核電廠役前和在役檢查Co60 γ射線曝光曲線的繪制及應(yīng)用

，，

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

我國(guó)核電廠役前和在役檢查設(shè)備和系統(tǒng)管道焊縫的Co60 γ射線檢測(cè)透照厚度范圍為40～130 mm。核安全1級(jí)設(shè)備焊縫周向曝光最大尺寸為M310機(jī)組的穩(wěn)壓器上封頭與筒體環(huán)焊縫,其規(guī)格(外徑×壁厚)為φ2 135 mm×119 mm;300 MW機(jī)組主泵接管周向曝光焊縫規(guī)格(外徑×壁厚)為φ856 mm×78 mm。M310機(jī)組的射線檢測(cè)技術(shù)是依照法國(guó)RCCM MC 3000《壓水堆核島機(jī)械部件設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》執(zhí)行的;300 MW機(jī)組射線檢測(cè)技術(shù)是依照美國(guó)ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范 第Ⅴ卷 無(wú)損檢測(cè)》的有關(guān)要求執(zhí)行的。

核電廠役前和在役檢查使用γ射線檢測(cè)是一種常用的無(wú)損檢測(cè)方法，透照時(shí)間是最重要的參數(shù)之一。對(duì)采用Co60 γ射線源，具有不同壁厚、不同焦距、不同類型膠片、一定厚度鉛濾光片的射線檢測(cè)條件來(lái)說(shuō)，要獲得一張影像質(zhì)量高的底片，就必須確定一個(gè)最佳的曝光量，并繪制出一定厚度鉛濾光片的厚度與曝光量關(guān)系的曝光曲線。

1 曝光量計(jì)算方法分析及其影響因素

通常曝光量是通過(guò)查曝光曲線、計(jì)算公式和γ射線源儀器生產(chǎn)廠家提供的曝光計(jì)算尺或計(jì)算軟件來(lái)計(jì)算的。

1.1 曝光時(shí)間計(jì)算公式

射線照相的底片黑度在標(biāo)準(zhǔn)RCMM MC 3000和ASME標(biāo)準(zhǔn)中所述條件一定時(shí)取決于曝光量的大小。對(duì)于γ射線源來(lái)說(shuō)，曝光量等于γ射線源的活度乘以曝光時(shí)間。當(dāng)γ射線源種類和活度一定時(shí)，為了獲得一定黑度、靈敏度的底片，曝光時(shí)間還需要考慮膠片類型及暗室處理?xiàng)l件、增感屏類型及厚度、受檢工件厚度及材料、焦距、底片黑度及鉛濾光片的厚度要求等。曝光時(shí)間理論上計(jì)算復(fù)雜，其數(shù)學(xué)函數(shù)式[1]為

(1)

式中:t為曝光時(shí)間；P為膠片曝光所需的照射量；R為射線源到膠片的距離；δ為透照厚度；T1/2為半值層厚度；A為放射源活度；Kr為照射量率。

由于計(jì)算曝光量的公式時(shí)，需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定在不同被檢測(cè)材料厚度條件下，帶不同厚度鉛濾光片時(shí)的劑量累計(jì)因子、線性衰減系數(shù)以及在曝光過(guò)程中膠片所受到的γ射線的照射量。劑量累計(jì)因子、線性衰減系數(shù)的確定與透照厚度等許多因素相關(guān)，用公式計(jì)算曝光時(shí)間的不確定因素較多。

1.2 通過(guò)曝光計(jì)算尺計(jì)算曝光時(shí)間

應(yīng)用專用曝光計(jì)算尺計(jì)算曝光時(shí)間是將式(1)簡(jiǎn)化，通過(guò)單因子變根法計(jì)算出一系列值，并把相應(yīng)的值刻在計(jì)算尺的定尺和滑尺上。通過(guò)曝光計(jì)算器計(jì)算曝光時(shí)間也是根據(jù)式(1)將不同參數(shù)存于計(jì)算器內(nèi)運(yùn)算得來(lái)的。

