工业X射线探伤室辐射影响分析.pdf

2023 年 26 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application工业 X 射线探伤室辐射影响分析刘焦，吴辉*（江西辐射剂量检测院有限公司，南昌 330029）工业X 射线探伤室内的核心设备为探伤机，其射线管由真空玻璃壳中的阴极和阳极组成，阴极为钨制灯丝，置于聚焦杯中1。在高压作用下，阴极发出的电子通过聚焦杯聚集成束而射向阳极。过程中产生的 X 射线包含有用线束和泄漏辐射，这都将增加从业人员的辐射安全风险，是重要的辐射环境监测对象2-3。据此，以南昌市某低温设备公司的探伤室为例，开展了工业 X 射线探伤室辐射影响研究。该探伤室为独立建筑，配有操作室、评片室、暗室与危废暂存间，且操作室设有铅防护门，紧邻所需探伤的工件堆放位置，方便探伤工件进出和探伤作业的开展。探伤室 50 m 范围内公众人员活动较少，屋顶无人员活动，因此对环境和人员影响较小，平面布局合理典型。1探伤室辐射屏蔽分析1.1探伤室结构探伤室长 10 m，宽 5 m，高 5.2 m，面积 55.12 m2（含迷道），屏蔽体主要包括四周墙体（厚度 700 mm 的钢筋混凝土）、屋顶（厚度 400 mm 的钢筋混凝土）、探伤室北侧工件进出屏蔽门（20 mm 铅当量）和探伤室西侧操作室屏蔽门（8 mm 铅当量）。探伤室西北侧设置了“Z”型迷道，迷道墙体为 600 mm 钢筋混凝土，探伤室平面布置图如图 1 所示，物理参数见表 1。1.2关注点剂量控制水平探伤探伤室内安装 2 台探伤机，但每次作业只使用其中 1 台，选用主射束为周向的 XXGH-3005 探伤机更具有代表性，按最不利情况，将各个方向均当作是主射方向来计算探伤室屏蔽体厚度，按探伤机的最大工况进行讨论，曝光时间按照最大曝光时间 700 h 计算。该探伤室下方没有楼层，所以地面防护不予考虑。各侧墙体外关注点导出控制剂量按下式进行计算H觶=H觶c/（t 哉 栽），（1）式中：H觶为导出剂量率参考控制水平，滋Sv/h；H觶c为年剂量参考控制水平，职业人员取 5 000 滋Sv/a，公众取 100滋Sv/a；U 为探伤装置向关注点照射的使用因子，此处取摘要：在工业 X 射线探伤过程中，探伤室内产生的 X 射线可能会对从业人员造成一定的电离辐射损伤，增加了辐射安全风险，因此是重要的辐射环境监测对象。以典型的探伤室为例，详细地介绍探伤室结构、关注点剂量控制水平、空间辐射屏蔽，以及剂量理论预测和可能造成的辐射事故类别，系统地分析探伤室的辐射影响，为探伤室辐射屏蔽设计及其辐射环境监测提供一定的参考。关键词：X 射线；探伤室；辐射屏蔽；辐射环境；电离辐射中图分类号院TL77文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0014-04Abstract:In the process of industrial X-ray flaw detection,the X-rays generated in the flaw detection room may cause certainionizingradiationdamageto thepractitioners,increasingtheradiationsafetyrisk,andthereforeisanimportantradiationenvironment monitoring object.Taking a typical flaw detection chamber as an example,the structure of the chamber,the dosecontrol level of the point of concern,the spatial radiation shielding,as well as the dose theory prediction and the category ofradiation accidents that may be caused are introduced in detail;the radiation impact of the chamber is analyzed systematically,which provides a certain reference for the design of the radiation shielding of the chamber and its radiation environment monitoring.Keywords:X-ray;flaw detection room;radiation shielding;radioactive environment;ionizing radiation第一作者简介：刘焦（1991-），女，助理工程师。