基于RCC-M規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)

在核電廠核級設備及管道部件的預制、安裝過程中，有大量薄壁管道焊縫需要進行射線檢測，但實際檢測過程中由于種種原因往往不能或很難采用X射線作為射線源進行檢測；而采用常規的γ射線源Ir192檢測時，因能量相對較高，透照薄壁工件后靈敏度通常達不到規范要求，同時底片的影像質量較差。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用Ir192射線源進行薄壁工件檢測的不足。當前國內CPR1000核電機組核級部件的設計建造規范并未將Se75射線源列為規范允許的射線源。為此，在核級管道的實際預制安裝階段采用Ir192源對薄壁管道焊縫進行射線檢測時，若底片靈敏度無法滿足規范要求，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范以外γ射線源的關鍵技術，必要時進行對比驗證試驗，探討使用Se75射線源檢測薄壁核級管道焊縫時的透照靈敏度能否滿足規范要求，以及進一步優化在RCC-M《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》規范框架要求下使用該射線源進行射線檢測的合理工藝參數。

筆者重點研究在RCC-M規范要求的射線檢測透照靈敏度指標下，用Se75射線源對薄壁(壁厚小于10 mm)核級管道焊縫進行射線檢測的結果，同時進一步基于RCC-M規范要求開展Se75射線源在薄壁核級部件射線檢測中應用的可行性分析，以期優化確定滿足RCC-M規范要求的合理的透照工藝參數。為Se75新型射線源在核電薄壁管道預制安裝焊縫射線檢測中的推廣應用奠定技術基礎。

1 Se75射線源檢測試驗過程

1.1 技術分析

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，發射能譜較軟，照射率常數小，在薄壁工件的射線透照中有著絕對優勢。近些年Se75射線源已被列入國內外主要的無損檢測標準中，其使用厚度范圍通常約定為10～40 mm，國內外其他行業應用的實踐證明，在該厚度范圍內，用Se75源透照得到的底片質量優于其他γ射線源透照得到的底片質量[2]。當然上述透照厚度范圍只是通用規定，具體透照厚度需要結合規范要求進一步優化選擇。

按照射線檢測技術理論，圖像質量由3個基本因素組成，即對比度、不清晰度和顆粒度，這3個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系到圖像質量的3個基本因素，為此射線能量的高低是最主要的透照參數之一[3]。也正因為射線能量的選擇直接關系到圖像質量的3個基本因素，所以對核級部件的射線檢測選用RCC-M設計規范以外的射線源時應尤為慎重，需要經過必要的技術分析以及試驗來驗證透照結果與規范的符合性。RCC-M規范對不同射線源透照厚度的規定如表2所示。

表2為RCC-M規范對不同射線源透照厚度的規定，由表2可知，RCC-M規范對Ir192射線源僅給出了透照厚度上限值而無下限值，規范不規定下限值其實并不合理。眾所周知，作為放射性同位素γ射線源發出的能量是不可改變的，當采用高能量射線透照薄壁工件時會出現靈敏度下降的情況，因此規范對γ射線源的使用應同時規定透照厚度的上下限值，不過不規定不代表用Ir192源可以對100 mm以下的任何厚度工件進行透照，而是對薄壁工件進行射線檢測時，考慮到要保證射線透照靈敏度和影像質量，制造商通常不會采用γ射線源尤其是Ir192源進行射線檢測，如果根據實際情況確實需要，應在使用前進行試驗驗證，以確保射線檢測的靈敏度。

表2 RCC-M規范對不同射線源透照厚度的規定

鑒于射線檢測工藝的特殊性，包括RCC-M規范在內的所有射線檢測標準均要規定實施射線檢測的工藝參數，在實施中出現任何不符合或不滿足規范要求的情況，都無法充分保證最終檢測結果的可靠性，在核級部件的檢測中，工藝參數滿足規范要求顯得更為重要。為此，如研究基于RCC-M規范要求的用Se75射線源對薄壁焊接件進行射線檢測的可行性，首要前提是試驗設計的所有工藝參數均要滿足RCC-M規范的具體要求，同時對射線源變化導致的部分關鍵參數的改變還需進一步進行優化確定，以此來確保整個射線檢測工藝的合理性。

