基于RCC-M规范的核电厂薄壁管道焊缝的Se75射线源检测

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(中广核工程有限公司，深圳 518124)

在核电厂核级设备及管道部件的预制、安装过程中，有大量薄壁管道焊缝需要进行射线检测，但实际检测过程中由于种种原因往往不能或很难采用X射线作为射线源进行检测；而采用常规的γ射线源Ir192检测时，因能量相对较高，透照薄壁工件后灵敏度通常达不到规范要求，同时底片的影像质量较差。Se75射线源作为一种能量相对较低的γ射线源，被广泛用在石油、化工以及压力容器等行业薄壁工件的射线检测中，尤其该源适用的透照厚度范围正好能弥补用Ir192射线源进行薄壁工件检测的不足。当前国内CPR1000核电机组核级部件的设计建造规范并未将Se75射线源列为规范允许的射线源。为此，在核级管道的实际预制安装阶段采用Ir192源对薄壁管道焊缝进行射线检测时，若底片灵敏度无法满足规范要求，往往存在无合适γ射线源可用的问题。为此，需要分析研究使用核电规范以外γ射线源的关键技术，必要时进行对比验证试验，探讨使用Se75射线源检测薄壁核级管道焊缝时的透照灵敏度能否满足规范要求，以及进一步优化在RCC-M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》规范框架要求下使用该射线源进行射线检测的合理工艺参数。

笔者重点研究在RCC-M规范要求的射线检测透照灵敏度指标下，用Se75射线源对薄壁(壁厚小于10 mm)核级管道焊缝进行射线检测的结果，同时进一步基于RCC-M规范要求开展Se75射线源在薄壁核级部件射线检测中应用的可行性分析，以期优化确定满足RCC-M规范要求的合理的透照工艺参数。为Se75新型射线源在核电薄壁管道预制安装焊缝射线检测中的推广应用奠定技术基础。

1 Se75射线源检测试验过程

1.1 技术分析

Se75射线源是一种新型的人工放射性同位素，主要有9根能谱线，其平均能量为0.206 MeV，相比其他γ射线源有着天然优势，表1为常见γ射线源的特性[1]。

表1 常用γ射线源的特性

从表1可知，相比Ir192射线源，Se75射线源的半衰期较长，发射能谱较软，照射率常数小，在薄壁工件的射线透照中有着绝对优势。近些年Se75射线源已被列入国内外主要的无损检测标准中，其使用厚度范围通常约定为10～40 mm，国内外其他行业应用的实践证明，在该厚度范围内，用Se75源透照得到的底片质量优于其他γ射线源透照得到的底片质量[2]。当然上述透照厚度范围只是通用规定，具体透照厚度需要结合规范要求进一步优化选择。

按照射线检测技术理论，图像质量由3个基本因素组成，即对比度、不清晰度和颗粒度，这3个因素综合决定了图像的射线照相灵敏度，也即对缺陷的检出能力。由于射线能量直接关系到图像质量的3个基本因素，为此射线能量的高低是最主要的透照参数之一[3]。也正因为射线能量的选择直接关系到图像质量的3个基本因素，所以对核级部件的射线检测选用RCC-M设计规范以外的射线源时应尤为慎重，需要经过必要的技术分析以及试验来验证透照结果与规范的符合性。RCC-M规范对不同射线源透照厚度的规定如表2所示。

表2为RCC-M规范对不同射线源透照厚度的规定，由表2可知，RCC-M规范对Ir192射线源仅给出了透照厚度上限值而无下限值，规范不规定下限值其实并不合理。众所周知，作为放射性同位素γ射线源发出的能量是不可改变的，当采用高能量射线透照薄壁工件时会出现灵敏度下降的情况，因此规范对γ射线源的使用应同时规定透照厚度的上下限值，不过不规定不代表用Ir192源可以对100 mm以下的任何厚度工件进行透照，而是对薄壁工件进行射线检测时，考虑到要保证射线透照灵敏度和影像质量，制造商通常不会采用γ射线源尤其是Ir192源进行射线检测，如果根据实际情况确实需要，应在使用前进行试验验证，以确保射线检测的灵敏度。