研究方向为环境监测及放射卫生检测与评价。*通信作者：吴辉（1991-），男，工程师。研究方向为环境监测及放射卫生检测与评价。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.00314-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期设备型号 最大管电压/kV 最大管电流/mA 投射 类型 年最大曝光时间/h 装置类型 投射角度/穿透钢板厚度/mm 曝光时间/（min 次-1）XXG-2505 250 5 定向 共700 类射线 装置 40 40 5 XXGH-3005 300 周向 360 46 表 1探伤机物理参数表 2关注点控制剂量水平参数选取及计算结果表关注点 居留因子 受照类型 H?/(Svh-1)最高剂量率/(Svh-1)参考控制水平/(Svh-1)探伤室东墙外30 cm 1（全居留）公众 0.143 2.5 0.143 探伤室南墙外30 cm 1/4（部分居留）公众 0.572 2.5 0.572 探伤室西墙外30 cm 1（全居留）职业 7.143 2.5 2.5 工件进出门外（探伤室北侧）1（全居留）公众 0.143 2.5 0.143 人员通道门 1（全居留）职业 7.143 2.5 2.5 探伤室屋顶30 cm 1（全居留）公众 100-100 墙体 剂量参考控制水平/(Svh-1)照射距离/m 透射因子 理论厚度 实际厚度 探伤室南侧 0.572 4.0 1.4610-6 583 mm 混凝土 700 mm 钢筋混凝土 探伤室东侧 0.143 3.0 2.0610-6 568 mm 混凝土 700 mm 钢筋混凝土 探伤室西侧 2.5 6.0 1.4410-5 484 mm 混凝土 700 mm 钢筋混凝土 工件进出门（探伤室北）0.143 7.0 1.4010-3 16.25 mm 铅 20 mm 铅当量防护门 探伤室屋顶 100 5.2 4.3110-4 336 mm 混凝土 400 mm 钢筋混凝土 表 3各屏蔽体屏蔽厚度表1；T 为人员在相应关注点驻留的居留因子；t 为探伤装置年工作时间，此处取 700 h。各墙面及屋顶参数选取及计算结果见表 2，其中探伤室上方及邻近无建筑物，屋顶不可到达，故剂量率参考控制水平取 100 滋Sv/h4。图 1探伤室平面布置图1.3探伤室屏蔽厚度在分析探伤室四周及工件进出门屏蔽厚度时，屏蔽透射因子 B 和屏蔽体厚度 X 由式（2）和式（3）计算5B=H觶 R2I H0，（2）载越原栽灾蕴 lgB，（3）式中：H觶为剂量率参考控制水平，滋Sv/h；R 为辐射源至关注点的距离，m；I 为最大管电流，取 5 mA；X 为屏蔽体厚度，mm；H0为距离靶点 1m 处输出量，管电压为 300 kV，过滤片为 5mm Al，保守估算取值为20.9 mGy m2/（mA min），即 1.254伊106滋Gy m2/（mA h），漏射辐射剂量率取值为 5.0伊103滋Gy/h；TVL 为什值层厚度，在铅中的什值层保守取值5.7 mm，混凝土的什值层保守取值 100 mm；B 为屏蔽透射因子。根据表 2 和探伤室四周墙面屏蔽参数，可计算出屏蔽体厚度，结果见表 3。由表 3 可知，探伤室设计屏蔽厚度均满足屏蔽设计要求。曝光室操作室评片室暗室迷道15-2023 年 26 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application1.4通道屏蔽厚度在分析迷道入口人员通道门屏蔽厚度时，剂量率参考控制水平H觶和屏蔽透射因子 B 由式（4）和式（5）计算6式中：Rs为散射体至关注点的距离，m；R0为靶点至探伤工件的距离，取 0.5 m；F 为 R0处的辐射野面积；琢为散射因子，R0圆/F 琢 因子的值为 60（150kV）和 50（200400 kV）。探伤室迷道主要是受散射线影响，散射路径为O寅A寅B寅C（如图 1 所示）。O 点到 A 点的路径长度为 5m，A 点到 B 点的路径长度为 3 m，B 点到 C 点的路径长度为 3.5 m。经计算得出迷道铅门人员入口处辐射剂量率为 0.01 滋Sv/h，入口处满足 2.5 滋Sv/h 剂量约束值要求；按照迷道人员入口处辐射剂量约束值2.5 滋Sv/h 的要求，计算得出迷道入口防护铅门所需屏蔽厚度为7.84 mm 铅当量，其防护铅门设计屏蔽厚度为 8 mm 铅当量，满足屏蔽设计要求。