因此，試驗設計方案中幾何不清晰度、底片黑度指標、增感屏規格、濾光片規格、透照布置工藝、膠片類型、像質計擺放要求以及像質計靈敏度等所有關鍵工藝參數均需滿足RCC-M規范的要求。

1.2 試驗方案

需進一步優化確定采用Se75射線源進行射線檢測的允許透照厚度范圍、膠片類別以及增感屏規格等幾個關鍵參數。其他關鍵參數屬于共性技術指標，已在規范中有明確要求，試驗方案設計中對此類工藝參數的要求須滿足RCC-M規范。

RCC-M規范MC3312.5.1中對管道對接焊縫，根據管道外徑及壁厚尺寸規定了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制和安裝的實際情況，考慮試驗方案設計能完整覆蓋RCC-M規范中關于管道焊縫透照的工藝要求，并能進一步研究Se75源透照厚度下限值，試驗選取了4種有代表性的管道規格(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。結合典型的管道尺寸規格，按照RCC-M規范規定的透照方式要求，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射出的γ射線波長是特定的，能量不可調整，所以大多數情況下很難得到最佳對比度。為此，使用γ射線源時不能超出規范規定的厚度范圍，尤其是在標準規定適用厚度范圍以外的薄壁工件中的應用，其照相靈敏度急劇下降。RCC-M標準中沒有把Se75納入備選射線源，而其他行業標準中均列入了Se75射線源。歐洲標準EN 1435-2002《無損檢測 熔化焊縫射線照相檢驗》規定了Se75、Ir192以及Co60等γ射線源的適用透照厚度的下限 ,其中Se75源最小透照厚度規定為10 mm。另外標準也規定在某些特定場合，只要能獲得足夠高的影像質量，可以允許把穿透范圍進一步放寬。經各方同意，當采用Ir192源時，最小透照厚度可以降到10 mm；當采用Se75源時，最小透照厚度可以降到5 mm。同時國家標準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標準對Se75源和Ir192源的透照厚度限制相關要求保持一致。

國內應用廣泛的標準NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》直接采用了歐洲EN1345-2002標準的規定，同時也具體規定了當采用射線源在中心透照時，在保證像質計靈敏度達到標準要求的前提下，可以允許最小透照厚度放寬至厚度下限值的一半。同時，該標準相比之前版本增加了Tm170和Yb169射線源，為較薄部件采用γ射線源進行射線透照提供了更多選擇。

RCC-M規范雖然對Ir192射線源的透照厚度范圍沒有規定下限值，但基于國內外工業實踐經驗，Ir192射線源對20 mm以下工件的透照靈敏度遠低于同能量X射線透照靈敏度，已經無法滿足規范要求，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。而當前按照RCC-M規范進行核級薄壁管道焊縫射線檢測的難點是對20 mm，尤其是10 mm以下厚度工件進行Ir192源透照存在靈敏度急劇損失，沒有符合規范的其他類型γ射線源可替代使用的問題。由于Se75射線源線質較Ir192射線源線質軟，能量較低，其透照厚度上限受到限制。一般當厚度超過40 mm或者焦距超過600 mm時，因曝光時間較長而不便使用Se75射線源。因此Se75射線源厚度范圍上限值可以參考國內外主要規范的規定，即不大于40 mm。為此，基于RCC-M規范要求引入Se75源進行核級管道射線檢測透照厚度上下限值范圍研究的關鍵在于優化確定厚度下限值。

試驗選擇覆蓋RCC-M規范中3種規格的管道焊縫進行Se75射線源和Ir192射線源透照靈敏度的對比試驗，同時為了驗證Se75射線源能對厚度下限為5 mm的管道焊縫實現透照，特意選擇了規格為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數據如表3所示。

