工业X射线探伤仪系统设计辐射剂量与防护课程设计.docx

1、工业X射线探伤仪系统设计辐射剂量与防护课程设计辐射剂量与防护课程设计工业X射线探伤仪系统设计1. X射线探伤原理X射线是一种波长很短的电磁波，是一种光子，波长为10-10cm，X射线有下列特性： （1）穿透性X射线能穿透一般可见光所不能透过的物质。其穿透能力的强弱，与X射线的波长以及被穿透物质的密度和厚度有关。X射线波长愈短，穿透力就愈大；密度愈低，厚度愈薄，则X射线愈易穿透。在实际工作中，通过球管的电压伏值（kV）的大小来确定X射线的穿透性（即X射线的质），而以单位时间内通过X射线的电流（mA）与时间的乘积代表X射线的量。 （2）电离作用X射线或其它射线（例如射线）通过物质被吸收时，可使组成

2、物质的分子分解成为正负离子，称为电离作用，离子的多少和物质吸收的X射线量成正比。通过空气或其它物质产生电离作用，利用仪表测量电离的程度就可以计算X射线的量。检测设备正是由此来实现对零件探伤检测的。X射线还有其他作用，如感光、荧光作用等。2.影像形成原理X射线影像形成的基本原理，是由于X射线线的特性和零件的致密度与厚度之差异所致。 由于在压铸过程中，零件的成型会因工艺参数、机床状况变化而有所不同，因此成型后的零件厚度、致密度也有差异，而经X射线照射，其吸收及透过X射线量也不一样。因而，在透视荧光屏上有亮暗之分。表1为零件厚差异和X射线影像的关系。图1为X射线照相法示意图： 3.几种常见的工程探伤

3、方法3.1 荧光磁粉探伤 荧光磁粉探伤是采用荧光磁粉，加装黑光照射装置的磁粉探伤机。它是采用固定式、分立式结构，对工件进行交流荧光磁粉探伤。适用于机械、汽车、军工、航天、内燃机、铁道等行业对轴类、齿轮、盘套类等铁磁性材料制成的零件的无损检验，能发现零件表面及近表面因铸造、锻压、焊接、拉伸、淬火、研磨、疲劳而产生的裂痕以及夹渣等极细微的缺陷。荧光磁粉探伤机的基本原理：自然中磁力线总能保持其连续性。当铁磁性工件放在使其饱和的磁场中时，磁力线便会被引导通过工件。如果磁力线遇到工件材料上的不连续，则磁力线就会绕过这些磁导率较低的（磁阻较大）区域而泄漏出工件表面形成“漏磁场”。这样在缺陷的两侧便会产生磁

4、极,将磁粉（或磁悬液) 吸附到裂纹等缺陷周围，便可形成明显可见的线状或点状堆积。3.2 渗透探伤渗透探伤是利用毛细现象来进行探伤的方法。对于表面光滑而清洁的零部件，用一种带色(常为红色)或带有荧光的、渗透性很强的液体，涂覆于待探零部件的表面。若表面有肉眼不能直接察知的微裂纹，由于该液体的渗透性很强，它将沿着裂纹渗透到其根部。然后将表面的渗透液洗去，再涂上对比度较大的显示液(常为白色)。放置片刻后，由于裂纹很窄，毛细现象作用显著，原渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在白色的衬底上显出较粗的红线，从而显示出裂纹露于表面的形状，因此，常称为着色探伤。若渗透液采用的是带荧光的液体，由毛细现象上升

5、到表面的液体，则会在紫外灯照射下发出荧光，从而更能显示出裂纹露于表面的形状，故常常又将此时的渗透探伤直接称为荧光探伤。此探伤方法也可用于金属和非金属表面探伤。其使用的探伤液剂有较大气味，常有一定毒性。3.3 涡流探伤涡流探伤是由交流电流产生的交变磁场作用于待探伤的导电材料，感应出电涡流。如果材料中有缺陷，它将干扰所产生的电涡流，即形成干扰信号。用涡流探伤仪检测出其干扰信号，就可知道缺陷的状况。影响涡流的因素很多，即是说涡流中载有丰富的信号，这些信号与材料的很多因素有关，如何将其中有用的信号从诸多的信号中一一分离出来，是目前涡流研究工作者的难题，多年来已经取得了一些进展，在一定条件下可解决一些问

