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X光、γ源(192Ir)两种射线源无屏蔽工况下的安全

  摘要:针对射线探伤拍片作业的工程实践和作业时间的特点,根据国家有关辐射防护方面的标准、法规规定,为从理论上消除公众对射线源(X光、γ源)的恐慌心理,以免在施工中引起不必要的经济纠纷,特撰写此文。

  关键词:射线源、屏蔽、辐射防护、剂量当量率、剂量当量、吸收剂量、安全距离

  1. 辐射防护的目的

  辐射防护的目的在于控制辐射对人体的照射,使之保持在可以合理做到的最低水平,保障个人所受到的剂量当量不超过国家规定的标准。对工业射线探伤的外照射的防护而言,主要应考虑下面三个基本要素;即:时间、距离、屏蔽层。

  在实际现场射线探伤拍片作业过程中,当人与辐射源之间的距离无法改变,而时间又受到射线探伤工艺操作的限制时,欲降低工作人员的受照剂量水平,只有采用屏蔽防护;屏蔽防护就是根据辐射源通过物质时强度被减弱的原理,在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽,尽量减少照射剂量!具体到在装置区(如管廊上探固定口)等野外射线探伤作业的施工环境,如用γ源探伤时,在贴好胶片、对好γ源输源管管头后;探伤人员除用一块厚几毫米、长乘宽大约为200×400mm左右的铅板盖住γ源输源管管头外,尽可能地利用现场一切可用来屏蔽射线的自然障碍物(如墙、塔、换热器、钢结构等)来防护。

  2 X光机无屏蔽作业时的安全距离

  GB18871—2002 《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定公众人员(非无损检测人员)的年剂量当量限值为5mSv/a (5毫希沃特每年)。下面首先谈用X光机(开通高压后发射出X射线)在现场作业时的安全距离!

  射线探伤作业前须开具施工票,除由生产一线领导签字、通知当班操作工外;还需生产部、安环部分别签字,并由生产部调度在全厂晚值班会上通知全厂非相关车间;另外探伤人员在正式探伤前还派专人到相关操作室通知当班操作工,拉上警戒绳、放置警灯,并借用对讲机与操作室保持随时联系;如遇生产装置波动,操作工可随时通知探伤停止拍片作业,不会耽误操作工进装置区巡检、调整流程等作业。

  在这种情况下,因射线探伤作业时间大多数情况下安排在夜间,仍有可能发生非探伤人员误闯入探伤警戒区而引起恐慌的事情!假设一非探伤人员在全年中的某一天误闯入探伤警戒区,从射线辐射防护理论上来讲根本不会发生对其身体多大损害的事发生!具体到射线探伤拍片作业的工程实践,对小径管(DN〈100mm)环焊缝照像经常采用“高电压、短时间”的曝光参数(1min),对于100〈DN〈350的管道环焊缝的曝光时间采用1min、1.5min、2min、2.5min、3min不等,需根据管道规格(外径、壁厚)的不同来确定。

  2.1 根据辐射防护距离公式、重要参数计算

  X光机作业时需用220V电源,控制箱上有高压“开、关”按钮,可随时控制X射线的发出与否;当曝光时间一到,X光机就不发出X射线了。说到X光无屏蔽工况下的安全距离就是指在X光机开机作业时(如1min、2min、3min)的前提下才有的论题!这样X光无屏蔽工况下的安全距离就是这样一个命题:

  距离一个250EG-S3(指控制箱额定最高管电压为250kv)的X光机窗口1米处的剂量当量率是3×10 5μSv/h(微希沃特每小时)[1],问在距X光机窗口多远处的剂量当量率为5mSv/360天 (毫希沃特每天)

  由辐射防护距离公式: D1F1 2=D2F2 2 [3]

  式中: D1——距辐射源F1处(1点)的剂量或剂量率;

  D2——距辐射源F2处(2点)的剂量或剂量率;

  F1——辐射源到1点的距离;

  F2——辐射源到2点的距离;

  剂量当量=剂量当量率×时间

  距X光机窗口1米处的剂量当量率是3×10 5μSv/h (微希沃特每小时)(指X光机开到最高管电压时的剂量率,为保护X光机设备现场探伤时所用管电压数值均低于此数值);下面以X光机开机1min时为例说明:

  F1=1m

  D1=3×10 5μSv/h=3×10 5×10 -3mSv/60min=5mSv/min(毫希沃特每分钟)

  则X光机开机1min时的剂量当量D1︴=D1×1min=5mSv

  公众的年剂量当量限值为 D2=5mSv/a(毫希沃特每年)=5mSv/360天≈0.014 mSv/天

  当一公众在全年中的某一天误闯入探伤警戒区,则其在F2处的剂量当量D2 ︴

  D2 ︴=D2×1天=0.014 mSv

  由公式 D1︴F1 2=D2 ︴F2 2

  D1︴、D2 ︴分别代入1点、2点处的剂量当量数值

  推出 F2=√D1︴F1 2/ D2 ︴=√5×1 2/0.014≈19米

  同理可计算出X光机开机2min时的F2=√(5×2)×1 2/0.014≈26.7米

  X光机开机3min时的F2=√(5×3)×1 2/0.014≈32.7米

  2.2 工业用X光机(型号:250EG-S3)无屏蔽情况下的安全距离

  通过上述计算可得出:当X光机开机1min时,公众(非探伤人员)在无屏蔽情况下的安全距离为19米;当X光机分别开机2min、3min时,公众(非探伤人员)在无屏蔽情况下的安全距离分别为26.7米、32.7米。

  亦即公众人员即使全年360天每天误闯一次X光机的安全距离附近,其吸收的射线剂量当量也不超过国标GB18871—2002规定的限值,不会对其身体造成多大伤害;事实上,公众人员也不可能天天误闯入射线探伤警戒区。

  3 γ源(192Ir)无屏蔽工况下的安全距离

  按承压设备无损检测JB/T4730—2005标准的规定,禁止用大源(源强、居里数>50Ci)来检测石化企业常见的壁厚在20mm以下的工业管道,大多数情况下用50Ci(居里)以下的γ源来探伤;50—100Ci之间的γ源常用来探厚壁的三类容器(如球罐)、高压管道(其壁厚常大于30mm)等!对40mm以下的钢厚度(双壁单影透照时即为双倍壁厚),用γ源探伤所得射线底片的质量(对比度)不如X射线底片;当钢厚度超过40mm时,X射线、γ源两者的照相灵敏度大致相同,此时常用的250Kv X光机已是到达可透照的钢最大厚度的极限了,亦即当钢厚度δ>40mm时,常用的250Kv(额定最高管电压)X光机已是无能为力,就得选用γ源了。常用γ源(192Ir)的半衰期为75天,不论其源强(γ源的强度、常用居里数Ci表示)衰减到多小,但其能量始终不变![3]

  3.1 根据有关γ源的辐射防护距离公式、重要参数计算

  说到γ源(192Ir)无屏蔽工况下的安全距离是指γ源从储源罐里被输送到指定位置时才有的论题!这样γ源(192Ir)无屏蔽工况下的安全距离就转化为这样一个命题:以源强为30Ci的γ源(192Ir)来说明!

  在距离一30Ci的γ源(192Ir)源头1米处的照射量率为30×Fδ(X)(单位;R*m2*Ci-1*h-1);问在距离γ源(192Ir)源头多远处的剂量率为5mSv/360天?

  Fδ(X)(单位;R*m2*Ci-1*h-1)=0.463 R*m2*Ci-1*h-1(伦琴×平方米每居里每小时):单位居里γ源在距源1m处时所产生的照射量率大小。 [2] .

  在实际用γ源(192Ir)拍片作业时,源强5Ci以下(如2Ci)的γ源(192Ir)拍片效率还不如X光机;故下面以30Ci的γ源(192Ir)无屏蔽工况下曝光时间为1min时为例来说明辐射场中的安全距离!