表3 Se75和Ir192 射線源薄壁管道焊縫射線檢測試驗數據

從表3可以看出，在滿足RCC-M規范要求的底片黑度下，Se75射線源無論是從像質計靈敏度還是底片影像清晰度上都能滿足規范要求，而且也均優于Ir192射線源，底片可見的像質計最小絲徑要明顯高于規范要求，在個別尺寸規格的透照結果中甚至高出規范要求2個級別，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，像質計靈敏度下降嚴重，不能滿足規范要求，且影像質量極差。隨著管道壁厚的不斷減小，Se75射線源的靈敏度和影像質量也有下降趨勢，但始終能滿足規范要求，雖然在對壁厚為5 mm管道焊縫進行中心透照時影像質量不如對其他厚度底片的透照影像質量，但不影響底片的缺陷評定。考慮到核級部件的安全性，對核級管道薄壁焊縫進行射線檢測過程中，當壁厚小于5 mm時不推薦采用Se75射線源，如按照RCC-M規范要求選用Se75射線源進行射線檢測，推薦厚度范圍為5～40 mm。

1.2.2 膠片級別及增感屏規格

膠片系統和配套增感屏規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結合Se75射線源的特點，在RCC-M規范框架下選擇合理的配套膠片系統。射線照相中廣義的膠片類別或者分類原則中，評價膠片的特性指標應該包括膠片、增感屏和沖洗條件，因此膠片評價指標應該是上述3個因素綜合在一起的系統評價指標。 RCC-M規范中有關膠片系統的控制指標按照歐洲標準EN 584-1-1995《無損檢測 工業用X射線照相膠片 第1部分 工業X射線照相用膠片體系的分類》執行，規范明確要求膠片系統應配合金屬增感屏使用，膠片總共分為C1～C6共6類，每一類膠片系統的應用規范都規定應用范圍。當前標準EN 584-1-1995已被標準ISO 11699-1-2012《無損檢測 工業射線照相膠片 第1部分:膠片系統的工業射線照相分類》替代，該標準與標準ASME-SE-1815對膠片的技術指標分類要求一致，我國國家標準GB/T 19348.1-2014《無損檢測 工業射線照相膠片 第1部分：工業射線照相膠片系統的分類》等同采用標準ISO 11699-2012。綜合以上分析，目前國內外主要標準對射線檢測膠片系統分類的要求是一致的，都是根據最小梯度、最大顆粒以及梯度噪聲比等指標分類，從優到劣依次排序為C1，C2，C3，C4，C5，C6，考慮到膠片等級差的膠片會影響到底片影像質量，故在核電設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規范對不同γ射線源規定了相同的增感屏規格，其中前、中、后屏厚度規格分別滿足RCC-M規范的具體要求。

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

作為低能量Se75源的膠片系統，可以參考RCC-M規范對Ir192射線源的規定執行，在不大于40 mm適用厚度范圍內，RCC-M規范規定用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，在增感屏規格、洗片條件等相同的前提下，膠片顆粒性會隨著射線能量的增大而增大。因此，試驗方案為優化選擇引入Se75源對應滿足規范靈敏度要求的膠片系統，進一步研究了用Se75源搭配C3膠片的可行性。表4為采用Se75源對典型規格管道焊縫在RCC-M規范規定增感屏的規格下，分別采用C2和C3類膠片系統(對應的膠片型號分別為AGFA D3和AGFA D4)靈敏度的對比試驗結果。

由表4可知，用Se75源配合C3型膠片系統對典型薄壁管道焊縫進行射線檢測時，像質計靈敏度均能滿足RCC-M規范要求，底片影像質量也清晰可見，在中心透照和雙壁單影透照布置工藝條件下，與C2型膠片系統相當。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，像質計靈敏度和底片影像質量雖然滿足規范要求，但達不到C2型膠片的效果。這主要是因為C2型膠片梯度噪聲比等級更高，顆粒度更細。為此，在核級重要部件的射線檢測中，采用Se75源的同時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透照靈敏度的對比

2 結論

(1) 在RCC-M規范規定的工藝參數下，采用 Se75源對壁厚5～10 mm范圍內的薄壁管道焊縫進行射線檢測是可行的，其透照像質計靈敏度滿足規范要求，且影像質量清晰，明顯優于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行射線檢測時，靈敏度普遍不滿足規范要求且影像質量較差。

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

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