6、题，但还远不能满足现场的要求，有待于大力发展。涡流探伤的显著特点是对导电材料就能起作用，而不一定是铁磁材料，但对铁磁性材料的效果较差。其次，待探工件表面的光洁度、平整度、边界等对涡流探伤都有较大影响，因此常将涡流探伤用于形状较规则、表面较光洁的铜管等非铁磁性工件探伤。3.4 射线探伤射线探伤是利用射线的穿透性和直线性来探伤的方法。这些射线虽然不会像可见光那样凭肉眼就能直接察知，但它可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收。常用于探伤的射线有X射线和同位素发出的射线，分别称为X射线探伤和射线探伤。当这些射线穿过(照射)物质时，该物质的密度越大，射线强度减弱得越多，即射线能穿透过该物质的强度就越

7、小。此时，若用照相底片接收，则底片的感光量就小；若用仪器来接收，获得的信号就弱。因此，用射线来照射待探伤的零部件时，若其内部有气孔、夹渣等缺陷，射线穿过有缺陷的路径比没有缺陷的路径所透过的物质密度要小得多，其强度就减弱得少些，即透过的强度就大些，若用底片接收，则感光量就大些，就可以从底片上反映出缺陷垂直于射线方向的平面投影；若用其它接收器也同样可以用仪表来反映缺陷垂直于射线方向的平面投影和射线的透过量。由此可见，一般情况下，射线探伤是不易发现裂纹的，或者说，射线探伤对裂纹是不敏感的。因此，射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感。即射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤，

8、另射线探伤价格一般较贵。3.5 超声波探伤人们的耳朵能直接接收到的声波的频率范围通常是20Hz到20kHz，即音(声)频。频率低于20 Hz的称为次声波，高于20 kHz的称为超声波。工业上常用数兆赫兹超声波来探伤。超声波频率高，则传播的直线性强，又易于在固体中传播，并且遇到两种不同介质形成的界面时易于反射，这样就可以用它来探伤。通常用超声波探头与待探工件表面良好的接触，探头则可有效地向工件发射超声波，并能接收(缺陷)界面反射来的超声波，同时转换成电信号，再传输给仪器进行处理。根据超声波在介质中传播的速度(常称声速)和传播的时间，就可知道缺陷的位置。当缺陷越大，反射面则越大，其反射的能量也就越

9、大，故可根据反射能量的大小来查知各缺陷(当量)的大小。常用的探伤波形有纵波、横波、表面波等，前二者适用于探测内部缺陷，后者适宜于探测表面缺陷，但对表面的条件要求高。3.6 激光探伤激光全息无损探伤是借助于全息图来记录和再现不同物体表面所散射出来的光波，然后由它们产生的干涉条纹图比较出表面形变之间的差别，最后由条纹的反常分布来探知物体中存在的缺陷。该法适用于光滑或粗糙表面，能对物体表面作全场检测，而且设备比较简单。目前，这一技术已经解决了不少其它技术难以解决的检验问题。近代航空工业中广泛应用的铝合金蜂窝板采用迭层结构，以减轻重量，增大强度，但在制造过程中会出现脱胶等缺陷而影响强度.如采用全息术对

10、蜂窝板进行无损检测，即可检测出脱胶、板层厚度不均匀等缺陷，并能显示出这些缺陷的位置及区域大小。在动力机械中，全息术可用于检测叶轮机、发动机等的叶片质量，也为工业中的高压容器和输送管道提供了无损探伤手段。另外，陶瓷、玻璃及耐火材料的质量检验也已借助于全息术而得到改进。现在，全息无损检验技术已与文物保护这一涉及人类文明历史的学科结合起来，并取得了成效。科学工作者利用局部加热和两次曝光全息图检测了春秋时期的编钟，汉代陶峨等青铜器及陶瓷文物中的裂纹、修复区域等缺陷，为文物保护提供了珍贵的科学资料.近年来，许多新的无损探伤方法如微波、红外、光弹显示及介电常数检测等不断得以开发应用。目前，仍在开拓的新模式

