潘　捷，　楊康駿，　劉世昊，　高　雷（上海核工程研究設(shè)計院，上海200233）

核級HEPA過濾器及試驗裝置的設(shè)計研究及驗證

潘捷，楊康駿，劉世昊，高雷
（上海核工程研究設(shè)計院，上海200233）

核級HEPA（High Efficiency Particle Air）過濾器是核電廠空氣凈化系統(tǒng)的重要部件，用于消除在核電廠反應(yīng)堆運(yùn)行過程中產(chǎn)生的放射性微粒子。本文從核級HEPA過濾器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能參數(shù)、試驗裝置設(shè)計和基于獨(dú)立第三方認(rèn)證的性能檢測試驗等方面做了詳細(xì)論述。

核電廠空氣凈化系統(tǒng)； 核級HEPA過濾器； 獨(dú)立第三方認(rèn)證

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.011

0　引言

核電廠空氣凈化系統(tǒng)是核電廠的重要輔助系統(tǒng)，正常運(yùn)行工況下為電廠工作人員及設(shè)備提供一個安全的環(huán)境；事故工況下捕集放射性核素，防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境擴(kuò)散；事故后及時去除環(huán)境中放射性碘同位素和微粒子粒子物質(zhì)（氣溶膠），為核電廠工作人員的進(jìn)入提供安全環(huán)境。核空氣凈化系統(tǒng)的性能對于保障核電廠人員和環(huán)境安全至關(guān)重要。核級高效粒子空氣過濾器（核級HEPA過濾器）是核電廠核空氣凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于去除放射性微粒子。因此，核級HEPA過濾器的性能直接影響到核空氣凈化系統(tǒng)的性能。

眾所周知，中國核電技術(shù)體系眾多。不同技術(shù)體系對應(yīng)了不同的核級HEPA過濾器標(biāo)準(zhǔn)。不同標(biāo)準(zhǔn)之間雖然主要技術(shù)要求相同但并不完全兼容。目前國內(nèi)核級HEPA過濾器遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)有GB17939（例如：秦山一期、秦山二期和大亞灣等）和ASME AG-1 FC卷（例如：秦山三期、三門一期和海陽一期等）。而國產(chǎn)和進(jìn)口核級HEPA過濾器產(chǎn)品多為單一標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系適用。

核級HEPA過濾器產(chǎn)品在出廠前必須進(jìn)行微粒子通過率檢測，目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17939-2008）對核級HEPA濾器的透過率檢測采用鈉焰法，是我國現(xiàn)行的主要空氣過濾器通過率檢測方法。但鈉焰法檢測靈敏度較低，人為誤差因素較大，技術(shù)水平已相對落后。國際上較為先進(jìn)的空氣過濾器透過率檢測采用粒子計數(shù)法，該方法具有靈敏度高，測試誤差小等優(yōu)點(diǎn)，對于過濾器性能檢測更嚴(yán)格。ASME AG-1 FC卷對核級HEPA過濾器通過率檢測采用呈單分散相直徑為0.3μm粒徑的鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）試驗用氣溶膠進(jìn)行粒子計數(shù)法檢測。但DOP中含有化學(xué)物質(zhì)苯環(huán)，是一種致癌物質(zhì)。因此，具有一定的職業(yè)健康安全隱患。

本文針對核級HEPA過濾器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能參數(shù)、試驗裝置設(shè)計和基于獨(dú)立第三方認(rèn)證的性能檢測試驗等方面做了詳細(xì)論述。鑒于國內(nèi)核級HEPA過濾器產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)一種滿足不同標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求且檢測方法更為安全可靠的核級HEPA過濾器是非常必要的。

1　核級HEPA過濾器的設(shè)計［1，2］

1.1核級HEPA過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

核級HEPA過濾器適用于最高連續(xù)溫度為120℃的空氣和氣體氣流中的折疊濾料一次性的干型過濾器。過濾器的主體結(jié)構(gòu)類型為折疊濾料，帶波紋狀分隔物/支撐物，即ASME AG-1的FC卷中的A型高效粒子空氣過濾器。過濾器由濾芯、框架、密封膠和密封墊組成，濾芯按其深度將濾料往返折疊制成，但在被折疊的濾料之間用波紋狀分隔板支撐著，形成空氣通道的過濾器。過濾器尺寸為610×610×292mm，濾料總面積為23.6m2，最大濾速為1.52m/min。過濾器如圖1所示。

