基于RCC-M規(guī)范的核電廠薄壁管道焊縫的Se75射線源檢測

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(中廣核工程有限公司，深圳 518124)

在核電廠核級設(shè)備及管道部件的預(yù)制、安裝過程中，有大量薄壁管道焊縫需要進(jìn)行射線檢測，但實(shí)際檢測過程中由于種種原因往往不能或很難采用X射線作為射線源進(jìn)行檢測；而采用常規(guī)的γ射線源Ir192檢測時(shí)，因能量相對較高，透照薄壁工件后靈敏度通常達(dá)不到規(guī)范要求，同時(shí)底片的影像質(zhì)量較差。Se75射線源作為一種能量相對較低的γ射線源，被廣泛用在石油、化工以及壓力容器等行業(yè)薄壁工件的射線檢測中，尤其該源適用的透照厚度范圍正好能彌補(bǔ)用Ir192射線源進(jìn)行薄壁工件檢測的不足。當(dāng)前國內(nèi)CPR1000核電機(jī)組核級部件的設(shè)計(jì)建造規(guī)范并未將Se75射線源列為規(guī)范允許的射線源。為此，在核級管道的實(shí)際預(yù)制安裝階段采用Ir192源對薄壁管道焊縫進(jìn)行射線檢測時(shí)，若底片靈敏度無法滿足規(guī)范要求，往往存在無合適γ射線源可用的問題。為此，需要分析研究使用核電規(guī)范以外γ射線源的關(guān)鍵技術(shù)，必要時(shí)進(jìn)行對比驗(yàn)證試驗(yàn)，探討使用Se75射線源檢測薄壁核級管道焊縫時(shí)的透照靈敏度能否滿足規(guī)范要求，以及進(jìn)一步優(yōu)化在RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》規(guī)范框架要求下使用該射線源進(jìn)行射線檢測的合理工藝參數(shù)。

筆者重點(diǎn)研究在RCC-M規(guī)范要求的射線檢測透照靈敏度指標(biāo)下，用Se75射線源對薄壁(壁厚小于10 mm)核級管道焊縫進(jìn)行射線檢測的結(jié)果，同時(shí)進(jìn)一步基于RCC-M規(guī)范要求開展Se75射線源在薄壁核級部件射線檢測中應(yīng)用的可行性分析，以期優(yōu)化確定滿足RCC-M規(guī)范要求的合理的透照工藝參數(shù)。為Se75新型射線源在核電薄壁管道預(yù)制安裝焊縫射線檢測中的推廣應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 Se75射線源檢測試驗(yàn)過程

1.1 技術(shù)分析

Se75射線源是一種新型的人工放射性同位素，主要有9根能譜線，其平均能量為0.206 MeV，相比其他γ射線源有著天然優(yōu)勢，表1為常見γ射線源的特性[1]。

表1 常用γ射線源的特性

從表1可知，相比Ir192射線源，Se75射線源的半衰期較長，發(fā)射能譜較軟，照射率常數(shù)小，在薄壁工件的射線透照中有著絕對優(yōu)勢。近些年Se75射線源已被列入國內(nèi)外主要的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)中，其使用厚度范圍通常約定為10～40 mm，國內(nèi)外其他行業(yè)應(yīng)用的實(shí)踐證明，在該厚度范圍內(nèi)，用Se75源透照得到的底片質(zhì)量優(yōu)于其他γ射線源透照得到的底片質(zhì)量[2]。當(dāng)然上述透照厚度范圍只是通用規(guī)定，具體透照厚度需要結(jié)合規(guī)范要求進(jìn)一步優(yōu)化選擇。

按照射線檢測技術(shù)理論，圖像質(zhì)量由3個(gè)基本因素組成，即對比度、不清晰度和顆粒度，這3個(gè)因素綜合決定了圖像的射線照相靈敏度，也即對缺陷的檢出能力。由于射線能量直接關(guān)系到圖像質(zhì)量的3個(gè)基本因素，為此射線能量的高低是最主要的透照參數(shù)之一[3]。也正因?yàn)樯渚€能量的選擇直接關(guān)系到圖像質(zhì)量的3個(gè)基本因素，所以對核級部件的射線檢測選用RCC-M設(shè)計(jì)規(guī)范以外的射線源時(shí)應(yīng)尤為慎重，需要經(jīng)過必要的技術(shù)分析以及試驗(yàn)來驗(yàn)證透照結(jié)果與規(guī)范的符合性。RCC-M規(guī)范對不同射線源透照厚度的規(guī)定如表2所示。