表2 RCC-M规范对不同射线源透照厚度的规定

鉴于射线检测工艺的特殊性，包括RCC-M规范在内的所有射线检测标准均要规定实施射线检测的工艺参数，在实施中出现任何不符合或不满足规范要求的情况，都无法充分保证最终检测结果的可靠性，在核级部件的检测中，工艺参数满足规范要求显得更为重要。为此，如研究基于RCC-M规范要求的用Se75射线源对薄壁焊接件进行射线检测的可行性，首要前提是试验设计的所有工艺参数均要满足RCC-M规范的具体要求，同时对射线源变化导致的部分关键参数的改变还需进一步进行优化确定，以此来确保整个射线检测工艺的合理性。

因此，试验设计方案中几何不清晰度、底片黑度指标、增感屏规格、滤光片规格、透照布置工艺、胶片类型、像质计摆放要求以及像质计灵敏度等所有关键工艺参数均需满足RCC-M规范的要求。

1.2 试验方案

需进一步优化确定采用Se75射线源进行射线检测的允许透照厚度范围、胶片类别以及增感屏规格等几个关键参数。其他关键参数属于共性技术指标，已在规范中有明确要求，试验方案设计中对此类工艺参数的要求须满足RCC-M规范。

RCC-M规范MC3312.5.1中对管道对接焊缝，根据管道外径及壁厚尺寸规定了3种类型的透照布置工艺，分别是管道外径小于90 mm，管道外径在90～170 mm之间以及管道外径大于170 mm。鉴于核电厂核级薄壁管道预制和安装的实际情况，考虑试验方案设计能完整覆盖RCC-M规范中关于管道焊缝透照的工艺要求，并能进一步研究Se75源透照厚度下限值，试验选取了4种有代表性的管道规格(φ168 mm×4.37 mm，φ73 mm×3.18 mm，φ508 mm×6.35 mm和φ508 mm×5 mm)，对上述4种规格管道焊缝分别采用Ir192和Se75射线源做射线检测透照对比试验。结合典型的管道尺寸规格，按照RCC-M规范规定的透照方式要求，主要包含双壁单影透照、双壁双影垂直透照、双壁双影椭圆透照以及中心透照等4种透照布置工艺，射线源在管道外的双壁单影透照示意如图1所示。(图中d为射线源，b为工件至胶片的距离，f为射线源至工件的距离)。

图1 射线源在管道外的双壁单影透照示意

(1) 对φ168 mm×4.37 mm管道进行射线源在管道外的双壁单影透照。

(2) 对φ73 mm×3.18 mm管道进行射线源在管道外的双壁双影透照(见图2，图中T为公称厚度，Do为管子外径)，分别采用垂直透照及椭圆透照的方式。

图2 射线源在管道外的双壁双影透照示意

(3) 对φ508 mm×6.35 mm和φ508 mm×5 mm管道进行射线源在管道中心的单壁透照(见图3)。

图3 射线源在管道中心的单壁透照示意

1.2.1 透照厚度范围

由于γ射线源的能量由同位素种类决定，每一种放射性同位素发射出的γ射线波长是特定的，能量不可调整，所以大多数情况下很难得到最佳对比度。为此，使用γ射线源时不能超出规范规定的厚度范围，尤其是在标准规定适用厚度范围以外的薄壁工件中的应用，其照相灵敏度急剧下降。RCC-M标准中没有把Se75纳入备选射线源，而其他行业标准中均列入了Se75射线源。欧洲标准EN 1435-2002《无损检测 熔化焊缝射线照相检验》规定了Se75、Ir192以及Co60等γ射线源的适用透照厚度的下限 ,其中Se75源最小透照厚度规定为10 mm。另外标准也规定在某些特定场合，只要能获得足够高的影像质量，可以允许把穿透范围进一步放宽。经各方同意，当采用Ir192源时，最小透照厚度可以降到10 mm；当采用Se75源时，最小透照厚度可以降到5 mm。同时国家标准GB/T 332-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》也修改为与欧洲EN1435-2002标准对Se75源和Ir192源的透照厚度限制相关要求保持一致。