曝光計(jì)算尺和曝光計(jì)算器是考慮將增感屏的組合方式和厚度取一特定值，事實(shí)上鉛增感屏厚度不同，增感系數(shù)不一樣，導(dǎo)致底片黑度一樣，計(jì)算出來(lái)的曝光時(shí)間誤差也較大，所以不能簡(jiǎn)單地將鉛濾光片的厚度等效成被檢測(cè)材料的厚度來(lái)考慮曝光量。

在我國(guó)常見(jiàn)的γ射線的曝光計(jì)算尺的鉛增感屏前屏和后屏厚度均為0.1 mm，沒(méi)有中屏，無(wú)鉛濾光片。

核電廠役前和在役檢查中，如果直接使用γ射線源儀器生產(chǎn)廠家提供的曝光計(jì)算尺或計(jì)算軟件來(lái)計(jì)算曝光量將會(huì)導(dǎo)致曝光量誤差較大。

1.3 通過(guò)曝光曲線計(jì)算曝光時(shí)間

曝光曲線是表示工件(材料、厚度)與工藝規(guī)范(射線源、曝光時(shí)間、焦距及暗室處理?xiàng)l件等)之間相關(guān)性的曲線，也是射線檢測(cè)人員正確選擇曝光量參數(shù)以獲得標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的射線底片黑度的有效工具。

常用的γ射線曝光曲線是用一張二維的坐標(biāo)圖表示3個(gè)相應(yīng)的參數(shù)的，用橫坐標(biāo)表示焊縫的厚度，縱坐標(biāo)表示曝光量(射線源強(qiáng)度×曝光時(shí)間)，厚度是線性刻度，曝光量用對(duì)數(shù)刻度，其他參數(shù)相對(duì)固定。

1.4 確定曝光量的重要性及其影響因素

核電廠在役射線檢查低低水位關(guān)鍵路徑時(shí)，要求射線透照一次成功，曝光量的準(zhǔn)確尤為重要。如果檢測(cè)人員沒(méi)有一條特定、準(zhǔn)確、實(shí)用的曝光曲線，而只是憑經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)試驗(yàn)，一次又一次摸索不同規(guī)格尺寸焊縫的曝光量，既浪費(fèi)時(shí)間，又浪費(fèi)資金。需要考慮曝光量準(zhǔn)確性的因素有：① 在役檢查時(shí)有些規(guī)格的焊縫沒(méi)有曝光量可以參考，射線檢測(cè)不再限于役前檢查的焊縫，需要重新計(jì)算不同規(guī)格焊縫的曝光時(shí)間；② 一回路管道焊縫都具有較高的放射性劑量率。射線檢測(cè)每條焊縫時(shí)，每拍一張底片，操作人員都將受到焊縫周圍環(huán)境的放射性照射，如果曝光量不正確，重新透照就會(huì)增加個(gè)人有效劑量當(dāng)量；③ M310機(jī)組的穩(wěn)壓器上封頭與筒體焊縫最厚和最薄的厚度差約為8 mm，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，射線檢測(cè)不可能采用補(bǔ)償?shù)霓k法，也不能分多次對(duì)最厚、最薄、中間厚度處分別予以透照，在同一焦距(1 160 mm)、同一曝光量下，使其不同壁厚的平均黑度為3.5時(shí)，最厚與最薄處的黑度差較大，盡管RCC-M MC3000規(guī)范中底片黑度范圍為2.7～4.5，在焊縫最厚處的底片黑度達(dá)2.7，則焊縫最薄處的底片黑度就會(huì)超過(guò)4.5，如果射線源定位工具的安裝產(chǎn)生偏差，還會(huì)導(dǎo)致黑度偏差較大，這些都要求曝光量的計(jì)算相當(dāng)精確。

綜上所述，從核電廠大修進(jìn)度和輻射防護(hù)的劑量當(dāng)量水平以及焊縫結(jié)構(gòu)透照技術(shù)的因素考慮，都要求曝光量的確定更準(zhǔn)確。所以在選取了一定工藝規(guī)范(源的種類、膠片類型、增感屏類型及組合方式、底片黑度、暗室處理?xiàng)l件和焦距等)的同時(shí)，必須繪制不同試塊壁厚、不同厚度濾光片，不同γ射線源、一定焦距時(shí)的曝光曲線。