11、有中子和电子衍射、场的扰动和位错的磁显示、激光诱发激波脉冲和正电子湮没等.我们相信，随着计算机科学的不断发展，以微机和计算数学为核心的数值仿真与模拟，必将自动、准确和迅速地把被检物体的信息综合起来，进行全面分析，以得到动态的、完全符合实际的检测结果。3.7 磁粉探伤磁粉探伤是建立在漏磁原理基础上的一种磁力探伤方法。当磁力线穿过铁磁材料及其制品时，在其(磁性)不连续处将产生漏磁场，形成磁极。此时撒上干磁粉或浇上磁悬液，磁极就会吸附磁粉，产生用肉眼能直接观察的明显磁痕。因此，可借助于该磁痕来显示铁磁材料及其制品的缺陷情况。磁粉探伤法可探测露出表面，用肉眼或借助于放大镜也不能直接观察到的微小缺陷，也

12、可探测未露出表面，而是埋藏在表面下几毫米的近表面缺陷。用这种方法虽然也能探查气孔、夹杂、未焊透等体积型缺陷，但对面积型缺陷更灵敏，更适于检查因淬火、轧制、锻造、铸造、焊接、电镀、磨削、疲劳等引起的裂纹。磁力探伤中对缺陷的显示方法有多种，有用磁粉显示的，也有不用磁粉显示的。用磁粉显示的称为磁粉探伤，因它显示直观、操作简单、人们乐于使用，故它是最常用的方法之一。不用磁粉显示的，习惯上称为漏磁探伤，它常借助于感应线圈、磁敏管、霍尔元件等来反映缺陷，它比磁粉探伤更卫生，但不如前者直观。由于目前磁力探伤主要用磁粉来显示缺陷，因此，人们有时把磁粉探伤直接称为磁力探伤，其设备称为磁力探伤设备。磁粉探伤广泛用

13、于汽车发动机零部件的检测。4.X射线探伤机的结构及工作原理4.1 便携式X射线探伤机的结构探伤机由供电及控制系统，冷却防护设施四部分组成。可分为携带式，移动式两类，移动式X射线探伤机用在透照室内的射线探伤，它具有较高的管电压和管电流，管电压可达450kv，管电流可达20mA，最大透厚度约100mm，它的高压发生装置、冷却装置与X射线机头都分别独立安装。X射线机头通过高压电缆与高压发生装置连接。机头可通过带有轮子的支架在小范围内移动，也可固定在支架上。携带式X射线机主要用于现场射线照相，管电压一般小于320kV，最大穿透厚度约50mm。其高压发生装置和射线管探伤机在一起组成机头，通过低压电缆与控

14、制箱连接。（1） TF3120型 X射线探伤机TF3120 X射线探伤机是时代集团公司研制生产的工业用携带式气绝缘200kV 定向X射线探伤机，TF3120 X射线探伤机由TF3120GD X射线发生器、TF3120C控制器及一系列附件组成。该机采用逆变技术及国外最新半导体功率元件(IGBT ) 设计制造，微机控制，具有国际先进水平，是一代集电力电子器件、整流逆变技术、微机控制、模糊技术等高科技于一体的新型射线探伤机。1）TF3120 X射线探伤机适用于造船、石油、化工、机械、航天、交通和建筑等工业部门检查船体、管道、高压容器、锅炉、飞机、车辆和桥梁等材料、零部件加工焊接质量以及各种轻金属、橡

15、胶、陶瓷等加工的质量。2）采用微机控制，自动化程度高，功能多，但操作却很简单。具有人工智能功能，简化了训机操作，保证了使用的高效性及设备的安全性。3）采用高亮度LED显示，显示清晰，适合野外使用。4）有各种故障保护及报警功能，提高了控制器的可靠性。5）电源部分采用IGBT做主功率器件，大大减少了重量和体积，便于携带。6）使用电压范围宽，减少了对电源的特殊要求，适应性好。7）发生器重点解决了X射线管的散热问题。在散热上有比较大的突破，提高了X射线管的寿命。（2） XXQ-3005型X射线探伤机XXQ-3005X射线探伤机由XXQ-3005 X射线发生器XXQ-3005控制器及一系列附件组成。 图

