唐斌，王君斌

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

高壓法三聚氰胺生產(chǎn)技術(shù)是將濃度99.8%的熔融尿液與汽氨混合送入380 ℃、8.0 MPa的反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生縮聚反應(yīng)的一個(gè)過程。整個(gè)生產(chǎn)流程中，后反應(yīng)器將主反應(yīng)器中未完全反應(yīng)的物料二次反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高壓尾氣的循環(huán)回收，獲得更加純凈的三聚氰胺產(chǎn)品。三聚氰胺后反應(yīng)器工作溫度高、壓力大，反應(yīng)過程中介質(zhì)結(jié)晶點(diǎn)高、易沉淀固化，產(chǎn)生的副產(chǎn)品中含有強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)。面對(duì)如此嚴(yán)苛的工藝狀況，非接觸測(cè)量的放射性檢測(cè)儀表便體現(xiàn)了其無可替代的優(yōu)勢(shì)。

1 放射性檢測(cè)儀表工作原理

放射性檢測(cè)儀表依據(jù)γ射線穿過物質(zhì)時(shí)的衰減原理，對(duì)密閉容器(或開放場(chǎng)所)里工業(yè)介質(zhì)的物位、密度、流量、厚度、界面等參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量。

當(dāng)γ射線經(jīng)由放射源發(fā)出，穿過設(shè)備器壁及被測(cè)介質(zhì)時(shí)，其射線強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)的厚度(或密度)呈指數(shù)規(guī)律的變化，如式(1)所示：

式中：I0為未經(jīng)被測(cè)介質(zhì)衰減時(shí)測(cè)到的射線強(qiáng)度；I為經(jīng)過被測(cè)介質(zhì)衰減以后測(cè)到的射線強(qiáng)度；μ為被測(cè)介質(zhì)對(duì)射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ為被測(cè)介質(zhì)的密度；d為射線穿過被測(cè)物料的距離。

對(duì)于確定的測(cè)量對(duì)象，I0和μ為不變的常量。用作物位測(cè)量時(shí)，介質(zhì)密度ρ不變，通過測(cè)量I，可以得到射線穿過被測(cè)介質(zhì)的距離d；用作密度測(cè)量時(shí)，射線穿過介質(zhì)的距離d不變，通過測(cè)量I，可以得到射線穿過被測(cè)介質(zhì)的密度ρ[1]。

圖1 放射性檢測(cè)儀表測(cè)量原理

放射源發(fā)生α或β衰變，伴隨著產(chǎn)生γ射線，γ射線穿過被測(cè)設(shè)備射入放射性檢測(cè)儀表中的閃爍晶體(NaI或PVT)，使得閃爍晶體中的原子電離和激發(fā)，之后受激粒子退激放出波長(zhǎng)接近于可見光的閃爍光子，閃爍光子經(jīng)光導(dǎo)射入光電倍增管的光陰極后發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，光電子在光電倍增管被倍增，直到最終到達(dá)陽極并在輸出回路產(chǎn)生信號(hào)，后由信號(hào)處理終端轉(zhuǎn)化為可視電脈沖信號(hào)[2]。

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

放射性檢測(cè)儀表在選用放射源時(shí)，一般選用Cs137或Co60。Cs137放射源半衰期為30.17年，發(fā)生β衰變有89.98%機(jī)率會(huì)產(chǎn)生一束0.661 65 MeV的γ射線；Co60放射源半衰期為5.271年，發(fā)生β衰變有100%機(jī)率會(huì)產(chǎn)生一束1.173 2 MeV和一束1.332 5 MeV的γ射線[3]。相比較于Co60放射源，Cs137放射源半衰期長(zhǎng)、使用壽命久、射線能量較低、利于防護(hù)。因此，放射性檢測(cè)儀表在選型時(shí)一般會(huì)優(yōu)先考慮Cs137放射源，只有在設(shè)備內(nèi)徑、壁厚、壓力、測(cè)量范圍等較大，Cs137放射源由于射線能量較低，無法滿足測(cè)量需求時(shí)，方才考慮Co60放射源。

在安裝形式上，放射源安裝一般分為放射源外置和內(nèi)置兩種安裝方式。放射源防護(hù)罐外殼材質(zhì)為不銹鋼或碳鋼，內(nèi)鑄鉛，中心設(shè)有不銹鋼管，放射源封裝于不銹鋼管中。外置放射源防護(hù)罐一側(cè)設(shè)有扇形或錐形開口，開口處有鉛封作為放射源防護(hù)罐開關(guān)，放射源防護(hù)罐安裝時(shí)將開口方向朝向設(shè)備，設(shè)備正對(duì)面安裝探測(cè)器。外置放射源防護(hù)罐根據(jù)測(cè)量需求，預(yù)制一定方向和角度的射線窗口，防護(hù)較為方便。

