机动式高能X射线照相系统在固体火箭发动机无损检测中的应用

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（中国人民解放军96630部队，北京 102206）

在固体火箭发动机使用过程中，对发动机装药燃烧室定期进行性能检测，对于掌握发动机性能并视情维修具有重要意义。高能X射线照相是发动机性能检测与评价的有效手段之一，尤其机动式高能X射线照相系统，能够方便地运输至发动机贮存场所展开检测，避免了长途运输对发动机的不利影响，大大提升了多样环境下的固体发动机保障能力。

高能X射线能量高、危害大，通常须依托于专用工房检测。对于分散、少量贮存的固体发动机，建设固定式专用工房和高能检测设备，耗资巨大、利用率低；或将发动机长途运输至集中地点检测，安全性以及长途运输对发动机的影响不确定，也不可取。

所以，集射线源、控制系统、胶片处理于一体的机动式高能X射线照相系统（简称机动系统），能够机动到固体发动机贮存工房对发动机进行无损检测，较好的解决了这一难题。从机动系统的特点出发，因地制宜采取辐射防护措施，规范检测流程与质量控制措施，保证了机动系统的辐射安全与检测质量。

1 机动系统概述

机动系统为厢式货车结构，集成了9 MeV驻波电子直线加速器、X射线机头运动机构及控制设备、胶片处理设备和辐射防护设备等。系统可机动至固体火箭发动机或其它大型工件的贮存厂房进行现场检测，解决了大型工件运输不方便的问题。其主要性能指标如下。

1.1 照相检测灵敏度

钢厚度70～350 mm，达到ASTM E142标准中的1－2T；钢厚度80～350 mm，达到ASTM E142标准中的1－1T。

1.2 加速器指标

（1）电子能量：9 MeV。

（2）辐射束的剂量率：在射线中心束方向上，距靶点1 m处1 min内累计剂量30 Gy。

（3）靶点直径：不大于2 mm。

（4）剂量稳定时间：从开机开始计时，剂量率达到设备标称值的90%所用时间不大于5 s。

（5）照射野：可调矩形，水平及垂直方向角度调整范围0°～24°。

（6）加速器机头运动性能：X射线机头平行于工件轴线方向运动范围大于10 m，垂直运动范围为距地面1～2.4 m，X射线机头上下俯仰±15°，水平旋转±30°。

2 机动性设计

要使高能X射线检测系统具备良好的机动性，须在加速器小型化、性能稳定性、结构适应性等方面进行技术改进。

2.1 加速器小型化

机动系统通过采用全密封磁轴耦合驻波加速管和四端环流器结构实现了X射线照射头的小型化，并将高压脉冲调制器、电气控制柜、稳压电源等集成优化设计，大大缩小了体积。同时，采用分布式总线控制技术，将X射线装置及控制系统分别集成在通装货车底盘上，实现了高能加速器的车载机动。

2.2 加速器性能稳定性

为保证系统核心部件，如加速管、磁控管、波导系统等经过长途运输后的稳定性，对X射线机头采用了均衡全浮式减振技术，在X射线机头与托架之间非均布安装鼓形双向减振器。通过试验测试，X射线机头设备的振动加速度明显小于无减振措施的振动加速度，起到了较好的减振效果，保证了长距离机动运输后加速器系统的性能稳定。

2.3 多样工件的适用性

为适用于不同型号固体火箭发动机的切向和径向照相，机动系统能够调节X射线机头位置和方向，完成X射线机头伸缩、垂直升降、水平旋转、俯仰以及整车移动等五个自由度的运动，满足各种工件和工况的射线检测要求。

3 辐射防护设计

3.1 开放工房高能X射线照相检测辐射危害分析

开放工房是指修建时没有考虑射线防护的一般性厂房，其承重墙体通常为300～400 mm厚混凝土墙，非承重墙为200 mm至250 mm厚砖墙，有大面积采光玻璃窗和通风设施。以加速器剂量率30 Gy/min计算（距靶1 m处），开放厂房周围100 m范围作为控制区域，控制区边界主束方向和非主束方向剂量率分别为 1.8×105，180μGy/h，是GB Z117－2006《工业X射线探伤放射卫生防护标准》规定控制区边界值的12 000倍和12倍，因此开放工房的辐射防护条件远不能满足辐射防护要求，必须采取防护手段，减小工房外的射线剂量率。

3.2 辐射防护方法

要在开放工房进行高能X射线照相，可采取屏蔽防护与距离防护相结合的方法，主要表现在：

（1）借助地理环境，尽量让射线主束正对厚度很大的天然屏蔽体（如山体、土堆等），如果没有可采用移动防护器材或修建防护墙进行防护；

（2）根据计算与实际测量结果，科学划分辐射控制区与监督区，采取必要的警戒措施，防止无关人员进入监督区；同时运用加速器远程控制功能，工作人员尽量远离射线源进行操作。

根据周围环境和厂房结构特点，开放工房可以分成两类，一是完全开放型，二是半开放型。

完全开放型场工房是指厂房周围均为开阔地，没有可利用的山体、建筑、低洼地。对于这种工房，射线主束方向应修建混凝土防护墙，非主束方向则以移动防护屏风为主，控制区边界尽量依托实体墙进行隔离，根据测量结果划定辐射监督区，加强人员警戒，工作期间不允许非工作人员进入监督区。如果加速器远程控制端距离加速器靶点小于50 m，还应当采取混凝土防护顶棚或铅板屏蔽天空散射。图1为某开放型厂房的辐射防护方案。