2探伤室辐射环境分析2.1剂量理论预测采用理论计算方法预测探伤机运行产生的贯穿辐射影响，选取探伤室外操作室、迷道内、探伤室东侧墙外、探伤室西侧墙外、探伤室南侧和工件进出门（北侧）共 6 个预测点位，理论公式见式（6）和式（7）式中：H 为参考点的附加有限剂量，mSv/a；H觶和H觶有为关注点的剂量率和年有效剂量，单位分别为 滋Sv/h 和mSv/a；R 为参考点离靶的距离，m。探伤机辐射剂量率计算参数和预测结果见表 4。从预测结果可以看出，在正常运行工况下，探伤机所致工作人员最大年有效剂量值为 1.45伊10-1mSv，低于职业照射剂量约束 5.0mSv/a；所致公众最大年有效剂量值为 2.77伊10-2mSv，低于公众照射剂量约束值 0.1 mSv/a7。2.2辐射事故类别探伤机只有在开机状态下才会产生 X 射线，一旦切断电源，探伤机便不会再有 X 射线产生，因此只存在 2 种可能发生的辐射事故：在防护门未关闭的情况下即进行探伤操作，可能给工作人员和周围活动的人员造成不必要的照射；设备检修时，人员在探伤室内，射线装置误开机，造成事故照射。辐射事故情况下，人员受到的有效剂量与探伤机产生的初级射线束造成的空气吸收剂量有关8，在空气中探伤机产生的初级射线束造成的空气吸收剂量可用式（8）计算D=I啄X/r2，（8）式中：D为空气吸收剂量率，mGy/min2；I为管电流，取5 mA；啄X为距离靶点1m处输出量，取值20.9mGy m2/（mA min）；r 为参考点距 X 射线管焦斑的距离，m。人员受到的有效剂量可用式（9）计算耘越阅 撞WT 撞WR，（9）式中：耘 为人员受到的有效剂量率，mSv/min；WT为组织权重因数，全身为 1；WR为辐射权因数，X 射线为 1。根据式（8）和式（9）可知，探伤机管电流越大，受照人员所受的辐射有效剂量越大。因探伤室长宽尺寸为表 4探伤机辐射剂量计算参数及预测结果预测点 距 X 射线直线距离/m 屏蔽体 受照类型 B 投射因子 年有效剂/（mSva-1）操作室（探伤室西侧）3 700 mm 钢筋混凝土 职业 1.010-7 4.8810-2 迷道内（探伤室西侧）5.5 600 mm 钢筋混凝土 职业 1.010-6 1.4510-1 探伤室 东侧墙外 3 700 mm 钢筋混凝土 公众 1.010-7 4.8810-2 探伤室 西侧墙外 6 700 mm 钢筋混凝土 公众 1.010-7 1.2210-2 探伤室 南侧墙外 4 700 mm 钢筋混凝土 公众 1.010-7 6.8610-3 工件进出门（探伤室北侧）7 20 mm 铅门 公众 3.0910-4 2.7710-2 022s0I HB F aHRRiii?i22cs00HRRBI HF a?iiii，（4），（5）02I HBHRii?310HHt T?i i i有，（7），（6）16-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期参考文献院1 KOURO S，MALINOWSKI M，GOPAKUNAR K，et al.Recent advances and industrial applications of multilevelconverters J.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（8）：2553-2580.2 DENG Z，ZHANG W，ZHENG J，et al.A high temperaturesuperconductingmaglev-evacuatedtubetransport（HTSMaglev-ETT）test system J.IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity，2017（99）：1-13.3 BRUCKNER T，BERNET S，GULDNER H.The active npcconverter and its loss-balancing controlJ.IEEE Transactionson Industrial Electronics，2005，52（3），855-868.4 HU C，YUX H，HOLMES,D G，et al.An improved virtualspacevectormodulationschemeforthree-levelactiveneutral-point-clamped inverterJ.IEEE Transactions on PowerElectronics，2017，32（10）：7419-7434.5 YANG J，LEE F C.New modulation scheme for