內(nèi)置放射源防護(hù)罐通過法蘭固定在設(shè)備外部，使用時(shí)，通過鋼絲繩或延伸桿將封裝有放射源的不銹鋼管送入設(shè)備盲管；在設(shè)備檢修時(shí)，再通過鋼絲繩或延伸桿將封裝有放射源的不銹鋼管收回至放射源防護(hù)罐中。在實(shí)際測(cè)量過程中，放射源在設(shè)備盲管中幾乎處于裸露狀態(tài)，射線朝2π方向發(fā)射，在設(shè)備非工作狀態(tài)下，周圍會(huì)呈現(xiàn)出較大的輻射劑量，不利于輻射防護(hù)，對(duì)工作人員的活動(dòng)帶來一定的安全隱患。

如圖2所示，某高壓法三聚氰胺后反應(yīng)器采用立式夾套容器[4]，設(shè)備基材選用14Cr1Mo，總高11 570 mm,內(nèi)徑1 206 mm，壁厚80+12 mm，工作溫度380 ℃，工作壓力8.0 MPa，設(shè)備外部夾套安裝2處膨脹節(jié)，不進(jìn)行液位測(cè)量，連續(xù)液位測(cè)量分三段4 048～8 100 mm，2 054～3 354 mm和255～1 350 mm。

圖2 三聚氰胺后反應(yīng)器料位測(cè)量示意圖

三聚氰胺后反應(yīng)器設(shè)備上2處膨脹節(jié)將整個(gè)測(cè)量量程分割成了上、中、下三段，上段下部又有剛性環(huán)，因此，根據(jù)2處膨脹節(jié)及剛性環(huán)，將整個(gè)測(cè)量范圍劃分為上上段、上下段、中段和下段四個(gè)部分，根據(jù)四個(gè)部分不同的測(cè)量范圍及設(shè)備壁厚，針對(duì)不同種類的放射源及安裝形式，對(duì)放射源活度及數(shù)量進(jìn)行分別計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 三聚氰胺后反應(yīng)器放射源選型表

根據(jù)放射源計(jì)算結(jié)果從以下幾個(gè)方面分析：

(1)從放射源安裝方式上分析：采用放射源外裝，Cs137上下段無法滿足測(cè)量需求，只能選用Co60；采用放射源內(nèi)裝，Cs137和Co60均可滿足測(cè)量需求。

(2)從測(cè)量曲線線性優(yōu)劣性上分析：Co60內(nèi)裝=Cs137內(nèi)裝＞Co60外裝

(3)從放射源使用壽命上分析：Cs137內(nèi)裝＞Co60內(nèi)裝=Co60外裝

(4)從采購成本經(jīng)濟(jì)性上分析：Cs137內(nèi)裝＞Co60內(nèi)裝＞Co60外裝

因此，最終選用Cs137放射源內(nèi)裝方案，上上段配置3枚100mCi放射源，源與源間距577 mm，上下段配置5枚200mCi放射源，源與源間距436 mm，中段配置3枚100mCi放射源，源與源間距537 mm，下段配置2枚100mCi放射源，源與源間距675 mm。

3 技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 長(zhǎng)晶體級(jí)聯(lián)技術(shù)

《常用危險(xiǎn)化學(xué)品的分類及標(biāo)志》將放射性物品列為第七類危險(xiǎn)化學(xué)品，近年來，為規(guī)范放射性物品管理，國(guó)家相繼出臺(tái)及完善了《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》《放射性物品運(yùn)輸安全管理?xiàng)l例》《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)管理辦法》和《放射性物品運(yùn)輸安全許可管理辦法》等，對(duì)核技術(shù)利用單位實(shí)行許可制度，對(duì)放射性同位素生產(chǎn)、進(jìn)出口、銷售、使用、貯存、回收處置等多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)行動(dòng)態(tài)跟蹤管理。

傳統(tǒng)的大量程料位測(cè)量多采用線狀源或多點(diǎn)源、點(diǎn)式探測(cè)器的測(cè)量方式(如圖3所示)。受國(guó)家政策要求，這種測(cè)量方式對(duì)于核技術(shù)利用單位的采購成本、安全管理及維護(hù)保養(yǎng)都帶來不小的挑戰(zhàn)。