表2為RCC-M規(guī)范對不同射線源透照厚度的規(guī)定，由表2可知，RCC-M規(guī)范對Ir192射線源僅給出了透照厚度上限值而無下限值，規(guī)范不規(guī)定下限值其實(shí)并不合理。眾所周知，作為放射性同位素γ射線源發(fā)出的能量是不可改變的，當(dāng)采用高能量射線透照薄壁工件時(shí)會(huì)出現(xiàn)靈敏度下降的情況，因此規(guī)范對γ射線源的使用應(yīng)同時(shí)規(guī)定透照厚度的上下限值，不過不規(guī)定不代表用Ir192源可以對100 mm以下的任何厚度工件進(jìn)行透照，而是對薄壁工件進(jìn)行射線檢測時(shí)，考慮到要保證射線透照靈敏度和影像質(zhì)量，制造商通常不會(huì)采用γ射線源尤其是Ir192源進(jìn)行射線檢測，如果根據(jù)實(shí)際情況確實(shí)需要，應(yīng)在使用前進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保射線檢測的靈敏度。

表2 RCC-M規(guī)范對不同射線源透照厚度的規(guī)定

鑒于射線檢測工藝的特殊性，包括RCC-M規(guī)范在內(nèi)的所有射線檢測標(biāo)準(zhǔn)均要規(guī)定實(shí)施射線檢測的工藝參數(shù)，在實(shí)施中出現(xiàn)任何不符合或不滿足規(guī)范要求的情況，都無法充分保證最終檢測結(jié)果的可靠性，在核級部件的檢測中，工藝參數(shù)滿足規(guī)范要求顯得更為重要。為此，如研究基于RCC-M規(guī)范要求的用Se75射線源對薄壁焊接件進(jìn)行射線檢測的可行性，首要前提是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的所有工藝參數(shù)均要滿足RCC-M規(guī)范的具體要求，同時(shí)對射線源變化導(dǎo)致的部分關(guān)鍵參數(shù)的改變還需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化確定，以此來確保整個(gè)射線檢測工藝的合理性。

因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中幾何不清晰度、底片黑度指標(biāo)、增感屏規(guī)格、濾光片規(guī)格、透照布置工藝、膠片類型、像質(zhì)計(jì)擺放要求以及像質(zhì)計(jì)靈敏度等所有關(guān)鍵工藝參數(shù)均需滿足RCC-M規(guī)范的要求。

1.2 試驗(yàn)方案

需進(jìn)一步優(yōu)化確定采用Se75射線源進(jìn)行射線檢測的允許透照厚度范圍、膠片類別以及增感屏規(guī)格等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其他關(guān)鍵參數(shù)屬于共性技術(shù)指標(biāo)，已在規(guī)范中有明確要求，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中對此類工藝參數(shù)的要求須滿足RCC-M規(guī)范。

RCC-M規(guī)范MC3312.5.1中對管道對接焊縫，根據(jù)管道外徑及壁厚尺寸規(guī)定了3種類型的透照布置工藝，分別是管道外徑小于90 mm，管道外徑在90～170 mm之間以及管道外徑大于170 mm。鑒于核電廠核級薄壁管道預(yù)制和安裝的實(shí)際情況，考慮試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能完整覆蓋RCC-M規(guī)范中關(guān)于管道焊縫透照的工藝要求，并能進(jìn)一步研究Se75源透照厚度下限值，試驗(yàn)選取了4種有代表性的管道規(guī)格(φ168 mm×4.37 mm，φ73 mm×3.18 mm，φ508 mm×6.35 mm和φ508 mm×5 mm)，對上述4種規(guī)格管道焊縫分別采用Ir192和Se75射線源做射線檢測透照對比試驗(yàn)。結(jié)合典型的管道尺寸規(guī)格，按照RCC-M規(guī)范規(guī)定的透照方式要求，主要包含雙壁單影透照、雙壁雙影垂直透照、雙壁雙影橢圓透照以及中心透照等4種透照布置工藝，射線源在管道外的雙壁單影透照示意如圖1所示。(圖中d為射線源，b為工件至膠片的距離，f為射線源至工件的距離)。

