工业探伤室的混凝土屏蔽厚度计算

何银，段潇川，刘曼(东风设计研究院有限公司，武汉430056)

工业探伤室的混凝土屏蔽厚度计算

何银，段潇川，刘曼
(东风设计研究院有限公司，武汉430056)

针对辐射的防护，选择传统计算方法中较复杂的方法并加以改进。以某工业探伤室（包括1个X射线探伤室、1个γ射线探伤室）为实例，运用新方法进行了混凝土屏蔽厚度的计算，使此工业探伤室的设计能满足辐射防护的基本原则及相关国家标准、地方标准的要求。

X射线探伤；γ射线探伤；混凝土;屏蔽厚度

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

1 引言

射线探伤是无损检测的一个常用方法，广泛应用于石油化工、压力容器、冶金、机械制造等各行业。压力容器所处工作环境恶劣—高温、深冷、易燃或介质有毒，一旦容器破裂或爆炸，将会造成较多人员伤亡及很大的经济损失。焊缝是压力容器失效的主要因素[1]，不论是生产还是使用压力容器的公司，对其焊缝进行射线探伤都是必要的。为确保操作人员及公众免受超过国家规定的允许辐射剂量，对射线辐射的防护成为射线探伤工作的重要环节之一。通常采用缩短接触时间、增大防护距离，遮挡屏蔽物的方法来降低辐射剂量，本文重点阐述屏蔽物适宜厚度的计算方法。

2 辐射防护相关国家标准

探伤室运行时，工作人员和公众可能受到的辐射及附加年有效剂量，需分别满足《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871—2002)[2]对辐射工作人员、公众附加年有效剂量20mSv、1mSv的剂量限值要求，同时也需满足当地地方标准。如本工程所在的湖北省，在2009年颁布的《关于加强工业探伤项目辐射安全防护工作的通知》[3](鄂环办 [2009]75号文)中，要求“放射工作人员职业照射年剂量约束值取2mSv，公众照射年剂量约束值取0.25mSv”，即每周为0.04mSv、0.005mSv（1年按50周考虑）。

根据《工业X射线探伤放射卫生防护标准》[4]（GBZ117—2006）和《工业γ射线探伤放射防护标准》[5]（GBZ132—2008），在进行屏蔽墙设计时，可取公众约束剂量限值为0.3mSv/a，对于在X射线、γ射线装置工作条件下，探伤室屏蔽墙外30cm处空气比释动能率要求均不大于2.5μGy/h。使用移动探伤装置进行探伤作业时，需根据规范设置监督区及控制区。

3 屏蔽厚度计算

物质对辐射的吸收量与物质厚度近似成正比，可通过增加防护物质厚度可使辐射降低到标准规定剂量范围内。屏蔽厚度的计算方法很多[6]，通过减弱倍数、辐射穿透率、工作量、5%减弱厚度、分阶层等方法均可。方法越简化，其结果的准确性越差，这里采用较复杂的通过辐射穿透率来计算防护厚度的方法。此方法是计算出实际的穿透率，然后对比通过实验得出的射线在不同屏蔽材料中的减弱曲线来获取屏蔽厚度。文献[7]提出的方法计算屏蔽厚度精度更好，然而其建模程序复杂、计算时间较长且没有考虑施工阶段的质量因素影响，对于一般工程不一定更合适。虽受测量装置、环境等因素影响，减弱曲线有细微不同，但是用透射率来计算屏蔽厚度还是比较可靠的。

对有用射线的屏蔽计算：

式中,B为透射量，相应于B值的屏蔽厚度可从透射曲线读出，对于γ射线，B为比值，单位为1，对于X射线，B的单位为C/(kg·mA·min)；P为以每周的剂量当量表示的剂量限值，按相关标准取值,单位为mSv;D为从放射源到考察点的距离，单位为m；T为与考察点所在区域相应的居留因子，参考人员在辐射场所周围的实际驻留位置取值；U为利用因子，表示辐射源开启时间内射线束向需要考虑屏蔽的那个方向上的时间分数；W为1周内有用线束的工作负荷，对于γ射线，单位为Sv·m2，对有电流表的X射线机，即为1周内拟定曝光时间与管电流的乘积，单位为mA·min。

随着检测件厚度的增加，对焊缝质量检测要求越来越高，除使用X射线对一般厚度构件进行探伤外，还需引入穿透能力强效率高的γ射线对厚度较大构件的对接焊缝等进行探伤。γ射线探伤有以下特点：穿透能力比X射线强且比加速器经济，作业时不需用电，可穿过尺寸为2.54cm小口的瑕位去透照（X射线探伤仪和加速器几乎难以办到），可胜任X射线能承担的所有任务且无易损件。因混凝土墙体厚度计算简单、准确且建成后防护效果稳定，新建探伤室大部分采用混凝土墙体进行射线防护，本文以混凝土作为屏蔽材料研究对象。

文献[6]介绍的方法是根据透射曲线查出相应屏蔽厚度，图表中中间数值需要插值，计算精度难以保证。本文对实验所得结果进行数据拟合，得到“60Co宽束γ线穿过密度为2.35g/cm3的混凝土时的透射曲线”[8]（见图1）、“管电压350kV的宽束X射线穿过混凝土(密度2.25g/cm3)的透射曲线”（见图2）对应的拟合函数。

