架空输变电线路耐张线夹高空X射线探伤辐射环境监测与评价

江岳，何叶娜，贾力博，林晨

（广西壮族自治区辐射环境监督管理站，广西南宁 530022）

0 引言

耐张线夹作为“三跨”区段架空输电线路的关键连接部件，一旦投入使用，就不易拆卸更换［1］。耐张线夹的压接质量直接影响输电线路的安全稳定运行，采用X 射线探伤检测技术，能及时发现耐张线夹内部存在的缺陷［2］。随着X射线探伤检测设备向小型化发展，小型脉冲X 射线机与数字平板探测器组成的脉冲X 射线数字成像系统成为耐张线夹探伤检测的一种新技术［3］。本文以广西某220 kV 跨高速路架空输电线路耐张线夹作为典型探伤元件，研究小型脉冲式XRS-3 型X 射线数字成像系统的高空探伤检测，通过对该系统探伤检测的场所开展辐射环境监测，验证地面监督区和控制区设置的合理性，评价系统高空探伤检测对工作人员和公众成员产生的辐射影响，为监管部门及核技术利用企业的辐射安全管理提供数据支撑。

1 研究对象

1.1 探伤检测设备

本次架空耐张线夹探伤检测设备为脉冲式XRS-3型X射线数字成像系统，该系统是由脉冲X 射线探伤机、高分辨率图像采集单元、计算机图像处理单元、设备连接装置等组成的无损检测设备。脉冲X射线机产生的X射线穿过架空输变电线路耐张线夹，在数字成像板形成图像，图像经过无线接收设备传输到计算机上，即可清晰地显示耐张线夹内部的缺陷。XRS-3型脉冲式X 射线数字成像系统如图1所示。

XRS-3 型脉冲式X 射线数字成像系统的X 射线输出单个脉冲时间为25 ns，每秒钟15个脉冲，最大X光子能量为270 kV，平均X 光子能量为135 kV，可产生与0.25 mA 恒定电位机相当的剂量率，能穿透25 mm的钢片；X射线束角为40°。

1.2 耐张线夹

压缩型耐张线夹是由铝管和钢锚组成，钢锚用于接续和锚固钢芯铝绞线的钢芯，将导线和线夹结合在一起。压缩型耐张线夹外径为300～400 mm。

2 研究方案

2.1 探伤场所分区及检测流程

本次架空输电线路耐张线夹探伤检测所在的铁塔附近为山体树林，在铁塔下方设置临时施工平台。耐张线夹探伤检测位置高度分别为29 m、39 m、42 m。

2.1.1 探伤检测场所分区布局

根据环境评估报告，需要预设控制区及监督区开展试运行监测，并根据监测结果重新划分控制区及监督区。当探伤检测高度为29 m时，将距探伤位置下方投影点水平10 m内的范围设置为控制区，距探伤位置下方投影点水平25 m内的范围设置为监督区；当探伤检测高度为39 m 或42 m 时，将距探伤位置下方投影点水平5 m内的范围内设置控制区，距探伤位置下方投影点水平10 m内的范围设置为监督区。

在控制区和监督区的边界拉警戒线并设电离辐射警示标志。将探伤检测现场清场，无关的输电线路工作人员引导至监督区外，确保其他公众人员无法靠近探伤位置正下方投影点50 m的范围。

2.1.2 探伤检测流程

在地面组装脉冲X 射线探伤机与数字成像板，检测位置一般距离地面20～40 m，登塔工作人员到达检测位置后，通过滑轮将脉冲X射线数字成像系统固定在高空中的检测位置，然后撤到监督区外；地面工作人员在监督区内远程遥控开启脉冲X射线探伤机，成像板接收信号后经远程无线设备传输到地面的计算机，工作人员通过计算机观察判断压接质量。

2.2 辐射环境监测方案

2.2.1 监测点位的布设

监测点布设在探伤位置正下方地面、控制区边界处、监督区边界处、探伤设备操作位以及铁塔上探伤位置的水平最近点。

2.2.2 监测仪器

本次监测使用的仪器为AT1123X-γ 辐射剂量率仪，其能量响应范围为15～10 MeV；量程为50～10 Sv/h；测量结果均为周围剂量当量率H*（10），检定因子为0.99。

2.2.3 监测质量要求

辐射环境监测要求如下：①监测单位具有严格的质量管理体系、完善的质量管理制度和规范的工作程序文件，质量保证措施必须覆盖监测的全过程。②现场监测的设备需经国家法定计量检定机构检定。③监测工作人员需通过生态环境部辐射环境监测技术中心的考核，持证上岗。④监测仪器定期开展期间核查与稳定性检查，确保仪器稳定可靠。⑤现场监测时，至少有2名监测人员同时在场。

