架空輸變電線路耐張線夾高空X射線探傷輻射環境監測與評價

江岳，何葉娜，賈力博，林晨

（廣西壯族自治區輻射環境監督管理站，廣西南寧 530022）

0 引言

耐張線夾作為“三跨”區段架空輸電線路的關鍵連接部件，一旦投入使用，就不易拆卸更換［1］。耐張線夾的壓接質量直接影響輸電線路的安全穩定運行，采用X 射線探傷檢測技術，能及時發現耐張線夾內部存在的缺陷［2］。隨著X射線探傷檢測設備向小型化發展，小型脈沖X 射線機與數字平板探測器組成的脈沖X 射線數字成像系統成為耐張線夾探傷檢測的一種新技術［3］。本文以廣西某220 kV 跨高速路架空輸電線路耐張線夾作為典型探傷元件，研究小型脈沖式XRS-3 型X 射線數字成像系統的高空探傷檢測，通過對該系統探傷檢測的場所開展輻射環境監測，驗證地面監督區和控制區設置的合理性，評價系統高空探傷檢測對工作人員和公眾成員產生的輻射影響，為監管部門及核技術利用企業的輻射安全管理提供數據支撐。

1 研究對象

1.1 探傷檢測設備

本次架空耐張線夾探傷檢測設備為脈沖式XRS-3型X射線數字成像系統，該系統是由脈沖X 射線探傷機、高分辨率圖像采集單元、計算機圖像處理單元、設備連接裝置等組成的無損檢測設備。脈沖X射線機產生的X射線穿過架空輸變電線路耐張線夾，在數字成像板形成圖像，圖像經過無線接收設備傳輸到計算機上，即可清晰地顯示耐張線夾內部的缺陷。XRS-3型脈沖式X 射線數字成像系統如圖1所示。

XRS-3 型脈沖式X 射線數字成像系統的X 射線輸出單個脈沖時間為25 ns，每秒鐘15個脈沖，最大X光子能量為270 kV，平均X 光子能量為135 kV，可產生與0.25 mA 恒定電位機相當的劑量率，能穿透25 mm的鋼片；X射線束角為40°。

1.2 耐張線夾

壓縮型耐張線夾是由鋁管和鋼錨組成，鋼錨用于接續和錨固鋼芯鋁絞線的鋼芯，將導線和線夾結合在一起。壓縮型耐張線夾外徑為300～400 mm。

2 研究方案

2.1 探傷場所分區及檢測流程

本次架空輸電線路耐張線夾探傷檢測所在的鐵塔附近為山體樹林，在鐵塔下方設置臨時施工平臺。耐張線夾探傷檢測位置高度分別為29 m、39 m、42 m。

2.1.1 探傷檢測場所分區布局

根據環境評估報告，需要預設控制區及監督區開展試運行監測，并根據監測結果重新劃分控制區及監督區。當探傷檢測高度為29 m時，將距探傷位置下方投影點水平10 m內的范圍設置為控制區，距探傷位置下方投影點水平25 m內的范圍設置為監督區；當探傷檢測高度為39 m 或42 m 時，將距探傷位置下方投影點水平5 m內的范圍內設置控制區，距探傷位置下方投影點水平10 m內的范圍設置為監督區。

在控制區和監督區的邊界拉警戒線并設電離輻射警示標志。將探傷檢測現場清場，無關的輸電線路工作人員引導至監督區外，確保其他公眾人員無法靠近探傷位置正下方投影點50 m的范圍。

2.1.2 探傷檢測流程

在地面組裝脈沖X 射線探傷機與數字成像板，檢測位置一般距離地面20～40 m，登塔工作人員到達檢測位置后，通過滑輪將脈沖X射線數字成像系統固定在高空中的檢測位置，然后撤到監督區外；地面工作人員在監督區內遠程遙控開啟脈沖X射線探傷機，成像板接收信號后經遠程無線設備傳輸到地面的計算機，工作人員通過計算機觀察判斷壓接質量。

2.2 輻射環境監測方案

2.2.1 監測點位的布設

監測點布設在探傷位置正下方地面、控制區邊界處、監督區邊界處、探傷設備操作位以及鐵塔上探傷位置的水平最近點。

2.2.2 監測儀器

本次監測使用的儀器為AT1123X-γ 輻射劑量率儀，其能量響應范圍為15～10 MeV；量程為50～10 Sv/h；測量結果均為周圍劑量當量率H*（10），檢定因子為0.99。