16、4.1 XXQ-3005X射线探伤机外型尺寸及辐射场示意图XXQ-3005X射线探伤机是200kV、定向气绝缘X射线发生器。内装X射线管、高压变压器等部件，并充有SF6绝缘气体，在发生器底部装有风机作为强迫冷却装置。其外型尺寸及辐射场示意图如图3.1所示（供参考）。XXQ-3005X射线探伤机主要零部件有：1）X射线管（200kV 5mA 定向）2）高压变压器3）温度继电器4）行灯插座（二芯）5）冷却风扇6）低压电缆插座7）压力表8）端环XXQ-3005型X射线探伤机基本参数如下：输出电压（kV）：170-300输入（kW）：3.0焦点尺寸（mm）：2.32.3辐射角度：40+5最大穿透（mm

17、）：50（A3钢）重量（kg）：发生器44；控制器11.0。尺寸(mm)发生器340340830；控制器320280150。绝缘方式： SF6气体冷却方式： 强制风冷环境温度： -10 +40相对湿度： 85%最大穿透力： 29mm( A3钢 )，黑度1.54.2 X射线探伤机工作原理及运用范围 被测物体各部分的厚度或密度因缺陷的存在而有所不同。当X射线或射线在穿透被检物时,射线被吸收的程度也将不同。若将受到不同程度吸收的射线投射在X射线胶片上,经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片（X射线底片）。这种方法称为X射线照相法（见图3.2）。如用荧光屏代替胶片直接观察被检物体，称为透视

18、法。如用光敏元件逐点测定透过后的射线强度而加以记录或显示，则称为仪器测定法。图4.2 X射线照相法X射线是在高真空状态下用高速电子冲击阳极靶而产生的。射线是放射性同位素在原子蜕变过程中放射出来的。两者都是具有高穿透力、波长很短的电磁波。例如由X射线管发出的X射线（当电子的加速电压为400千伏时），放射性同位素60Co所产生的射线和由 20兆电子伏直线加速器所产生的X射线，能穿透最大钢材厚度分别约为90毫米、230毫米和600毫米。X射线探伤机工作原理图如图3.3所示：图4.3 XXQ-3005射线探伤机工作原理图射线探伤机主要应用范围：对非金属、轻金属、铸造件、各种合金、压力容器等进行X射线无

19、损检测。主要检测焊接缺陷（裂纹、气孔、夹渣、未溶合、未焊透等）。5.有关设计中的压力强度计算及设计支架由上支杆和下支杆组成。因上支杆与下支杆的长度相等，而下支杆截面比上支杆小，故只需对下支杆的稳定性进行计算校核。5.1 下支杆最大压力P的计算四根下支杆的受力简图如下图示：图6.1 下支杆受力简图其中:=30=42G为四根支杆承受的最大载荷, G=490NP为每根支杆受到的最大压力,经推算,P与N的关系式如下:5.2 下支杆临界压力Plj的计算下支杆的材料为：无缝钢管3026BK/20 长度l=595mm查表得=350MN/m2， =28MN/m2,E=210GN/m2,a=461MN/m2,b

20、=2.568MN/m2下支杆可简化为一端固定另一端自由，所以=2下支杆截面为圆管形，故临界压力适用欧拉公式计算5.3 下支杆的工作稳定性系数n的计算下支杆的工作稳定性系数所以下支杆满足稳定性要求。6.X射线防护及X探伤室设计6.1探伤室的总布置该探伤室总占地面积为71.4，建在车间外面得双层独立房间。探伤室布置有曝光室和各类工作室，其中曝光室室内长宽高=7m5.8m4.7m，设有防护大门供检测工件的进出，防护门为钢质结构（内夹铅板）。曝光室和操纵室之间采用迷宫式挡墙，供工作人员进出曝光室和操纵室。总布置图如下： 图6.1 总布置图6.2X射线探伤的原理及其产生的有害物质与防治1x射线探伤远离x