  对于X射线和γ射线来说,剂量当量和吸收剂量具有相同的数值和量纲[3];剂量当量的国际单位是焦耳*千克-1(J/Kg),为了与吸收剂量相区别,赋予剂量当量的国际单位以专名:希[沃特],符号为:Sv

  1Sv=1J/Kg

  对于30Ci的γ源(192Ir)距源头1米处的照射量率D1=0.463×30=13.89R*m2/h

  当曝光时间为1min时的照射量D1︴=13.89×1 2×1分/60分=0.2315C/Kg

  式中:R——伦琴

  m——米

  h——小时

  C——库仑

  由公式:Dm=f×X

  式中:Dm——物体的吸收剂量,Gy(戈瑞)(数值等同与Sv) [3]

  X——物体所在处的照射量,C/Kg

  f—— 换算因子或称为转换系数,Gy*Kg/C

  f=9.5×10-3 Gy*Kg/C

  则距30Ci的γ源1米处,γ源离开储源罐在指定位置曝光1min时的吸收剂量:

  Dm=9.5×10-3×0.2315

  =2.199×10-3 Sv

  =2.199mSv .

  由GB18871—2002 《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定公众人员(非无损检测人员)的年剂量当量限值为5mSv/a (5毫希沃特每年)。

  则5mSv/a=5mSv/360天≈1.39×10-2 mSv/天

  再由辐射防护距离公式: D1F1 2=D2F2 2 [3]

  式中: D1——距辐射源F1处(1点)的剂量或剂量率;见前图

  D2——距辐射源F2处(2点)的剂量或剂量率;见前图

  F1——辐射源到1点的距离;

  F2——辐射源到2点的距离;

  推出F2=√D1*F1 2/D2

  对于X射线和γ射线来说,剂量当量和吸收剂量具有相同的数值和量纲 [3]。

  代入D1=Dm=2.199 mSv (距30Ci的γ源1米处,γ源离开储源罐在指定位置曝光1min时的吸收剂量数值)

  F1=1m

  D2=5mSv×1天/360天=1.39×10-2 mSv

  得出F2=√D1*F1 2/D2=√2.199×1 2/1.39×10-2≈12.6m

  同理可计算出距30Ci的γ源1米处,γ源离开储源罐在指定位置曝光2min时的数值

  F2︴=12.6√2≈17.8m

  则曝光3min时的数值 F2 ︴︴=12.6√3≈21.8m

  3.2 源强为30Ci的γ源的安全距离

  通过上述计算可得出:在距30Ci的γ源1米处,γ源离开储源罐在指定位置曝光1min时的安全距离为12.6米;γ源离开储源罐在指定位置分别曝光2min、3min时的安全距离分别为17.8米、21.8米。

  在实际射线探伤拍片作业中,用30Ci的γ源双壁单影探φ273×10mm的1Cr5Mo、316L等材质的焊口时所用曝光时间也就1分钟多点。对于30Ci的γ源来说,无屏蔽工况下曝光1min时的安全距离为12.6米;也就是说当公众(非探伤人员)在全年中的某一天在此辐射场中离γ源源头12.6米处呆1min是安全的!在此距离处也不超国标规定的剂量限值,根本不会对其身体造成多大伤害;再说公众也不可能天天误闯入γ源探伤警戒区!其实,探伤人员在拍片作业时常用一块厚几毫米,长乘宽大约为200×400mm左右的铅板盖住指定位置的γ源源头,特别有利于自身的辐射防护。

  3.3 小结

  通过比较可以得出:源强分别为10Ci、20Ci等特定γ源(192Ir)的安全距离比30Ci的安全距离要小,在此不作赘述!X光、γ源在实际野外探伤拍片作业中是有屏蔽的(如探管道时,管道就好象是一种不完全屏蔽的防护层);通过对X光、γ源无屏蔽工况下的辐射防护理论方面的阐释,公众(非探伤人员)完全不必“闻射线色变!”因为不完全屏蔽工况下的安全距离比无屏蔽工况下的安全距离确实还要小。

  当用γ源(源强居里数大的,如80Ci、100Ci等)中心内透(全景曝光)检测屏蔽比较好的厚壁三类压力容器(如球罐)、厚壁高压管道时,那属于有屏蔽工况下的安全距离,在辐射防护理论方面有专门计算公式,在此不作详述。

  4 在我厂各级领导的大力支持和关怀下,无损检测定会在以后的工作中为我厂炼油主业的兴旺发达发挥越来越重要的作用,为我厂各套生产装置的“安、稳、长、满、优”运行在专业技术、服务态度上提供强有力的支撑!

  [1]《放射性同位素辐射源装置、X射线机装置环评文件》 河北省环境保护局编

  [2]《放射源安全管理培训讲义》 河北省环境保护局编

  [3]《射线检测》 强天鹏

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