2.2.3 監測質量要求

輻射環境監測要求如下：①監測單位具有嚴格的質量管理體系、完善的質量管理制度和規范的工作程序文件，質量保證措施必須覆蓋監測的全過程。②現場監測的設備需經國家法定計量檢定機構檢定。③監測工作人員需通過生態環境部輻射環境監測技術中心的考核，持證上崗。④監測儀器定期開展期間核查與穩定性檢查，確保儀器穩定可靠。⑤現場監測時，至少有2名監測人員同時在場。

2.3 評價標準

根據《工業X 射線探傷放射防護要求》（GBZ 117—2015）中規定的現場探傷作業分區設置要求，本項目探傷工作實際開機時間為1 h，按照標準中的公式計算，得出控制區邊界周圍劑量當量率為100 μSv/h，明顯大于15 μSv/h，從偏安全角度考慮，本次評價把探傷作業時周圍劑量當量率大于15 μSv/h 的范圍劃為控制區，大于2.5 μSv/h的范圍劃為監督區。

根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》（GB 18871—2002）中附錄B 的要求，職業人員連續5年的年平均有效劑量為20 mSv，公眾成員年有效劑量為1 mSv；一般審管部門選取該限值的1/4 作為職業人員管理約束值，選取該限值的1/10 作為公眾成員管理約束值。

3 研究結果

3.1 現場監測結果

XRS-3 型脈沖式X 射線數字成像系統工作電壓為135 kV，高空X 射線探傷檢測現場時周圍環境輻射劑量率監測結果見表1。

3.2 個人劑量監測結果

現場探傷工作人員在高空X 射線探傷作業期間均按要求佩戴個人劑量計及個人劑量報警儀，通過對輻射工作人員連續4個季度個人劑量計的測量，可得出負責高空X 射線探傷作業輻射工作人員所受到的額外附加累積輻射劑量，監測結果見表2。

表2 個人劑量監測結果

4 結果分析與評價

4.1 高空X射線探傷分區范圍理論估算

根據《工業X 射線探傷室輻射屏蔽規范》（GBZ/T 250—2014），在關注點處的劑量率可按以下公式進行估算。

4.1.1 泄露輻射

對于漏射、輻射屏蔽，采用以下公式計算關注點處的輻射劑量率：

其中，屏蔽投射因子的計算公式為

公式（1）中：R為輻射源點（靶點）至關注點的距離，m；HL為距離靶點1 m處X射線管組裝體的泄漏輻射劑量率量，μSv/h。公式（2）中：B為屏蔽透射因子，本項目無屏蔽措施，根據公式（2），B=1；X為屏蔽物質厚度，mm，本項目無屏蔽措施，取0；TVL為X射線在屏蔽物質中的什值層厚度，mm。根據《工業X射線探傷室輻射屏蔽規范》中表1的規定，X 射線管電壓＜150 kV 時，HL=1×103μSv/h，X射線最大管電壓為270 kV，HL=1 000 μSv/h；X射線管電壓大于200 kV時，HL=5×103μSv/h，X射線最大管電壓為270 kV時，HL=5 000 μSv/h。

4.1.2 散射輻射

關注點的散射輻射劑量率計算公式為

其中：I為X 射線探傷裝置在最高管電壓下的常用最高管電流，mA，本項目脈沖式X 射線與0.25 mA 恒定電位機的劑量率相當，按I=0.25 mA 計算。H0為距輻射源點（靶點）1 m 處的輸出量，μSv·m2/（mA·h），以mSv·m2/（mA·min）為單位的值乘以6×104。《工業X 射線探傷室輻射屏蔽規范》附表B.1 中并無135 kV 項，因此保守取150 kV 管電壓2 mm 鋁和3 mm 鋁過濾條件下輸出量的較大值18.3 mSv·m2/（mA·min）；表中無270 kV 項，保守取300 kV 管電壓2 mm 鋁和3 mm鋁過濾條件下輸出量的較大值20.9 mSv·m2/（mA·min）。B為屏蔽透射因子，本項目無屏蔽措施，根據公式（2），B=1。RS為散射體至關注點的距離，m，本項目取探傷位置至關注點的最近距離。F為R0處的輻射野面積，m2。a為散射因子，是入射輻射被單位面積（1 m2）散射體散射到距其1 m 處的散射輻射劑量率與該面積上的入射輻射劑量率之比。R0為輻射源點（靶點）至探傷工件的距離，m。

4.1.3 理論估算結果

根據公式計算不同工作電壓下非主射方向周圍劑量當量率，結果見表3。

表3 不同工作電壓下非主射方向周圍劑量當量率

由表3 的結果可知，在270 kV 的工作電壓下，非主射方向距離探傷機28 m處的劑量率為14.2 μSv/h，為控制區邊界；距離探傷機68 m 處的劑量率為2.43 μSv/h，為監督區邊界。在135 kV 的工作電壓下，非主射方向距離探傷機20 m處的劑量率為13.6 μSv/h，為控制區邊界；距離探傷機47 m 處的劑量率為2.50 μSv/h，為監督區邊界；從偏安全角度分析，現場分區應按最大工作電壓270 kV估算。