1.2核級HEPA過濾器的工作原理

核級HEPA過濾器采用玻璃纖維過濾材料對放射性在微粒子進(jìn)行攔截，但不對氣流形成過大的阻力。玻璃纖維濾紙的特性符合這一要求，雜亂交織的纖維形成對粉塵的無數(shù)道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流順利通過碰撞并粘住。玻璃纖維濾芯顯微鏡照片如圖2所示。

圖1　核級HEPA過濾器結(jié)構(gòu)

圖2　濾芯顯微鏡照片

空氣中的塵埃粒子，或隨氣流作慣性運(yùn)動，或作無規(guī)則運(yùn)動，或受某種場力的作用而移動。當(dāng)運(yùn)動中的粒子撞到障礙物，粒子與障礙物表面間存在的范德瓦爾斯力使它們粘在一起。經(jīng)過使用的濾芯顯微鏡照片如圖3所示。

圖3　使用過的濾芯顯微照片

空氣中的小粒子作無規(guī)則的布朗運(yùn)動。粒徑越小，無規(guī)則運(yùn)動越劇烈，撞擊障礙物的機(jī)會越多，因此過濾效果越好。效率隨粒徑大小而異，圖4中的小粒子主要表現(xiàn)為擴(kuò)散。

圖4　擴(kuò)散原理

大粒子在氣流中作慣性運(yùn)動，氣流遇障繞行，粒子因慣性偏離氣流方向并撞擊到障礙物上。粒子越大，慣性力越強(qiáng)，撞擊障礙物的可能性越大，因此過濾效果越好。過濾器捕集微粒子量與未過濾空氣中的微粒子量之比為“過濾效率”。小于0.1μm的粒子主要作擴(kuò)散運(yùn)動，粒子越小，效率越高；大于0.5μm的粒子主要作慣性運(yùn)動，粒子越大，效率越高。在0.1～0.3μm之間，效率有一處最低點(diǎn)，該粒徑大小的氣溶膠最難過濾。

1.3核級HEPA過濾器的性能參數(shù)

表1　核級HEPA過濾器技術(shù)參數(shù)

2　核級HEPA過濾器合格鑒定試驗［3］

2.1核級HEPA過濾器合格鑒定試驗要求

核級與民用HEPA過濾器在結(jié)構(gòu)形式、主要材料和制造工藝上基本相同，主要區(qū)別在于核級HEPA過濾器產(chǎn)品在制造完成后需經(jīng)過更嚴(yán)苛的合格鑒定試驗，鑒定試驗全部通過后產(chǎn)品才能在核電廠內(nèi)使用。合格鑒定試驗通常是一項破壞性的試驗，對過濾器樣品進(jìn)行試驗以確定其性能是否滿足要求。測試結(jié)果被認(rèn)為是能具備典型性或能代表那些具有相同設(shè)計且在相同生產(chǎn)工藝制造的型式。由于不同技術(shù)體系下的核級HEPA過濾器標(biāo)準(zhǔn)對于鑒定試驗的要求并不完全兼容，因此在過濾器的設(shè)計中充分考慮了產(chǎn)品的廠址適應(yīng)性。特別是鑒定試驗內(nèi)容和要求涵蓋了目前國內(nèi)運(yùn)行核電廠適用的主流標(biāo)準(zhǔn)ASME AG-1、UL586和GB/T 17939。核級HEPA過濾器的試驗項目、試驗?zāi)康暮筒煌瑯?biāo)準(zhǔn)要求的比對詳見表2。