圖1 射線源在管道外的雙壁單影透照示意

(1) 對φ168 mm×4.37 mm管道進(jìn)行射線源在管道外的雙壁單影透照。

(2) 對φ73 mm×3.18 mm管道進(jìn)行射線源在管道外的雙壁雙影透照(見圖2，圖中T為公稱厚度，Do為管子外徑)，分別采用垂直透照及橢圓透照的方式。

圖2 射線源在管道外的雙壁雙影透照示意

(3) 對φ508 mm×6.35 mm和φ508 mm×5 mm管道進(jìn)行射線源在管道中心的單壁透照(見圖3)。

圖3 射線源在管道中心的單壁透照示意

1.2.1 透照厚度范圍

由于γ射線源的能量由同位素種類決定，每一種放射性同位素發(fā)射出的γ射線波長是特定的，能量不可調(diào)整，所以大多數(shù)情況下很難得到最佳對比度。為此，使用γ射線源時(shí)不能超出規(guī)范規(guī)定的厚度范圍，尤其是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定適用厚度范圍以外的薄壁工件中的應(yīng)用，其照相靈敏度急劇下降。RCC-M標(biāo)準(zhǔn)中沒有把Se75納入備選射線源，而其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均列入了Se75射線源。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1435-2002《無損檢測 熔化焊縫射線照相檢驗(yàn)》規(guī)定了Se75、Ir192以及Co60等γ射線源的適用透照厚度的下限 ,其中Se75源最小透照厚度規(guī)定為10 mm。另外標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定在某些特定場合，只要能獲得足夠高的影像質(zhì)量，可以允許把穿透范圍進(jìn)一步放寬。經(jīng)各方同意，當(dāng)采用Ir192源時(shí)，最小透照厚度可以降到10 mm；當(dāng)采用Se75源時(shí)，最小透照厚度可以降到5 mm。同時(shí)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 332-2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》也修改為與歐洲EN1435-2002標(biāo)準(zhǔn)對Se75源和Ir192源的透照厚度限制相關(guān)要求保持一致。

國內(nèi)應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》直接采用了歐洲EN1345-2002標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時(shí)也具體規(guī)定了當(dāng)采用射線源在中心透照時(shí)，在保證像質(zhì)計(jì)靈敏度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，可以允許最小透照厚度放寬至厚度下限值的一半。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)相比之前版本增加了Tm170和Yb169射線源，為較薄部件采用γ射線源進(jìn)行射線透照提供了更多選擇。

RCC-M規(guī)范雖然對Ir192射線源的透照厚度范圍沒有規(guī)定下限值，但基于國內(nèi)外工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，Ir192射線源對20 mm以下工件的透照靈敏度遠(yuǎn)低于同能量X射線透照靈敏度，已經(jīng)無法滿足規(guī)范要求，Ir192射線源對壁厚大于20 mm的工件通常都有較為理想的透照靈敏度。而當(dāng)前按照RCC-M規(guī)范進(jìn)行核級薄壁管道焊縫射線檢測的難點(diǎn)是對20 mm，尤其是10 mm以下厚度工件進(jìn)行Ir192源透照存在靈敏度急劇損失，沒有符合規(guī)范的其他類型γ射線源可替代使用的問題。由于Se75射線源線質(zhì)較Ir192射線源線質(zhì)軟，能量較低，其透照厚度上限受到限制。一般當(dāng)厚度超過40 mm或者焦距超過600 mm時(shí)，因曝光時(shí)間較長而不便使用Se75射線源。因此Se75射線源厚度范圍上限值可以參考國內(nèi)外主要規(guī)范的規(guī)定，即不大于40 mm。為此，基于RCC-M規(guī)范要求引入Se75源進(jìn)行核級管道射線檢測透照厚度上下限值范圍研究的關(guān)鍵在于優(yōu)化確定厚度下限值。

