工业探伤室的防护设计及计算最初主要是参考医用探伤室相关资料和经验。对比而言, 工业射线探伤室有如下几个特点。
1.1 公众防护对象医用射线照射室一般更接近公众。在医院和临近建筑内都有可能存在全天居留的人员, 例如住院处或临近住宅; 工业射线探伤室是机械工厂的辅助设施, 在厂区规划设计时, 一般都尽量避开公共居民区, 或者距离公共居民区较远, 其防护的公众对象往往是工厂职工。
在防护计算时, 对于医用照射室, 由于公众防护对象可能全天居留, 被动接受的照射时间可按照全天考虑, 即按照每天24 h; 而工业射线探伤室由于远离居民区, 其公众防护对象一般指厂内工作人员, 一般每天不超过8 h。
1.2 射线装置的移动情况医用射线照射室的射线装置基本不动, 或机头小范围移动。而工业射线探伤室内的射线装置在工作时移动范围较大, 射线源的位置与控制点的距离是变化的。例如净长度30 m的大型探伤室, 射线装置的水平移动距离可达26 m。
基于上述原因, 对于医用照射室墙外特定的监控点, 接受的辐射量基本不变; 而对于工业探伤室, 由于射线装置位置移动范围较大, 特定的监控点的辐射量也在变化。
1.3 射线装置的使用情况医用照射室的任务是确定的, 同一个照射室内配备和使用的设备基本是固定的; 工业射线探伤室通常配备加速器、γ射线探伤仪、X射线探伤机等, 他们的使用随生产要求而定。
由于医用照射室设备是确定的, 按对应设备进行防护计算即可; 而工业射线探伤室内含有多种设备, 小剂量射线装置对整个探伤室而言, 虽承担了部分探伤任务, 但对探伤室外控制点处的辐射贡献很小或可以忽略。这样, 在防护设计时就需要考虑关键探伤设备的负荷情况。
2 探伤室防护计算输入条件分析 2.1 防护计算的输入条件工业用探伤室主要采用的探伤设备有X射线探伤机、γ射线探伤仪、直线加速器等。以一般加速器探伤室的防护设计为例(本文不讨论具体的计算方法), 采用减弱倍数法计算主照射墙厚度的公式如下[1]:
K=W· U· T · n/P· d2
式中:K=减弱倍数, 计算后, 通过查相应表格即可求得防护墙体厚度; W=工作负荷, 离靶1 m处的吸收剂量, 单位cGy/ m. min; U=利用因子, 指有用线束射向某墙的时间比例, 对于主照射墙, 取1; T=居留因子, 指探伤室外某区域人员的居留情况; n=安全系数, 工业探伤室一般取2; P=控制点处的剂量限制值, 单位mSv; d=射线源至控制点的距离, 单位m。
由上式可见, 要保证防护计算的合理性, P、W、T、d四个输入条件的确定必须是合理准确的。尤其是控制点处的剂量限制值P和射线源至控制点的距离d这两个参数。
2.2 控制点处的剂量限制值P关于剂量限值, 国家标准《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB1887l-2002)等标准都有详细规定。简言之, 公众年总限值1 mSv, 职业照射年总限值20 mSv。这个指标是最基础的防护控制条件。对于工业探伤室的防护设计, 国标《γ辐照装置设计建造和使用规范》 (GB17568-2008)第4.2.4条规定:探伤室设计时, 职业人员防护设计限制值为5 mSv/a, 公众人员防护限制值为0.1 mSv/ a。而卫生部颁布的《工业γ射线探伤放射防护标准》(GBZ 132-2008)第6.1条中规定:γ射线探伤室进行屏蔽墙设计时剂量约束值可取0.1~0.3 mSv/a, 并要求探伤室墙外30 cm处的空气比释动能率不大于2.5 μGy/h。
上述标准中, 0.1 mSv/a的公众限制值是总量控制指标。为便于计算, 这个指标要分解为控制点处的单位时间指标P (mSv/h或mSv/min)。即通过将总量指标mSv/a除以照射时间h (或min)获得。因此, 照射时间h就决定了单位时间剂量指标P。现列出以下3种情况来说明:①第一种情况:探伤室附近有居民区, 存在全天居留的可能。这种情况下与医用照射室相近, 即公众接受到的辐射取决于探伤设备的实际工作时间。按照机械工厂基数标准(JBJ/T 2-2000), 如果按三班工作制, 设备年时基数为4 290 h。假设设备一直工作, 则h值应取4 290。得到的P值为0.023 μ Sv/h。②第二种情况:探伤室远离居民区, 其防护对象是工厂职工。在此条件下, 即使探伤设备全天使用, 工人每天也只工作8 h。因此, 工人的实际居留时间决定了控制点处的限制值。按照机械工厂年时基数标准, 工人的年时基数1830 h。则得到的P值是0.055 μSv/h。③第三种情况:探伤室公众防护对象是工厂内部的工人, 但考虑探伤设备的有效工作时间。例如, 按照近年来国内主要重型机械工厂探伤室的的工作情况, 其加速器的年实际出束时间一般不超过400 h。如果按此计算, 则P值为0.25μ Sv/h。