2 繪制曝光曲線

2.1 設(shè)備和器材

采用TENB-680型Co60 γ射線探傷機(jī)，源焦點(diǎn)尺寸(直徑×高度)為φ3.8 mm×4.5 mm，活度大于70×3.7×1010Bq。

階梯試塊規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為360 mm ×170 mm，共10階，相鄰臺(tái)階的厚度為3 mm，試塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 階梯試塊結(jié)構(gòu)示意

平板試塊規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為360 mm×170 mm，厚度為25 mm的4塊,厚度為30 mm的2塊，厚度為10 mm的1塊,厚度為5 mm的1塊。平板試塊和階梯試塊可組成40～130 mm的不同厚度。

采用Kodak M工業(yè)膠片和與之相匹配的Kodak工業(yè)膠片手工顯影液和定影液。鉛濾光片規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為360 mm×170 mm，厚度為2.0 mm的2塊。鉛增感屏規(guī)格(長(zhǎng)×寬)為360 mm×100 mm，前屏和后屏厚度均為0.25 mm，2塊中間屏厚度均為0.1 mm。暗袋規(guī)格為可裝下360 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬)組合的雙屏雙膠片和鉛濾光片。防背散射鉛板長(zhǎng)370 mm，寬170 mm，厚2.0 mm。

用法國(guó)AFNOR HB型像質(zhì)計(jì)來(lái)檢驗(yàn)射線照相靈敏度。編號(hào)為5～9的像質(zhì)計(jì)孔號(hào)分別為2.5，2.0，1.6，1.25，1.0，0.8。

像質(zhì)計(jì)為正六邊形階梯式，每個(gè)像質(zhì)計(jì)階梯上含有1個(gè)孔。鉛字標(biāo)記，數(shù)字標(biāo)記0～9，英文字母26個(gè)，中文鉛字如年、月、日等，用來(lái)識(shí)別不同條件下拍攝的底片。

采用TD-210和Model-301型黑白密度計(jì)，密度計(jì)黑度測(cè)量范圍0～5，精度為±0.01。高強(qiáng)亮度觀燈片158 Ⅰ型(美國(guó)產(chǎn))，可觀看黑度為4.5的底片。

2.2 曝光曲線繪制的方法和步驟

2.2.1 固定一些透照因素

利用階梯試塊和平板試塊組成不同厚度進(jìn)行一系列透照試驗(yàn)，制作曝光曲線時(shí)，必須固定一些透照條件，如γ射線源、感光膠片、焦距(焦距的選取還要滿足照相靈敏度對(duì)幾何不清晰度的要求)、增感方式、暗室處理?xiàng)l件，鉛濾光片厚度為2.0 mm。

γ射線源在制備后能量是一定的，其強(qiáng)度可由衰變規(guī)律確定，在給定壁厚的條件下，只需改變透照時(shí)間就可以改變曝光量。使曝光量由低到高逐次增加時(shí)間進(jìn)行曝光，得到一組曝光的膠片，找出曝光量與透照厚度的關(guān)系，在相同的條件下將這些曝光膠片進(jìn)行暗室處理，即顯影溫度20 ℃，時(shí)間5 min，定影溫度20 ℃，時(shí)間10 min，底片水洗30 min，自然晾干后就可得到一系列不同黑度的底片。用黑白密度計(jì)測(cè)量出底片上每級(jí)階梯的黑度，記錄下每張底片的拍攝條件以及相應(yīng)的黑度和靈敏度。

2.2.2 繪制Co60 γ射線源、Kodak M膠片的曝光曲線

采用以下條件：Co60 γ射線源，Kodak M膠片，焦距F1和F2，鉛濾光片厚度為2.0 mm, 鉛增感屏組合方式前屏和后屏厚度均為0.25 mm，2塊中間屏厚度均為0.1 mm。暗室顯影溫度20℃，時(shí)間5 min，定影溫度20℃，時(shí)間10 min，底片水洗30 min。厚度為55～125 mm試塊的曝光量、底片黑度和靈敏度如表1所示。