試驗(yàn)選擇覆蓋RCC-M規(guī)范中3種規(guī)格的管道焊縫進(jìn)行Se75射線源和Ir192射線源透照靈敏度的對比試驗(yàn)，同時(shí)為了驗(yàn)證Se75射線源能對厚度下限為5 mm的管道焊縫實(shí)現(xiàn)透照，特意選擇了規(guī)格為φ508 mm×5 mm的管道。Se75和Ir192 射線源薄壁管道焊縫射線檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Se75和Ir192 射線源薄壁管道焊縫射線檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，在滿足RCC-M規(guī)范要求的底片黑度下，Se75射線源無論是從像質(zhì)計(jì)靈敏度還是底片影像清晰度上都能滿足規(guī)范要求，而且也均優(yōu)于Ir192射線源，底片可見的像質(zhì)計(jì)最小絲徑要明顯高于規(guī)范要求，在個(gè)別尺寸規(guī)格的透照結(jié)果中甚至高出規(guī)范要求2個(gè)級別，而且底片影像均較為清晰。隨著壁厚的不斷減小，Ir192射線源的靈敏度與底片影像質(zhì)量均下降，其中在對有效透照厚度較薄且采用雙壁雙影透照方式的情況下，像質(zhì)計(jì)靈敏度下降嚴(yán)重，不能滿足規(guī)范要求，且影像質(zhì)量極差。隨著管道壁厚的不斷減小，Se75射線源的靈敏度和影像質(zhì)量也有下降趨勢，但始終能滿足規(guī)范要求，雖然在對壁厚為5 mm管道焊縫進(jìn)行中心透照時(shí)影像質(zhì)量不如對其他厚度底片的透照影像質(zhì)量，但不影響底片的缺陷評定?？紤]到核級部件的安全性，對核級管道薄壁焊縫進(jìn)行射線檢測過程中，當(dāng)壁厚小于5 mm時(shí)不推薦采用Se75射線源，如按照RCC-M規(guī)范要求選用Se75射線源進(jìn)行射線檢測，推薦厚度范圍為5～40 mm。

1.2.2 膠片級別及增感屏規(guī)格

膠片系統(tǒng)和配套增感屏規(guī)格是影響射線照相靈敏度的重要因素。研究Se75射線源的可行性需重點(diǎn)結(jié)合Se75射線源的特點(diǎn)，在RCC-M規(guī)范框架下選擇合理的配套膠片系統(tǒng)。射線照相中廣義的膠片類別或者分類原則中，評價(jià)膠片的特性指標(biāo)應(yīng)該包括膠片、增感屏和沖洗條件，因此膠片評價(jià)指標(biāo)應(yīng)該是上述3個(gè)因素綜合在一起的系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)。 RCC-M規(guī)范中有關(guān)膠片系統(tǒng)的控制指標(biāo)按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 584-1-1995《無損檢測 工業(yè)用X射線照相膠片 第1部分 工業(yè)X射線照相用膠片體系的分類》執(zhí)行，規(guī)范明確要求膠片系統(tǒng)應(yīng)配合金屬增感屏使用，膠片總共分為C1～C6共6類，每一類膠片系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)范都規(guī)定應(yīng)用范圍。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)EN 584-1-1995已被標(biāo)準(zhǔn)ISO 11699-1-2012《無損檢測 工業(yè)射線照相膠片 第1部分:膠片系統(tǒng)的工業(yè)射線照相分類》替代，該標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)ASME-SE-1815對膠片的技術(shù)指標(biāo)分類要求一致，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19348.1-2014《無損檢測 工業(yè)射線照相膠片 第1部分：工業(yè)射線照相膠片系統(tǒng)的分類》等同采用標(biāo)準(zhǔn)ISO 11699-2012。綜合以上分析，目前國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)對射線檢測膠片系統(tǒng)分類的要求是一致的，都是根據(jù)最小梯度、最大顆粒以及梯度噪聲比等指標(biāo)分類，從優(yōu)到劣依次排序?yàn)镃1，C2，C3，C4，C5，C6，考慮到膠片等級差的膠片會(huì)影響到底片影像質(zhì)量，故在核電設(shè)備部件制造和安裝中C5，C6型膠片通常不適用，對γ射線源C2型膠片適用范圍最為廣泛。