2.3 评价标准

根据《工业X 射线探伤放射防护要求》（GBZ 117—2015）中规定的现场探伤作业分区设置要求，本项目探伤工作实际开机时间为1 h，按照标准中的公式计算，得出控制区边界周围剂量当量率为100 μSv/h，明显大于15 μSv/h，从偏安全角度考虑，本次评价把探伤作业时周围剂量当量率大于15 μSv/h 的范围划为控制区，大于2.5 μSv/h的范围划为监督区。

根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB 18871—2002）中附录B 的要求，职业人员连续5年的年平均有效剂量为20 mSv，公众成员年有效剂量为1 mSv；一般审管部门选取该限值的1/4 作为职业人员管理约束值，选取该限值的1/10 作为公众成员管理约束值。

3 研究结果

3.1 现场监测结果

XRS-3 型脉冲式X 射线数字成像系统工作电压为135 kV，高空X 射线探伤检测现场时周围环境辐射剂量率监测结果见表1。

3.2 个人剂量监测结果

现场探伤工作人员在高空X 射线探伤作业期间均按要求佩戴个人剂量计及个人剂量报警仪，通过对辐射工作人员连续4个季度个人剂量计的测量，可得出负责高空X 射线探伤作业辐射工作人员所受到的额外附加累积辐射剂量，监测结果见表2。

表2 个人剂量监测结果

4 结果分析与评价

4.1 高空X射线探伤分区范围理论估算

根据《工业X 射线探伤室辐射屏蔽规范》（GBZ/T 250—2014），在关注点处的剂量率可按以下公式进行估算。

4.1.1 泄露辐射

对于漏射、辐射屏蔽，采用以下公式计算关注点处的辐射剂量率：

其中，屏蔽投射因子的计算公式为

公式（1）中：R为辐射源点（靶点）至关注点的距离，m；HL为距离靶点1 m处X射线管组装体的泄漏辐射剂量率量，μSv/h。公式（2）中：B为屏蔽透射因子，本项目无屏蔽措施，根据公式（2），B=1；X为屏蔽物质厚度，mm，本项目无屏蔽措施，取0；TVL为X射线在屏蔽物质中的什值层厚度，mm。根据《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》中表1的规定，X 射线管电压＜150 kV 时，HL=1×103μSv/h，X射线最大管电压为270 kV，HL=1 000 μSv/h；X射线管电压大于200 kV时，HL=5×103μSv/h，X射线最大管电压为270 kV时，HL=5 000 μSv/h。

4.1.2 散射辐射

关注点的散射辐射剂量率计算公式为

其中：I为X 射线探伤装置在最高管电压下的常用最高管电流，mA，本项目脉冲式X 射线与0.25 mA 恒定电位机的剂量率相当，按I=0.25 mA 计算。H0为距辐射源点（靶点）1 m 处的输出量，μSv·m2/（mA·h），以mSv·m2/（mA·min）为单位的值乘以6×104。《工业X 射线探伤室辐射屏蔽规范》附表B.1 中并无135 kV 项，因此保守取150 kV 管电压2 mm 铝和3 mm 铝过滤条件下输出量的较大值18.3 mSv·m2/（mA·min）；表中无270 kV 项，保守取300 kV 管电压2 mm 铝和3 mm铝过滤条件下输出量的较大值20.9 mSv·m2/（mA·min）。B为屏蔽透射因子，本项目无屏蔽措施，根据公式（2），B=1。RS为散射体至关注点的距离，m，本项目取探伤位置至关注点的最近距离。F为R0处的辐射野面积，m2。a为散射因子，是入射辐射被单位面积（1 m2）散射体散射到距其1 m 处的散射辐射剂量率与该面积上的入射辐射剂量率之比。R0为辐射源点（靶点）至探伤工件的距离，m。

4.1.3 理论估算结果

根据公式计算不同工作电压下非主射方向周围剂量当量率，结果见表3。

表3 不同工作电压下非主射方向周围剂量当量率

由表3 的结果可知，在270 kV 的工作电压下，非主射方向距离探伤机28 m处的剂量率为14.2 μSv/h，为控制区边界；距离探伤机68 m 处的剂量率为2.43 μSv/h，为监督区边界。在135 kV 的工作电压下，非主射方向距离探伤机20 m处的剂量率为13.6 μSv/h，为控制区边界；距离探伤机47 m 处的剂量率为2.50 μSv/h，为监督区边界；从偏安全角度分析，现场分区应按最大工作电压270 kV估算。