表1 厚度為55～125 mm試塊的曝光量、底片黑度和靈敏度 mm

以橫坐標(biāo)表示底片黑度，縱坐標(biāo)表示曝光量，黑度是線性刻度，曝光量是對(duì)數(shù)刻度，底片黑度與曝光量之間的關(guān)系如圖2,3所示。

在圖2，3中取基準(zhǔn)黑度D=3.5繪成試塊厚度與曝光量之間的曝光曲線如圖4所示。

圖2 厚度分別為60,70,80,90 mm時(shí)底片黑度與曝光量之間的關(guān)系

圖3 厚度分別為100，110，120 mm時(shí)底片黑度與曝光量之間的關(guān)系

圖4 試塊厚度為40～130 mm時(shí)與曝光量的關(guān)系

3 曝光曲線的擬合方式

由于制約條件很多，很難從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出曝光曲線的理論公式。但有時(shí)用數(shù)學(xué)式進(jìn)行計(jì)算比查圖更方便些，而且易于對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行快速修正，為此需要視試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行不同方式的擬合，以得出有一定實(shí)用性的擬合方式。

圖4是通過(guò)試驗(yàn)繪制的厚度-曝光量的曝光曲線，可由式(2)表示[2]。

lgE=aT+b(2)

式中：E為曝光量；T為厚度；a，b為回歸系數(shù)。

從圖4的E-T關(guān)系曲線讀出不同壁厚所對(duì)應(yīng)曝光量的數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法配回歸方程[3]。

(3)

式中：N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

對(duì)于Co60 γ射線源，Kodak M膠片，焦距為F3，a=1.367 989×10-2，b=2.610 632。用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)程序進(jìn)行計(jì)算，得出回歸系數(shù)，并整理出曝光量的計(jì)算公式，如式(4)所示。

lgE=1.367 989×10-2T+2.610 632(4)

4 誤差分析

在繪制曝光曲線中產(chǎn)生的誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面。

(1) 密度計(jì)的測(cè)量誤差±0.01D。

(2) 試塊厚度測(cè)量誤差±(0.5%+0.1) mm。

(3) 鉛濾光片和鉛增感屏厚度的測(cè)量誤差。

(4) 顯、定影液溫度的測(cè)量誤差。

(5) 焦距測(cè)量誤差。

(6) 射線源活度的誤差。

(7) 按均方根差，由以上各項(xiàng)造成的黑度相對(duì)誤差為±5.79%。

5 曝光條件修正

曝光曲線是在特定條件下繪制的，因此其只適用于特定條件下，這里的特定條件是指工件的材料為低合金鋼，透照焦距F3，雙底片的黑度D=3.5，膠片的類型Kodak M以及暗室處理?xiàng)l件一定的情況。但實(shí)際透照工作中，由于各種因素的影響，上述特定的曝光條件經(jīng)常難以滿足。這時(shí)就必須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)圖4得到的透照參數(shù)進(jìn)行修正。

5.1 工件材料改變時(shí)的修正

制作曝光曲線的試塊是低合金鋼，當(dāng)工件材料不同時(shí)，就不能直接利用曝光曲線來(lái)確定透照參數(shù)，而是要利用等效系數(shù)來(lái)進(jìn)行厚度換算，然后根據(jù)換算得到的厚度，由曝光曲線來(lái)確定所采用的曝光量。

試驗(yàn)用的材料厚度T0與被檢材料的厚度Tm之比為材料等效系數(shù)，如式(5)所示。

φ=T0/Tm(5)

5.2 焦距改變時(shí)的修正

圖4的焦距為F3，射線檢測(cè)時(shí)，焦距常因條件限制而需要改變，這時(shí)應(yīng)根據(jù)射線強(qiáng)度與焦距的關(guān)系對(duì)曝光量進(jìn)行修正，以保證底片黑度符合曝光曲線的要求。

當(dāng)透照條件不變時(shí)，到達(dá)膠片的射線強(qiáng)度與焦距的平方成反比，如式(6)所示。

(6)

式中：I1為曝光曲線上焦距為F3時(shí)對(duì)應(yīng)的射線強(qiáng)度；I2為實(shí)際透照的射線強(qiáng)度；R1為曝光曲線上查得的焦距；R2為實(shí)際透照焦距。