由上述分析可见, 三种情况的P值最大相差约10倍。墙体厚度相差约一个1/10厚度层。如果是9MeV加速器探伤室, 则墙体厚度相差约387 mm。显然, ,从设计最优化的原则出发, 应该考虑探伤设备实际可能达到的工作负荷。
2.3 有效照射时间h有效照射时间与工厂的射线探伤负荷密切相关, 在设计时需给予考虑。通常, 特定生产厂房的生产能力是确定的, 因此其射线探伤负荷也是基本确定的。例如15 000m2的厂房, 其年生产重型容器的能力约5000 t。如果单台容器重量为400 t, 则年产产品12.5台。以每台容器8条环缝计算(筒节按锻件考虑), 则共有环缝100条。按照工厂的统计经验, 单条环缝完成探伤的时间约为2 d (包括生产调度、产品运输、位置调整、贴片等辅助时间), 完成这些产品的探伤总计约需200 d。按照机械工厂年时基数标准, 设备年工作时间为250 d来算, 这个厂房配备1座探伤室即可满足要求, 生产负荷为79%。按上述情况估算底片的总数约为5 400张左右(产品直径按直径3.5 m)。假设全部采用加速器探伤, 一张底片的曝光时间平均按4 min, 则实际总曝光时间为360 h。在此基础上, 另外考虑大接管管座焊缝探伤及不合格焊缝返修等探伤负荷, 并适度放大, 以便给总探伤负荷留有一定裕度。
有效照射时间的确定也需考虑探伤室内的设备配备和使用情况。例如在9MeV加速器探伤室内使用X射线探伤机进行探伤时, 其对防护墙外控制点处的辐射贡献可以不予考虑。因此, 若将所有的探伤负荷都归结到主要的探伤设备来完成, 并由此计算照射时间, 最终的防护计算结果一定是偏保守的。
2.4 射线源至控制点的距离d前已述及, 工业探伤室内的探伤设备移动范围较大。因此, 对于一个特定的控制点, 射线源至该控制点的距离d也是不断变化的。按照防护计算公式, K与d2成反比。如果d值增加1倍, 则K值减少4倍。对于净长度30m的大型探伤室, 如果考虑侧墙外的防护控制点, 则射线源距离控制点最近处的距离d值约为~4 m, 最远处~30 m, K值相差56倍。实际上, 对于容器类产品的环缝射线探伤, 由于产品的环缝分布基本对称, 在最近点和最远点的照射频率基本是一样的。
在考虑射线源至控制点的距离d时, 笔者提出如下建议:
(1) 按照总剂量指标计算时(例如GBZ 132-2008中规定的公众年总指标0.1~0.3mSv/a), d值建议取射线源至控制点的平均距离。事实上, 工件在多数情况下被放置在探伤室的中部, 因此, 一般取探伤室中部到控制点的距离就是合理的。
(2) 按照瞬时值计算时(例如GBZ 132-2008中规定的探伤室墙外30cm处的空气比释动能率不大于2.5μ Gy/h), d值则应取最不利的位置, 即射线源至控制点之间的最近距离。
(3) 探伤室在设计时, 建议首先取平均距离d按照总量指标进行计算, 之后再取最不利位置处的距离按瞬时值指标进行核算。
3 探伤室评价与验收工业射线探伤室在设计完成后, 需首先进行环境影响评价, 合格后才能进行施工建设, 建成后还需卫生防疫部门验收后才能使用。环境影响评价主要采用计算复核的方式, 即评价单位根据探伤室施工图和厂区总图进行复核计算并作出结论。但是如果评价计算时采用的输入条件与设计时采用的输入条件有较大差异, 则结果就会产生争议。因此, 笔者建议设计单位应向环评单位提供主要的设计输入条件。
探伤室竣工验收主要是采取实际测量的方式, 即通过现场测量控制点处的剂量值来判断探伤室设计是否满足防护要求。但是测量值均是瞬时值, 而探伤室在防护计算时主要采用总量指标, 且受前述d、h、T等参数的影响。因此, 单纯采用实测数据进行复核未必能准确反映防护设计的合理性[2]。因此, 在竣工验收时, 最好也采用总量指标和瞬时指标分别进行核算检验。
另外, 对于GBZ 132-2008标准规定的探伤室墙外30 cm处空气比释动能率不大于2.5μSv/h的数据指标, 建议最好是作为探伤室防护设计的最基本条件, 用来对探伤室的防护计算进行复核。
[1] |
张丹枫, 赵兰才. 辐射防护技术与管理[M]. 南宁: 广西民族出版社, 2003: 378.
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[2] |
陈丽娟, 张志兴. 关于新标准公众照射剂量限值在防护实践中应用的探讨[J]. 中国辐射卫生, 2005, 14(2): 159-160. DOI:10.3969/j.issn.1004-714X.2005.02.048 |