RCC-M規(guī)范對不同γ射線源規(guī)定了相同的增感屏規(guī)格，其中前、中、后屏厚度規(guī)格分別滿足RCC-M規(guī)范的具體要求。

RCC-M規(guī)范對γ射線源(Ir192和Co60)在檢測時(shí)給定了增感屏規(guī)格及尺寸厚度的前提下，根據(jù)焊縫安全等級規(guī)定了不同的膠片系統(tǒng)。在核電工程實(shí)踐中綜合經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，各級別焊縫根據(jù)射線能量不同普遍采用C2和C3型膠片系統(tǒng)，特殊情況下選擇C1型膠片。

作為低能量Se75源的膠片系統(tǒng)，可以參考RCC-M規(guī)范對Ir192射線源的規(guī)定執(zhí)行，在不大于40 mm適用厚度范圍內(nèi)，RCC-M規(guī)范規(guī)定用Se75源檢測任意級別焊縫最低只能用C2類膠片。而RCC-M規(guī)范對同為低能量γ射線源的Tm170最低可以用到C4型膠片。一般來講，在增感屏規(guī)格、洗片條件等相同的前提下，膠片顆粒性會(huì)隨著射線能量的增大而增大。因此，試驗(yàn)方案為優(yōu)化選擇引入Se75源對應(yīng)滿足規(guī)范靈敏度要求的膠片系統(tǒng)，進(jìn)一步研究了用Se75源搭配C3膠片的可行性。表4為采用Se75源對典型規(guī)格管道焊縫在RCC-M規(guī)范規(guī)定增感屏的規(guī)格下，分別采用C2和C3類膠片系統(tǒng)(對應(yīng)的膠片型號(hào)分別為AGFA D3和AGFA D4)靈敏度的對比試驗(yàn)結(jié)果。

由表4可知，用Se75源配合C3型膠片系統(tǒng)對典型薄壁管道焊縫進(jìn)行射線檢測時(shí)，像質(zhì)計(jì)靈敏度均能滿足RCC-M規(guī)范要求，底片影像質(zhì)量也清晰可見，在中心透照和雙壁單影透照布置工藝條件下，與C2型膠片系統(tǒng)相當(dāng)。在雙壁雙影橢圓透照工藝條件下，由于透照厚度差異較大，透照條件限制等原因，像質(zhì)計(jì)靈敏度和底片影像質(zhì)量雖然滿足規(guī)范要求，但達(dá)不到C2型膠片的效果。這主要是因?yàn)镃2型膠片梯度噪聲比等級更高，顆粒度更細(xì)。為此，在核級重要部件的射線檢測中，采用Se75源的同時(shí)必須選擇雙壁雙影透照方式，不推薦采用C3型膠片。

表4 采用Se75源以及不同膠片系統(tǒng)透照靈敏度的對比

2 結(jié)論

(1) 在RCC-M規(guī)范規(guī)定的工藝參數(shù)下，采用 Se75源對壁厚5～10 mm范圍內(nèi)的薄壁管道焊縫進(jìn)行射線檢測是可行的，其透照像質(zhì)計(jì)靈敏度滿足規(guī)范要求，且影像質(zhì)量清晰，明顯優(yōu)于Ir192射線源的。采用Ir192射線源對壁厚10 mm以下的薄壁管道焊縫進(jìn)行射線檢測時(shí)，靈敏度普遍不滿足規(guī)范要求且影像質(zhì)量較差。

(2) 在滿足RCC-M規(guī)范規(guī)定下，若用Se75源對核電廠薄壁管道焊縫進(jìn)行射線檢測，推薦的合理透照厚度范圍為5～40 mm。與此同時(shí)，要采用梯度噪聲比等級較高的膠片系統(tǒng)。

(3) 綜合不同膠片系統(tǒng)的對比試驗(yàn)結(jié)果，對5～10 mm厚度范圍的薄壁管道焊縫進(jìn)行射線檢測時(shí)，選擇C3類膠片也可以滿足規(guī)范要求的靈敏度，但底片影像質(zhì)量要比C2類膠片差，因此推薦采用C2類以上的膠片系統(tǒng)。