當(dāng)焦距增加時(shí)，射線強(qiáng)度將減弱，為了得到相同的底片黑度就必須增大曝光量，這時(shí)曝光量與焦距的平方成正比，如式(7)所示。

(7)

式中：E2為實(shí)際透照的曝光量；E3為曝光曲線上焦距為F3時(shí)對(duì)應(yīng)的曝光量。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)查曝光曲線計(jì)算出的曝光量和擬合公式計(jì)算出的曝光量，在M310機(jī)組役前檢測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用。在M310機(jī)組的一次大修中，穩(wěn)壓器上封頭與筒體焊縫(1C4-A)和上封頭與接管焊縫(S/T 104)處于低低水位的關(guān)鍵路徑上，根據(jù)射線檢測(cè)曝光曲線確定的曝光量來(lái)透照的結(jié)果準(zhǔn)確，底片黑度合適。通過(guò)查曝光曲線或公式計(jì)算得到的曝光量得到的結(jié)果如表2所示。

表2 M310機(jī)組Co60 γ射線源查曝光曲線和曝光公式計(jì)算的透照結(jié)果比較

7 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)M310機(jī)組和300 MW機(jī)組的役前在役檢查中，通過(guò)查曝光曲線計(jì)算的曝光量和擬合公式計(jì)算出的曝光量基本相同，透照結(jié)果準(zhǔn)確，底片黑度、靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為每次役前和在役射線檢查任務(wù)的完成提供了計(jì)算透照時(shí)間的依據(jù)，提高了檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，避免了由于計(jì)算尺計(jì)算曝光量不準(zhǔn)確而帶來(lái)的重照，從而也降低了檢驗(yàn)人員的吸收劑量，保證了大修任務(wù)按時(shí)完成，特別是保證了低低水位關(guān)鍵路徑上射線透照的一次成功。

[1] 強(qiáng)天鵬.射線檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 2007.

[2] 曾秋成.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法[M]. 合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社,1983.

[3] 屠耀元,鄭世才,李衍.射線檢測(cè)技術(shù)[M].上海：上海世界圖書(shū)出版公司,1997.

“復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)新進(jìn)展”專題征稿啟事

復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域，復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。《無(wú)損檢測(cè)》期刊擬于2018年第8期組織“復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)新進(jìn)展”專題。專題主要報(bào)道我國(guó)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展，包括超聲、射線、剪切熱斑成像、聲發(fā)射等，以反映我國(guó)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)方法與技術(shù)研究、儀器設(shè)備研制與生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)制定與人員培訓(xùn)等方面的成績(jī)與特色，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

現(xiàn)特向行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家、學(xué)者及工程檢測(cè)人員征稿，征稿內(nèi)容包括但不限于以下內(nèi)容，歡迎大家踴躍投稿！

征稿內(nèi)容

(1) 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方法與技術(shù)研究現(xiàn)狀；

(2) 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展瓶頸；

(3) 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的工程應(yīng)用；

(4) 復(fù)合材料檢測(cè)儀器與設(shè)備的研制與應(yīng)用；

(5) 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定及人員培訓(xùn)進(jìn)展；

(6) 其他相關(guān)內(nèi)容。

征稿要求

論文要求：綜述性文章要求能總結(jié)上述領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、評(píng)價(jià)研究進(jìn)展、提出前瞻性的發(fā)展方向；研究性文章要求能反映上述領(lǐng)域的最新研究成果；應(yīng)用性文章要求能注重技術(shù)手段、方法新穎、內(nèi)容清晰，具有實(shí)際推廣價(jià)值。

論文格式請(qǐng)參考我刊已刊出文章或“征稿簡(jiǎn)則”。

提交方式請(qǐng)登錄“材料與測(cè)試網(wǎng)”www.mat-test.com，選擇“在線投審稿”《無(wú)損檢測(cè)》“作者投稿”入口。另請(qǐng)?jiān)谕陡鍟r(shí)于文題處注明“專題”字樣，以便快速處理該專題稿件。

截稿日期2018年5月30日。

《無(wú)損檢測(cè)》編輯部

2017年12月