图1 Co宽束γ射线穿过密度为2.35g/cm3的混凝土时的透射曲线

图2 管压350kV的宽束X射线穿过混凝土（密度为2.35g/cm3）的透射曲线

图2 1#、2#探伤室平面图

图中，R2为判定系数。

纵横坐标交换来拟合，得到屏蔽厚度H与透射量B的关系如下：

曲线拟合误差分别为0.17%、0.04%，小于查表误差，更适合一般工程应用。

4 实例简介

建设单位拟建2个探伤室，1#探伤室（用60Co放射源进行γ射线探伤）位于厂房外部，2#探伤室（X射线探伤）位于厂房内部，根据检测工件的尺寸、建设方的使用要求，平面布置如图3（墙体厚度为最终设计厚度）。

1#探伤室：60Co放射源及192Ir放射源各1枚。2枚放射源的活度均为3.7×1012Bq（100Ci）。探伤作业过程中2枚放射源不同时使用。每天使用时间共不超过2h。2#探伤室：2台工业X射线探伤机，XXGHP-3505周向探伤机及XXG-3505定向探伤机各1台，2台探伤机的最高工作电压为350kV，最高管电流为5mA。探伤作业过程中2台探伤机不同时使用。

拟建1#、2#探伤室的设计说明：

1）拟设置红色警示灯、门-机-灯联锁装置，张贴电离辐射警示标志，并附中文警示说明，并在探伤室内安装固定式报警仪；

2）拟安装视频监控系统、紧急停机按钮，并将管理制度及操作规程等相关辐射安全管理制度装裱上墙；

3）电缆沟采用“U”形走线，安装通风量大于6400m3/h的机械通风系统，在开机条件下每小时换气5～10次。

本文着重考虑1#、2#探伤室墙体厚度的计算，探伤室的工件进出大门、人员进出小门均由探伤设备厂家提供，这里不做讨论。

公式（1）中，对工作人员取p为0.04mSv/周，对公众取0.005mSv/周；对放射工作人员按最不利情况，全居留取T为1，对防护墙外公众取T为1/4；探伤室屋顶无人员居留，取T为1/16；对工作人员取1，公众取U为1/4。

60Co放射源衰变时γ射线能量为1.25MeV，192Ir放射源衰变时γ射线能量为0.48MeV，故以60Co放射源作业时的屏蔽计算来计算1#探伤室的屏蔽厚度。根据文献[6]第94页表格“常用γ辐射源的γ常数、线较弱系数μ及半价层HVL”可知，37GB9（1Ci）的60Co放射源在距1m处每小时的照射量为3.35×10-4C/kg(1.3R)，本项目60Co放射源的活度为3.7× 1012Bq；故3.7×1012Bq的60Co放射源距1m处，每小时的照射量为3.35×10-2C/kg。按每天使用时间2h计算，每周按5个工作日计算，每周照射量为：

130×5×2=0.3354C/kg =10.93Sv=10930mSv

2#探伤室最多同时使用1台工业X射线探伤机，工业探伤机管电流为5mA，每周预计按最大曝光时间（本项目2#探伤室的年曝光时间250h，1年按50周计，则每周曝光时间5h计算，则每周曝光时间为5h×60min/h=300min，故 W=300min× 5mA=1500mA·min。

1#、2#探伤室计算参数及透射量B计算结果见表1。

利用公式（2）和公式（3），得到理论所需混凝土的厚度，考虑对漏射线的防护，增加一个混凝土半值层61mm（40mm），计算屏蔽厚度见表2。

表1 1#、2#探伤室计算参数及B计算结果

表2 1#、2#探伤室计算屏蔽厚度与设计屏蔽厚度对比

由表2可知，拟建1#、2#探伤室四侧墙体和房顶的设计屏蔽措施均能够满足屏蔽要求，故拟建1#、2#探伤室四周墙体屏蔽防护设计合理。迷道净宽800mm，四周墙体厚度均同主防辐射墙体（东侧墙体）厚度，故能满足屏蔽要求。

5 结语

本文对计算透射率并再从透射曲线读取屏蔽厚度这个方法进行了改进：对文献[6]中的实验数据进行数据拟合，得到更合理的透射曲线及拟合函数公式，计算得出透射率后，通过拟合函数公式计算得到屏蔽厚度，这样更精确方便。在满足国家规范标准及地方设计要求的前提下，用改进过的方法对实际设计工程案例进行了混凝土屏蔽厚度的计算。结合文献[6]中理论能很容易得到其他材料屏蔽厚度的计算数据。文献[9]提到一些其他方法，相信经此专业领域的人员研究和总结后，可使得屏蔽厚度的计算更可靠更快捷。

【1】李生田，刘志远.焊接结构现代无损检测技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

【2】GB18871—2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].

【3】鄂环办[2009]75号关于加强工业探伤项目辐射安全防护工作的通知[S].

【4】GBZ117—2006工业X射线探伤放射卫生防护标准[S].

【5】GBZ132—2008工业γ射线探伤放射防护标准[S].

【6】苏森龄.X射线与γ射线防护手册[K].贵阳：贵州人民出版社，1982.

【7】冀东等.屏蔽估算保守性对工程投资的经济学分析[J].核电子学与探测技术，2014,34(3)：349-352.

【8】GBZT152—2002γ远距治疗室设计防护要求[S].

【9】孙莹莹.常用γ放射源的屏蔽计算及方法评价[D].长春：吉林大学，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

何银（1984～），女，湖北大悟人，工程师，从事结构工程设计与研究。