放射源距1m處，每小時(shí)的照射量為3.35×10-2C/kg。按每天使用時(shí)間2h計(jì)算，每周按5個(gè)工作日計(jì)算，每周照射量為：

130×5×2=0.3354C/kg =10.93Sv=10930mSv

2#探傷室最多同時(shí)使用1臺(tái)工業(yè)X射線探傷機(jī)，工業(yè)探傷機(jī)管電流為5mA，每周預(yù)計(jì)按最大曝光時(shí)間（本項(xiàng)目2#探傷室的年曝光時(shí)間250h，1年按50周計(jì)，則每周曝光時(shí)間5h計(jì)算，則每周曝光時(shí)間為5h×60min/h=300min，故 W=300min× 5mA=1500mA·min。

1#、2#探傷室計(jì)算參數(shù)及透射量B計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

利用公式（2）和公式（3），得到理論所需混凝土的厚度，考慮對(duì)漏射線的防護(hù)，增加一個(gè)混凝土半值層61mm（40mm），計(jì)算屏蔽厚度見(jiàn)表2。

表1 1#、2#探傷室計(jì)算參數(shù)及B計(jì)算結(jié)果

表2 1#、2#探傷室計(jì)算屏蔽厚度與設(shè)計(jì)屏蔽厚度對(duì)比

由表2可知，擬建1#、2#探傷室四側(cè)墻體和房頂?shù)脑O(shè)計(jì)屏蔽措施均能夠滿足屏蔽要求，故擬建1#、2#探傷室四周墻體屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)合理。迷道凈寬800mm，四周墻體厚度均同主防輻射墻體（東側(cè)墻體）厚度，故能滿足屏蔽要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)計(jì)算透射率并再?gòu)耐干淝€讀取屏蔽厚度這個(gè)方法進(jìn)行了改進(jìn)：對(duì)文獻(xiàn)[6]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到更合理的透射曲線及擬合函數(shù)公式，計(jì)算得出透射率后，通過(guò)擬合函數(shù)公式計(jì)算得到屏蔽厚度，這樣更精確方便。在滿足國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及地方設(shè)計(jì)要求的前提下，用改進(jìn)過(guò)的方法對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)工程案例進(jìn)行了混凝土屏蔽厚度的計(jì)算。結(jié)合文獻(xiàn)[6]中理論能很容易得到其他材料屏蔽厚度的計(jì)算數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9]提到一些其他方法，相信經(jīng)此專業(yè)領(lǐng)域的人員研究和總結(jié)后，可使得屏蔽厚度的計(jì)算更可靠更快捷。

【1】李生田，劉志遠(yuǎn).焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

【2】GB18871—2002電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S].

【3】鄂環(huán)辦[2009]75號(hào)關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)探傷項(xiàng)目輻射安全防護(hù)工作的通知[S].

【4】GBZ117—2006工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

【5】GBZ132—2008工業(yè)γ射線探傷放射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

【6】蘇森齡.X射線與γ射線防護(hù)手冊(cè)[K].貴陽(yáng)：貴州人民出版社，1982.

【7】冀東等.屏蔽估算保守性對(duì)工程投資的經(jīng)濟(jì)學(xué)分析[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2014,34(3)：349-352.

【8】GBZT152—2002γ遠(yuǎn)距治療室設(shè)計(jì)防護(hù)要求[S].

【9】孫瑩瑩.常用γ放射源的屏蔽計(jì)算及方法評(píng)價(jià)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

ShieldingConcreteThicknessof IndustrialFlawDetectionRooms Calculation

HEYin,DUANXiao-Chuan,LIUMan
(DongfengDesign&ResearchInstituteCo.Ltd.,Wuhan430056,China)

For radiation protection, this paper selected the more complex one in traditional calculation methods and improved it.Taking a certain industrial flawdetection room (including a X-ray flawdetection room and a gamma ray flaw detection room) as anexample, the new method had been used in calculating the concrete shielding thickness , makes the design of the industrial flawdetectionroomcan satisfythebasicprinciplesof radiationprotection andrelatednational standardsandlocal standards.

X-rayflawdetection;gamma rayflawdetection; concrete; shieldingthickness

TL816+.1;TU311.4

B

1007-9467（2016）12-0046-04

2016-07-07

何銀（1984～），女，湖北大悟人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與研究。