图1 完全开放型厂房辐射防护方案

半开放型厂房是指厂房周围一个或几个方向存在山体或可以大幅衰减射线的构筑物，它们几乎能够完全吸收来自主束的射线，因此无需修筑主防护墙与辅助防护墙。加速器远程控制端可利用建筑、地势等进行防护。半开放厂房示例如图2所示，主束方向和加速器西侧为山体；东侧和南侧地势开阔，采用移动屏风防护以减小监督区范围，远程控制端位于地平面下，坑深度为5 m，为减小天空散射，距离加速器靶点约80 m。

图2 半开放型辐射防护方案

4 检测流程与应用

4.1 检测流程

固体火箭发动机野外条件下的射线检测基本流程与固定厂房内的射线检测流程基本相似，只是前者的质量和安全控制因素复杂多变，要求更严格，如图3所示。机动检测系统到达开放厂房后，首先展开设备并对工件、设备、防护器材等进行布置和检查，划定辐射监督区和控制区，随后进行胶片准备和工艺布置，并对发动机各部位进行射线照相，最后评定底片，出具报告，撤收设备。

图3 固体火箭发动机机动式高能X射线照相检测流程

4.2 质量控制

机动系统成功解决了大型固体发动机靠前保障问题，但其质量控制要素相比固定式检测有很大变化，表1是固定式检测与机动式检测质量控制对比情况，可以看出机动式检测过程质量控制难度大，对检测人员、装备技术保障和工艺过程控制等都提出了较高要求［1]。根据固定式与机动式射线照相检测的质量控制变化，总结既往经验，针对性提出以下质量控制方法：

表1 固定式检测与机动式检测质量控制对比

（1）制定质量控制规范，严格落实检测操作过程的自互检制度。

（2）以控制显影液温度为重点，确保胶片处理条件的一致性。

（3）建立装备照相性能验证制度，定期校验射线照相灵敏度。

（4）严格执行辐射防护方案，确保检测过程辐射安全。

4.3 固体火箭发动机检测应用实例

机动系统应用于火箭发动机射线检测，发现了发动机内部大量的缺陷，包括药柱气孔、绝热层内分层、夹杂、药柱与衬层脱粘等，对判断发动机质量，指导发动机设计、生产都起到了很大作用。图4是由机动系统拍摄的发动机射线照相缺陷底片影像，及实物挖药情况［2]。

图4 固体火箭发动机射线照相缺陷

经对大量发动机检测数据的统计分析，发现：

（1）随着推进剂原料制作、预混、浇注工艺逐渐成熟，推进剂内部缺陷越来越少，以界面缺陷为主。

（2）发动机贮存期间（15年左右），内部缺陷基本没有变化，已有缺陷基本为生产过程产生的。

（3）燃烧室人工脱粘层根部的位置对发动机的结构完整性影响很大，尤其对衬层与药柱的粘接界面。

（4）发动机缺陷绝大多数为工艺性缺陷，极少为设计性缺陷。因此，通过无损检测手段改善生产工艺，优化结构设计是十分必要的。

发动机射线照相对于发现设计、生产问题，指导工艺改进都有重要作用。例如，检测发现某型号发动机靠近燃烧室后机口药柱截面普遍存在密集气孔，如图5所示。经分析认为，当推进剂立式浇注至最后阶段，在虚线1以上区域形成封闭区域，气体不易排除，而形成扁平密集气孔群。建议采用变速率浇注，浇注的最后阶段，确保燃烧室内真空度要求；另外，改进后机口绝热层设计，绝热层型面沿虚线2比较合理。再如，检测发现某型发动机前封头药柱内出现大面积的低密度影像，形状非常不规则，经挖药确认，发现是大量的片状衬层薄片。经分析，认为是喷涂发动机衬层料浆时，局部混入微小气孔群，当衬层处于半固化状态，燃烧室抽真空，发动机浇注，此时，混入气体的衬层膨胀鼓泡，以致气泡破裂落入前封头。针对这一问题，需要完善衬层料浆混匀工艺并保证喷涂的真空度，同时加强对衬层半固化状态的量化控制研究［3]。

图5 某型发动机后封头药柱密集气孔群

5 结语

机动系统通过小型化设计实现了高能X射线照相设备的机动化，能够机动至发动机贮存场所对固体发动机进行射线照相检测。为确保辐射安全，检测中采取了地势防护、修建防护墙、搭建移动防护屏风和人员区域警戒等方法，打破了传统的高能X射线检测必须要修建专用检测工房的观念。对于机动检测而言，检测条件变化多样，必须严格落实质量的过程控制和关键环节的重点监管，才可以保证检测质量的一致性。总之，机动式固体发动机高能X射线照相为准确掌握贮存和使用中的发动机质量，为反馈发动机生产过程，指导发动机设计都起到了重要作用。

［1]刘富刚，尚玉沛，王丽，等.固体火箭发动机高能X射线照相检测技术研究［J].无损探伤，2005，29（5）：10－12.

［2]CRISCUOLO E L，HOLLOWAY J A，POLANSKY D，et al.Radiography of large solid rocket propellant motors［C]//Symposium on Nondestructive Testing in the Missile Industry，1968.

［3]张玉娟，王召巴，杨亚军.基于红外光谱的固体火箭推进剂包覆层半固化状态判定［J].弹箭与制导学报，2012，32（6）：103－108.