探伤机的安装高度一般为20～40 m，结合高空探伤机作业特点，当探伤机的安装高度大于28 m时，控制区边界不涉及地面，地面仅涉及监督区，监督区范围为55～62 m；当探伤机高度小于28 m 时，控制区边界会涉及地面，半径最大为20 m，监督区边界半径范围为62～65 m。

4.2 人员受照剂量估算及分析

假设有1 200 根耐张线夹，每根耐张线夹探伤曝光的最长时间为3 s，年最大曝光时间为1 h。X-γ 射线产生的外照射人均年有效剂量按下列公式计算：

4.2.1 工作人员受照剂量估算

（1）地面上的工作人员。根据监测结果，将操作位1.35 μSv/h、监督区边界处0.266 μSv/h（脉冲X 射线数字化成像系统在29 m 高探伤检测时，扣除环境本底，下同）代入公式（4），可计算出辐射工作人员每年因操作设备受到的辐射剂量为0.001 4 mSv，每年因巡测而受到的辐射剂量为0.000 3 mSv。上述工作将由3名工作人员轮流进行，因此每名工作人员受到的辐射剂量为0.000 6 mSv。

（2）铁塔上的工作人员。假设输电线路工作人员在架空耐张线夹探伤检测时留在铁塔上进行其他工作，根据监测结果，将铁塔上离探伤位置的最近点56.61 μSv/h 代入公式（4），可计算出辐射工作人员每年因操作设备而受到的辐射剂量为0.057 mSv。

4.2.2 公众成员受照剂量估算

根据监测结果，将监督区边界处0.266 μSv/h代入公式（4），可计算出以输电线工作人员为代表的公众成员每年因该项目受到的辐射剂量为0.000 3 mSv。在实际工作中，输电线工作人员为流动人员，实际受到的辐射剂量远小于0.000 3 mSv。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）脉冲式X射线探伤机产生的X射线工作电压不稳定，受钢板散射及天空反射等因素影响，探伤机正下方投影点周围剂量当量率测值低于估算结果。相同探伤机高度周围剂量当量率估算结果与监测结果的比较见表4。

表4 相同探伤机高度周围剂量当量率估算结果与监测结果比较表

（2）铁塔上的监测点距离探伤机位置水平距离较近，因此其辐射剂量率明显高于地面。

（3）个人剂量监测结果与工作人员受照剂量估算结果相当，工作人员的职业性外照射个人监测结果符合《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中剂量限值的要求，同时也符合环保主管部门规定的年剂量管理约束值的要求。

（4）由分区估算结果可知，探伤机位置高度大于28 m 时，在地面可不设置控制区；探伤机位置高度为29 m 时，探伤机正下方投影点X 辐射剂量率测值为3.76 μSv/h，小于控制区边界限值15 μSv/h，监测结果满足不划控制区的要求。

5.2 建议

①实施高空X 射线探伤检测工作前应对地面工作场所实行分区管理，并且在控制区、监督区边界设置“禁止进入X 射线区”的警告牌，探伤工作人员需确保控制区内没有任何其他人员并防止其他人员进入控制区。现场探伤作业工作过程中，控制区内不应同时进行其他工作。②探伤检测现场至少配置3 名工作人员，1 名探伤操作人员位于地面负责远程操作，操作位置选择在控制区外易于观察探伤机的位置，1名登塔工作人员负责将探伤检测设备固定在耐张线夹下方，完成后立即下塔，与另1 名监督工作人员共同负责区外的巡视与监护。③工作人员在试运行（或第一次曝光）期间，应测量控制区及监督区边界的辐射剂量率，确认预设边界设置是否合理，必要时可调整控制区及监督区的范围和边界。④高空X射线探伤检测时，工作人员应按要求佩戴个人剂量计及个人剂量报警仪，并且尽可能远离探伤位置操作，否则应采取专门的防护措施。⑤脉冲式X 射线探伤机产生的X射线瞬发剂量高、脉冲宽度窄且瞬发脉冲X射线能量不重复出现，因此连续稳定场的探测仪器不能准确地测量出脉冲X 射线辐射场的周围剂量当量率；此外，采用累积剂量测量方式不能现场判断探伤作业现场的“两区”划分是否符合标准要求。针对这些问题，建议有关部门制定高空X射线探伤检测的专项辐射环境监测方法及评价标准。