圖3 多點(diǎn)源、點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量示意圖

傳統(tǒng)的點(diǎn)式探測(cè)器多采用碘化鈉(鉈)晶體，它是一種無機(jī)閃爍體，以NaI為基材，摻雜適量濃度的Tl生長(zhǎng)而成，與光電倍增管的光陰極匹配度佳，有極高的發(fā)光效率，對(duì)γ射線均有良好的分辨能力。但受碘化鈉(鉈)晶體本身物理化學(xué)性質(zhì)影響，最大只能做到200 mm,很難滿足大量程的連續(xù)料位測(cè)量，針對(duì)以上情況，開發(fā)了單點(diǎn)源或多點(diǎn)源、長(zhǎng)探測(cè)器的測(cè)量方式(如圖4所示)，相比傳統(tǒng)的點(diǎn)式探測(cè)器，長(zhǎng)探測(cè)器中選用塑料閃爍體，它由基質(zhì)閃爍物質(zhì)及移波劑組成，性能穩(wěn)定，發(fā)光效率高，而且可以根據(jù)需要制備成為各種規(guī)格，加大放射性檢測(cè)儀表的線性接收范圍，大幅降低放射源使用數(shù)目，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量程料位測(cè)量的需求，且測(cè)量線性更好。在本項(xiàng)目中，根據(jù)實(shí)際測(cè)量需求，采用四根長(zhǎng)探測(cè)器級(jí)聯(lián)，通過信號(hào)的多通道處理，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)后反應(yīng)器料位的連續(xù)精準(zhǔn)測(cè)量[5]。

圖4 單點(diǎn)源、長(zhǎng)探測(cè)器測(cè)量示意圖

3.2 多通道內(nèi)置式防護(hù)罐

放射源防護(hù)罐作為放射源運(yùn)輸和使用過程中的防護(hù)體，既起到了安全防護(hù)的作用，也滿足了放射性檢測(cè)儀表的測(cè)量要求，在放射性檢測(cè)儀表的安全使用過程中，發(fā)揮著著舉足輕重的作用。目前，國(guó)內(nèi)外放射性儀表源容器周圍輻射劑量普遍遵循GBZ 125—2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》[6]以下兩種防護(hù)要求。

傳統(tǒng)的三聚氰胺后反應(yīng)器或其他類似裝置，放射源防護(hù)罐僅作為運(yùn)輸及檢修存儲(chǔ)容器，放射性檢測(cè)儀表投用前，需將封裝放射源的不銹鋼管從防護(hù)罐中取出，利用鋼絲繩或延伸桿人工投入至設(shè)備盲管。涉及放射源安裝、檢維修、拆除的技術(shù)人員必須熟悉掌握放射源的分布情況及放射源防護(hù)罐內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，掌握一定的輻射防護(hù)知識(shí)，取得輻射從業(yè)人員資格證書，并得到操作許可。盡管如此，操作過程仍存在放射源脫落、人員受照劑量超過限值等諸多安全隱患。

表2 不同使用場(chǎng)所對(duì)檢測(cè)儀表外圍輻射的劑量控制要求

針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)了一種多通道內(nèi)裝式放射源防護(hù)罐，對(duì)放射源防護(hù)罐結(jié)構(gòu)上進(jìn)行調(diào)整，將放射源防護(hù)罐通過法蘭與設(shè)備連接，不僅滿足了放射源的運(yùn)輸和檢修防護(hù)要求，而且方便了放射源的安裝使用及檢修維護(hù)[7]。

該裝置定制的放射源防護(hù)罐如圖5所示，將13枚放射源分別封裝于13根不銹鋼管中，放置于13個(gè)通道中，根據(jù)限位法蘭上的通道位置標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)放射源投放位置，分別將封裝有放射源的不銹鋼管用固定長(zhǎng)度的鋼絲繩連接，在鋼絲繩上設(shè)計(jì)投放標(biāo)高，本項(xiàng)目中，11枚放射源由上及下鋼絲繩設(shè)計(jì)高度分別為3 025 mm、3 602 mm、4 179 mm、4 685 mm、5 121 mm、5 557 mm、5 993 mm、6 429 mm、6 916 mm、7 453 mm、7 990 mm、8 596 mm、9 271 mm，正常使用時(shí)，用鋼絲繩將13枚放射源分別投放至預(yù)定位置。檢修時(shí)分別將相應(yīng)的鋼絲繩提升至放射源防護(hù)罐限位位置，然后固定放射源不銹鋼管，拆下連接的鋼絲繩即可。