three-levelactive neutral-point-clamped converter with loss and stressreductionJ.IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2015，62（9）：5468-5479.6LIUS，FEIL.Trainimpedancereshapingmethodforsuppressingharmonicresonancecausedbyvariousharmonic sources in trains-network systems with auxiliaryconverterofelectricallocomotiveJ.IEEEACCESS，2019，7：179552-179563.7 FEI L，LIU S，BO H L，et al.Harmonic resonance factoranalysis of multi-train and power supply systems consideringthe background harmonics coupling in Chinas high-speedrailways J.Journal of the Balkan Tribological Association，2016，22（3A-II）：1310-4772.8 ZHANG R，LIU S，FEI L，et al.Resonance influence factorsanalysis of high-speed railway traction power supply systembased on RT-LAB C/2017 IEEE Transportation Electri原fication Conference and Expo，Asia-Pacific（ITEC Asia-Pacific），Harbin，2017：97-102.9 XU Y，LIN P，LIU S，et al.Analysis on the Vehicle Net原work Harmonic Oscillation and Its Influencing Factors ofChinas Electrified RailwayC/Proceedings of the 3rd In原ternational Conference on Electrical and Information Tech原nologies for Rail Transportation，2017：213-221.10 m伊5 m，且探伤室和操作室内均安装有紧急止动开关按钮，当发生辐射事故时，相关人员可以立即通过探伤室或操作室内紧急止动开关中断电源，整个处理时间约 10 s，辐射事故受照射剂量计算结果为104.5 mSv/次，在辐射事故状态下，可造成职业人员最大受照射剂量超过连续 5 年的年平均有效剂量 20 mSv 的 5 倍，因此可判断事故等级为一般辐射事故。3结束语以南昌市某低温设备公司的探伤室为例，开展了工业 X 射线探伤室辐射影响研究，包括辐射屏蔽分析和辐射环境分析。研究表明，该探伤室及通道的屏蔽厚度均满足屏蔽设计要求，典型点位的剂量理论预测值均低于相应的约束值，最严重的辐射事故类别为一般辐射事故，因此该探伤室建设合理，可为今后同类的探伤室建设及其辐射环境监测提供参考。参考文献院1 朱姝，张鑫，钟春明.工业 X 射线探伤机在现场探伤作业中的辐射防护距离探讨J.湖南有色金属，2015，31（5）：65-67，80.2 姜维国，李春辉.核与辐射事故防范与安全战略措施研究J.环境科学与管理，2014，39（5）：1-4.3 俞君，万玲，娄云，等.X 射线探伤机房的辐射屏蔽设计J.首都公共卫生，2012，6（2）：75-77.4 工业 X 射线探伤室辐射屏蔽规范：GBZ/T 2502014S.北京：中国标准出版社，2014.5 从慧玲.实用辐射安全手册M.北京：原子能出版社，2005.6 YANJUN H,MOXUAN M,HONGXIA Y，et al.Assessment of cu原mulative cancer risk attributable to diagnostic X-ray radiation：alarge cohort studyJ.European Radiology，2022，33（3）：1-10.7 电离辐射防护与辐射源安全基本标准：GB 188712002S.北京：中国标准出版社，2002.8 邓晓钦，杜云武.四川省辐射事故等级评定与应急管理研究J.四川环境，2016，35（6）：123-131.渊上接 13 页冤17-