21、射线探伤机内的主要部件X射线管，通电后产生高速电子，撞击阳极耙，产生x射线，利用X射线穿透摄片的方法。从照片上显示材料或焊缝内部的缺陷；分析其缺陷的太小，形状和部位、性质等从而评定它的质量。2X射线探伤产生的有害物质x射线探伤所产生的有害物质有(1)X射线x射线早已被广泛应用用，但由于它具有很强强的穿透能力，对人体会产生有害的辐射损伤甚至要危及生命。X射线的强度(P)为：P=KZV2I R2式中：K 为比倒系数Z 为X射线机阳极靶材料的原子序数y- 管电压I 管电流R 距X射线机耙之距离由上公式可知。X射线强度与X射线机的管电流(I)， 管电压的平方(V2)成正比，与离x射线机耙的距离平方(R

22、2)成反比。我们必须使操作人员及附近人员身体的任何部位都避免受x射线的直接照射。不过x射线的防护较之其他类型的放射源的防护容易得多，因为只有开机时才有辐射存在，当断去电源后，x射线辐射亦立即随之消失(即消除了辐射源)。(2)臭氧探伤室内， 由于空气受x射线的辐射而分解，生产毒性较高的臭氧，当空气中臭氧含量的重量百分比超过92l0-4 100%时，会使人明显中毒。臭氧能引起眼、鼻、喉刺痛，轻者咳嗽，头痛、胸闷， 重者出现肺水肿或肺炎。(3)废水x射线拍片后要进行底片冲冼，定影和显影溶液是污染环境的三废之一，必须加于治理，不能直接排放。3对有害物质的防治措施(1)对X射线的防护方法 使用无损探伤一

23、般对x射线的防护采用如下三种： 时闻防护：尽量减少接触射线的时间， 控制工作人员受照射的时间在安全的范围内。 距离防护：离辐射源距离越远，射线的剂量率越小。 屏蔽防护：在辐射源与工作人员及附近其他人员之间用能减弱射线的材料设置屏蔽物。使射线穿透屏蔽物而入射到人体的X射线减弱至国家标准规定的安全剂量之内。兴建X射线探伤室是实现屏蔽防护目的最好方法之一。(2)对臭氧的治理 采用通风排气消除臭氧的危害。我厂兴建的探伤室，在曝光室内装上一台排气扇。(3)废水治理 因为本厂的无损检测已经外包，不需要洗片没有废水，只需要有存放保证底片冲洗质量和底片保存的基本条件。6.3X射线探伤室防护层设计1探伤室设计的

24、要求(1)选址：探伤室应建在人员少到之处，最好单独建成一幢，如果条件不允许，要建在高楼之底层，而且天花板应作主防护层的要求设计。我厂新建探伤室已经做到了单独建造。(2)探伤室的面积与高度要求一般探伤室的面积和高度应根据被控测的产品的太小，X射线机的外型尺寸及其移动范围而定，既要保证工件的进出与足够的作业位置，又要有充分的空间保证空气流动。故探伤室的高度不能小于4 m，对管电流10mA以下的X射线机的探伤室其曝光室的面积不得小于24 。我厂预建的探伤室高度为5m，曝光室的面积为40.6.4。(3)从操纵室进出曝光室的小门须有迷官式遮裆墙。我厂设计的探伤室在距小门外一米处(曝光室内)筑有一道厚60

25、0mm厚，高5m，长3.5m 的迷宫式遮挡墙以阻止射线可能通过小门进入操纵室， 示意图如下图2和图3 图6.3.1 迷宫式挡墙 图6.3.2完善后的探伤室 (4)曝光室的防护大门一般以钢板与铅板组合而成，我厂采用的是双扇门，由于笨重，上下端应设置滑轮。 (5)防护门的大小应比墙壁开孔尺寸大，其重叠宽度一般不少于门与墙面阃之缝隙的15倍，一般不小于150mm。此外，恃别要注意门的底边要低于地面100mm150mm ，以便防止射线从大门下沿泄漏到室外，同耐还要处理好门的移动轨道与工件进出探伤室的轨道交叉联接问题。我厂探伤室防护大门的墙壁开孔尺寸为3mx 4m，钢结构门(内包铅板)的尺寸为3500m