国内应用广泛的标准NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》直接采用了欧洲EN1345-2002标准的规定，同时也具体规定了当采用射线源在中心透照时，在保证像质计灵敏度达到标准要求的前提下，可以允许最小透照厚度放宽至厚度下限值的一半。同时，该标准相比之前版本增加了Tm170和Yb169射线源，为较薄部件采用γ射线源进行射线透照提供了更多选择。

RCC-M规范虽然对Ir192射线源的透照厚度范围没有规定下限值，但基于国内外工业实践经验，Ir192射线源对20 mm以下工件的透照灵敏度远低于同能量X射线透照灵敏度，已经无法满足规范要求，Ir192射线源对壁厚大于20 mm的工件通常都有较为理想的透照灵敏度。而当前按照RCC-M规范进行核级薄壁管道焊缝射线检测的难点是对20 mm，尤其是10 mm以下厚度工件进行Ir192源透照存在灵敏度急剧损失，没有符合规范的其他类型γ射线源可替代使用的问题。由于Se75射线源线质较Ir192射线源线质软，能量较低，其透照厚度上限受到限制。一般当厚度超过40 mm或者焦距超过600 mm时，因曝光时间较长而不便使用Se75射线源。因此Se75射线源厚度范围上限值可以参考国内外主要规范的规定，即不大于40 mm。为此，基于RCC-M规范要求引入Se75源进行核级管道射线检测透照厚度上下限值范围研究的关键在于优化确定厚度下限值。

试验选择覆盖RCC-M规范中3种规格的管道焊缝进行Se75射线源和Ir192射线源透照灵敏度的对比试验，同时为了验证Se75射线源能对厚度下限为5 mm的管道焊缝实现透照，特意选择了规格为φ508 mm×5 mm的管道。Se75和Ir192 射线源薄壁管道焊缝射线检测试验数据如表3所示。

表3 Se75和Ir192 射线源薄壁管道焊缝射线检测试验数据

从表3可以看出，在满足RCC-M规范要求的底片黑度下，Se75射线源无论是从像质计灵敏度还是底片影像清晰度上都能满足规范要求，而且也均优于Ir192射线源，底片可见的像质计最小丝径要明显高于规范要求，在个别尺寸规格的透照结果中甚至高出规范要求2个级别，而且底片影像均较为清晰。随着壁厚的不断减小，Ir192射线源的灵敏度与底片影像质量均下降，其中在对有效透照厚度较薄且采用双壁双影透照方式的情况下，像质计灵敏度下降严重，不能满足规范要求，且影像质量极差。随着管道壁厚的不断减小，Se75射线源的灵敏度和影像质量也有下降趋势，但始终能满足规范要求，虽然在对壁厚为5 mm管道焊缝进行中心透照时影像质量不如对其他厚度底片的透照影像质量，但不影响底片的缺陷评定。考虑到核级部件的安全性，对核级管道薄壁焊缝进行射线检测过程中，当壁厚小于5 mm时不推荐采用Se75射线源，如按照RCC-M规范要求选用Se75射线源进行射线检测，推荐厚度范围为5～40 mm。