3.3 射線束方向定向調(diào)節(jié)裝置

相比較于外置放射源，內(nèi)置放射源位于設(shè)備盲管中間，測(cè)量時(shí)，穿過的物料路徑及設(shè)備壁厚近乎于外置放射源的1/2，極大的降低了滿足測(cè)量所需的放射源活度。但內(nèi)置放射源在設(shè)備中央，幾乎呈裸露狀態(tài)，射線朝2π方向發(fā)射，在反應(yīng)器非工作狀態(tài)下，周圍呈現(xiàn)出較大的輻射劑量，而實(shí)際使用過程當(dāng)中，只有正對(duì)探測(cè)器一側(cè)的射線為有效射線。因此，常規(guī)的內(nèi)置放射源裝置不利于輻射防護(hù)，對(duì)人員活動(dòng)安全具有一定的隱患。

圖5 多通道內(nèi)置式放射源防護(hù)罐結(jié)構(gòu)示意圖

為有效規(guī)避無效射線，減少設(shè)備周圍無效劑量，計(jì)劃設(shè)計(jì)一套射線定向裝置。根據(jù)計(jì)算，在設(shè)備料空且無壓的狀態(tài)下，設(shè)備周圍最大劑量當(dāng)量率約為5 μSv/h，按照GBZ 125—2009 《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》，只有5 cm處劑量當(dāng)量率小于2.5 μSv/h時(shí)，人員活動(dòng)方才不受限值。因此，此射線定向調(diào)節(jié)裝置需將設(shè)備周圍無效輻射劑量降低為2.5 μSv/h。

依據(jù)放射源衰減規(guī)律I=I0e-μρd，密度越大的物質(zhì)，γ射線穿過時(shí)衰減效果越明顯，正常情況下，一般會(huì)選用鋼(密度約為7.86 g/cm3)、鉛(密度約為11.343 7 g/cm3)或鎢合金(密度約為17.75 g/cm3)作為γ射線屏蔽材料。

根據(jù)表3不難看出，純鉛或鎢合金的防護(hù)效果最佳，僅需幾毫米即可，但是鉛熔點(diǎn)僅為327.46 ℃，三聚氰胺后反應(yīng)器工作溫度為380 ℃，若使用鉛作為防護(hù)屏蔽層，在正常工作時(shí)鉛很容易融化，存在很大的安全隱患。鎢合金熔點(diǎn)高達(dá)3 390～3 430 ℃，完全可以承受三聚氰胺后反應(yīng)器高溫高壓的工作環(huán)境，但鎢合金采購成本很高，單位體積采購成本約為不銹鋼的30～50倍。因此，經(jīng)綜合考量，最終選用屏蔽效果較好，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的不銹鋼作為防護(hù)屏蔽層。

表3 設(shè)備周圍劑量當(dāng)量率由5 μSv/h衰減為2.5 μSv/h所需的不同屏蔽層厚度

如圖6所示，定制的不銹鋼射線束方向定向調(diào)節(jié)裝置中心設(shè)有放射源通道，一側(cè)設(shè)有扇形輻射孔，其余方向封閉。正常使用時(shí)，通過定位鋼絲繩將封裝有放射源的不銹鋼管送入至不銹鋼射線束定向調(diào)節(jié)裝置中央，γ射線經(jīng)由預(yù)留的扇形輻射孔射向放射性檢測(cè)儀表，其他方向的射線則被定向調(diào)節(jié)裝置屏蔽，不僅滿足了測(cè)量需求，也對(duì)設(shè)備周圍起到了良好的輻射防護(hù)效果。

圖6 射線束方向定向調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

放射性檢測(cè)儀表是一種非接觸式測(cè)量?jī)x表，對(duì)于密閉容器中高溫、高壓、高黏度、強(qiáng)腐蝕、沸騰、有毒物料等工藝狀況下的物位測(cè)量有著良好的應(yīng)用，三聚氰胺后反應(yīng)器測(cè)量方案設(shè)計(jì)不但實(shí)現(xiàn)了大量程液位的連續(xù)性測(cè)量，而且解決了困擾已久的輻射防護(hù)難題，對(duì)三聚氰胺后反應(yīng)器及其他類似裝置測(cè)量設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。