探傷機的安裝高度一般為20～40 m，結合高空探傷機作業特點，當探傷機的安裝高度大于28 m時，控制區邊界不涉及地面，地面僅涉及監督區，監督區范圍為55～62 m；當探傷機高度小于28 m 時，控制區邊界會涉及地面，半徑最大為20 m，監督區邊界半徑范圍為62～65 m。

4.2 人員受照劑量估算及分析

假設有1 200 根耐張線夾，每根耐張線夾探傷曝光的最長時間為3 s，年最大曝光時間為1 h。X-γ 射線產生的外照射人均年有效劑量按下列公式計算：

4.2.1 工作人員受照劑量估算

（1）地面上的工作人員。根據監測結果，將操作位1.35 μSv/h、監督區邊界處0.266 μSv/h（脈沖X 射線數字化成像系統在29 m 高探傷檢測時，扣除環境本底，下同）代入公式（4），可計算出輻射工作人員每年因操作設備受到的輻射劑量為0.001 4 mSv，每年因巡測而受到的輻射劑量為0.000 3 mSv。上述工作將由3名工作人員輪流進行，因此每名工作人員受到的輻射劑量為0.000 6 mSv。

（2）鐵塔上的工作人員。假設輸電線路工作人員在架空耐張線夾探傷檢測時留在鐵塔上進行其他工作，根據監測結果，將鐵塔上離探傷位置的最近點56.61 μSv/h 代入公式（4），可計算出輻射工作人員每年因操作設備而受到的輻射劑量為0.057 mSv。

4.2.2 公眾成員受照劑量估算

根據監測結果，將監督區邊界處0.266 μSv/h代入公式（4），可計算出以輸電線工作人員為代表的公眾成員每年因該項目受到的輻射劑量為0.000 3 mSv。在實際工作中，輸電線工作人員為流動人員，實際受到的輻射劑量遠小于0.000 3 mSv。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）脈沖式X射線探傷機產生的X射線工作電壓不穩定，受鋼板散射及天空反射等因素影響，探傷機正下方投影點周圍劑量當量率測值低于估算結果。相同探傷機高度周圍劑量當量率估算結果與監測結果的比較見表4。

表4 相同探傷機高度周圍劑量當量率估算結果與監測結果比較表

（2）鐵塔上的監測點距離探傷機位置水平距離較近，因此其輻射劑量率明顯高于地面。

（3）個人劑量監測結果與工作人員受照劑量估算結果相當，工作人員的職業性外照射個人監測結果符合《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中劑量限值的要求，同時也符合環保主管部門規定的年劑量管理約束值的要求。

（4）由分區估算結果可知，探傷機位置高度大于28 m 時，在地面可不設置控制區；探傷機位置高度為29 m 時，探傷機正下方投影點X 輻射劑量率測值為3.76 μSv/h，小于控制區邊界限值15 μSv/h，監測結果滿足不劃控制區的要求。

5.2 建議

①實施高空X 射線探傷檢測工作前應對地面工作場所實行分區管理，并且在控制區、監督區邊界設置“禁止進入X 射線區”的警告牌，探傷工作人員需確保控制區內沒有任何其他人員并防止其他人員進入控制區。現場探傷作業工作過程中，控制區內不應同時進行其他工作。②探傷檢測現場至少配置3 名工作人員，1 名探傷操作人員位于地面負責遠程操作，操作位置選擇在控制區外易于觀察探傷機的位置，1名登塔工作人員負責將探傷檢測設備固定在耐張線夾下方，完成后立即下塔，與另1 名監督工作人員共同負責區外的巡視與監護。③工作人員在試運行（或第一次曝光）期間，應測量控制區及監督區邊界的輻射劑量率，確認預設邊界設置是否合理，必要時可調整控制區及監督區的范圍和邊界。④高空X射線探傷檢測時，工作人員應按要求佩戴個人劑量計及個人劑量報警儀，并且盡可能遠離探傷位置操作，否則應采取專門的防護措施。⑤脈沖式X 射線探傷機產生的X射線瞬發劑量高、脈沖寬度窄且瞬發脈沖X射線能量不重復出現，因此連續穩定場的探測儀器不能準確地測量出脈沖X 射線輻射場的周圍劑量當量率；此外，采用累積劑量測量方式不能現場判斷探傷作業現場的“兩區”劃分是否符合標準要求。針對這些問題，建議有關部門制定高空X射線探傷檢測的專項輻射環境監測方法及評價標準。