1.2.2 胶片级别及增感屏规格

胶片系统和配套增感屏规格是影响射线照相灵敏度的重要因素。研究Se75射线源的可行性需重点结合Se75射线源的特点，在RCC-M规范框架下选择合理的配套胶片系统。射线照相中广义的胶片类别或者分类原则中，评价胶片的特性指标应该包括胶片、增感屏和冲洗条件，因此胶片评价指标应该是上述3个因素综合在一起的系统评价指标。 RCC-M规范中有关胶片系统的控制指标按照欧洲标准EN 584-1-1995《无损检测 工业用X射线照相胶片 第1部分 工业X射线照相用胶片体系的分类》执行，规范明确要求胶片系统应配合金属增感屏使用，胶片总共分为C1～C6共6类，每一类胶片系统的应用规范都规定应用范围。当前标准EN 584-1-1995已被标准ISO 11699-1-2012《无损检测 工业射线照相胶片 第1部分:胶片系统的工业射线照相分类》替代，该标准与标准ASME-SE-1815对胶片的技术指标分类要求一致，我国国家标准GB/T 19348.1-2014《无损检测 工业射线照相胶片 第1部分：工业射线照相胶片系统的分类》等同采用标准ISO 11699-2012。综合以上分析，目前国内外主要标准对射线检测胶片系统分类的要求是一致的，都是根据最小梯度、最大颗粒以及梯度噪声比等指标分类，从优到劣依次排序为C1，C2，C3，C4，C5，C6，考虑到胶片等级差的胶片会影响到底片影像质量，故在核电设备部件制造和安装中C5，C6型胶片通常不适用，对γ射线源C2型胶片适用范围最为广泛。

RCC-M规范对不同γ射线源规定了相同的增感屏规格，其中前、中、后屏厚度规格分别满足RCC-M规范的具体要求。

RCC-M规范对γ射线源(Ir192和Co60)在检测时给定了增感屏规格及尺寸厚度的前提下，根据焊缝安全等级规定了不同的胶片系统。在核电工程实践中综合经济性和安全性考虑，各级别焊缝根据射线能量不同普遍采用C2和C3型胶片系统，特殊情况下选择C1型胶片。

作为低能量Se75源的胶片系统，可以参考RCC-M规范对Ir192射线源的规定执行，在不大于40 mm适用厚度范围内，RCC-M规范规定用Se75源检测任意级别焊缝最低只能用C2类胶片。而RCC-M规范对同为低能量γ射线源的Tm170最低可以用到C4型胶片。一般来讲，在增感屏规格、洗片条件等相同的前提下，胶片颗粒性会随着射线能量的增大而增大。因此，试验方案为优化选择引入Se75源对应满足规范灵敏度要求的胶片系统，进一步研究了用Se75源搭配C3胶片的可行性。表4为采用Se75源对典型规格管道焊缝在RCC-M规范规定增感屏的规格下，分别采用C2和C3类胶片系统(对应的胶片型号分别为AGFA D3和AGFA D4)灵敏度的对比试验结果。

由表4可知，用Se75源配合C3型胶片系统对典型薄壁管道焊缝进行射线检测时，像质计灵敏度均能满足RCC-M规范要求，底片影像质量也清晰可见，在中心透照和双壁单影透照布置工艺条件下，与C2型胶片系统相当。在双壁双影椭圆透照工艺条件下，由于透照厚度差异较大，透照条件限制等原因，像质计灵敏度和底片影像质量虽然满足规范要求，但达不到C2型胶片的效果。这主要是因为C2型胶片梯度噪声比等级更高，颗粒度更细。为此，在核级重要部件的射线检测中，采用Se75源的同时必须选择双壁双影透照方式，不推荐采用C3型胶片。

表4 采用Se75源以及不同胶片系统透照灵敏度的对比

2 结论

(1) 在RCC-M规范规定的工艺参数下，采用 Se75源对壁厚5～10 mm范围内的薄壁管道焊缝进行射线检测是可行的，其透照像质计灵敏度满足规范要求，且影像质量清晰，明显优于Ir192射线源的。采用Ir192射线源对壁厚10 mm以下的薄壁管道焊缝进行射线检测时，灵敏度普遍不满足规范要求且影像质量较差。

(2) 在满足RCC-M规范规定下，若用Se75源对核电厂薄壁管道焊缝进行射线检测，推荐的合理透照厚度范围为5～40 mm。与此同时，要采用梯度噪声比等级较高的胶片系统。

(3) 综合不同胶片系统的对比试验结果，对5～10 mm厚度范围的薄壁管道焊缝进行射线检测时，选择C3类胶片也可以满足规范要求的灵敏度，但底片影像质量要比C2类胶片差，因此推荐采用C2类以上的胶片系统。