26、m x4300mm ，两旁重叠宽度为250mm，门的下端低于地平面120mm左右。 (6)采用混凝土为防护墙，材料必须保证质量，施工时，要求一次性浇注水泥(不能停)，并用振荡器加以振荡，防止蜂窝气孔的出现。 （7）通风要求 曝光室内不设置自然通风的门窗，室内的通风全靠机械抽风，排风口可设置在屋顶，用来确保室内空气的畅通，排风量应能满足每天工作时间换气3 4次.(9)探伤室对取暖、采光，湿度及地面质量要求：探伤室内各工作场所，对取暖，采光、湿度及地面的要求各不相同，详见表1。表1工作场所取暖（）相对湿度采光等级采光质量要求地面面层材料地面性能要求操纵室166070无眩光水泥、水磨石曝光室1578

27、6070人工光线防漏射水磨石，砖、塑料无釉瓷砖无缝隙易冲洗暗室167080人工光线防漏射水磨石、水泥耐腐蚀 2探伤室防护层厚度的确定(1)放射性工作人员与一般公众最大容许剂量标准为了保障从事放射性工作人员和工作场所公众的健康和安全， 国家卫生部发布了GB479O一84放射卫生防护基本标准规定了各类人员年剂量的限值，详见表2。表2效应分类照射分类放射性工作人员一般公众随即效应全身均匀照射50mSV（5 rem）长期照射年剂量1mSV非均匀照射WHT 50mSV非随机效应眼晶体150mSV（15rem）其他组织500mSV（50rem）50Msv(5 rem)(3)与防护层设计厚度有关的因素从上述

28、对探仿室设计的要求分析，可以得出防护层设计与如下因素有关： X射线机的管电压及管电流之太小I 防护层距X射线机靶(球管)的远近， X射线机的类型(单向机还是周向机)， 操作人员每周工作时间的长短， 环境因素的影响，探伤室外有无人员工作或走动而决定是否需要局部增加或减少度。 防护层的材料性质，一般密度大的材料有较好的防护效果。如铅、钢铁、混凝土、铅玻璃等。但在材料的选用上必须从材料的价格着眼，混凝土的价格远比铅、钢铁便宜，一般应首先考虑选用它为防护层材料。故，我厂选用混凝土作为防护层材料。(4)防护层厚度的计算方法探伤室防护层的厚度计算较为简单，一般不需要根据X射线束的衰减公式去直接计算，可以利

29、用一些文献资料上绘出的图谱及表格，经过街单的计算直接查图(表)而得。这些图表一是根据射线的衰减公式绘制， 二是用试验的方法，把实际测量的数值列成表格或绘成图谱。如前所述，不同的资料绘出的图表不一，计算结果相差较大，故必须进行多种方法的计算，分析计算结果，决定取舍，我们认为防护层的厚度设计既要符台国家卫生部规定的放射卫生防护的标准，绝对保证职业工作人员的身体健康，又不能盲目认为越厚越好，应该做到既安全又节省，应用价值工程，消除过剩功能，从而减少浪费，提高经济效益。故我厂防护层厚度计算是根据 医用X射线防护 (卫生出版社1960年版本)一书及绘出的图表来进行计算的。已知：管电压U=400kV管电流

30、I=10mA距离R=5 m工作时间： 6小时 天计算：求工作负荷(WU-F)wUF =最大管电流工作时间(分钟 周)= 10 6 60 6=21600毫安分 周X射线控制在1 00毫雷 周的屏蔽防护层厚度(主防护) (见表3)摘自医用X射线的防护人民卫生出版社1980年版X线管电压（千伏）有效工负荷（安分周）下列源距所需的铅的厚度 （厘米）下列源距所需的混凝土的厚度 （厘米）4001米2米4米8米1米2米4米8米400004.053.493.022.5065059.053.046.8100003.493.022.502.0259.053.046.840.625003.022.502.021.5453.046.840.634.46502.502.021.541.1246.840.634.428.5查表3用内插法求得：采用铅板为材料防护层厚度=258cm =2584mm实取8=26mm采用混凝土为材料防护层厚度为；=4773cm =4773mm实取=600mm 所以我厂采用的是混凝土防护层，故去混凝土防护层=600mm。同理算出其他厚度： 最后得到： 四周墙壁混凝土防护层=600mm 天花板混凝土防护层=300mm 曝光室防护大门