表2　核級HEPA過濾器合格鑒定試驗試驗要求及目的

2.2核級HEPA過濾器合格鑒定試驗裝置的設(shè)計［4］

為滿足合格鑒定試驗條件，專門設(shè)計并制造了一套專用試驗裝置包括：過濾器阻力、效率試驗臺（專利號：ZL201220597049.6），過濾器超壓試驗臺，過濾器耐熱空氣試驗臺（ZL201220597047.7）。過濾器阻力、效率試驗臺不僅在合格鑒定試驗中使用，每一臺過濾器產(chǎn)品出廠時都需要進(jìn)行效率測試。過濾器阻力、效率試驗臺由百級潔凈室、高效過濾器、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)中效過濾器、粗效過濾器、多分散相發(fā)塵器、氣溶膠上游下游采樣管、壓力計、風(fēng)量測量儀、噴嘴和測試風(fēng)道等部件組成。采用了雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)保證測試風(fēng)道內(nèi)為微正壓，使外部空氣不會滲入到測試風(fēng)道內(nèi)。測試空氣經(jīng)過粗中高效三級過濾器，形成潔凈度達(dá)到百級的氣源，使測試過程不會受到大氣環(huán)境變化的影響。過濾器阻力、效率試驗臺如圖5所示。

過濾器阻力、效率試驗臺采用多分散相試驗氣溶膠作為塵源，采用激光粒子計數(shù)器測定計數(shù)效率，壓差計測定濾料的阻力。測試空氣經(jīng)粗中高效三級過濾器過濾后與氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的氣溶膠混合。通過氣溶膠混合段，使氣溶膠和測試空氣混合均勻。經(jīng)過被測過濾器上游，同時激光粒子計數(shù)器通過上游采樣管對上游進(jìn)行采樣，測出過濾器上游粒子數(shù)。隨后，混合空氣穿過被測過濾器，大部分粒子被過濾器過濾，過濾后的空氣經(jīng)過一段直管道后，激光粒子計數(shù)器通過下游采樣管對下游進(jìn)行采樣，得出下游采樣數(shù)，其余空氣經(jīng)過管道流量測量裝置測試出風(fēng)量后排出。

鑒于ASME AG-1 FC卷中使用的氣溶膠為鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）為致癌物質(zhì)，試驗臺采用的試驗用氣溶膠為癸二酸二辛酯（DEHS）多分散相氣溶膠用于替代DOP。另外，ASME AG-1中采用基本呈單分散相0.3μm直徑粒子的試驗用氣溶膠進(jìn)行試驗，而本文采用多分散相氣溶膠，其粒徑分布包括0.1、0.2、0.3、0.5μm等不同粒徑顆粒，并測試不同粒徑顆粒的透過率。如果不同粒徑的透過率均滿足透過率要求，則可更加保守的認(rèn)為過濾器性能是合格的。

圖5　阻力、效率測試裝置1-粗效過濾器　2-中效過濾器　3-送風(fēng)機(jī)　4-高效過濾器　5-百級潔凈室　6-溫濕度測量儀　7-多分相發(fā)塵器8-上游采樣管　9-被測過濾器　10-壓力計　11-下游采樣管　12-風(fēng)量測量儀　13-噴嘴　14-排風(fēng)機(jī)　15-激光粒子計數(shù)器

3　基于獨(dú)立第三方認(rèn)證的核級HEPA過濾器合格鑒定試驗

3.1核級HEPA過濾器第三方認(rèn)證

由于結(jié)構(gòu)特性和制作工藝限制，空氣過濾器具有在產(chǎn)品質(zhì)量上無連續(xù)性的特點(diǎn)，即過濾器成品無法做到100%合格率。鑒于此，美法等核電強(qiáng)國非常重視核級HEPA過濾器的質(zhì)量問題。目前而言，解決這一問題行之有效的方法為由獨(dú)立于供貨商和采購方的且具有相應(yīng)資質(zhì)的第三方介入，為核級HEPA過濾器進(jìn)行認(rèn)證和試驗。只有通過獨(dú)立第三方認(rèn)證的過濾器，才能夠在核電廠中使用。目前國內(nèi)并沒有專門針對核級空氣過濾器的獨(dú)立第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)，因此，通過具備專業(yè)技術(shù)能力的同濟(jì)大學(xué)供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)實驗室作為獨(dú)立第三方，對過濾器試驗臺的適用性和合格鑒定試驗進(jìn)行認(rèn)證。同時為了確保試驗結(jié)果的真實可靠，所有試驗臺性能驗證和試驗測試都有第三方完成。

3.2核級HEPA過濾器合格鑒定試驗方法和步驟

3.2.1試驗用氣溶膠透過率試驗

在阻力、效率測試臺上，使用激光粒子計數(shù)器，在額定風(fēng)量（1700m3/h）條件下分別測試過濾器上下游為粒子數(shù)，各測四次，然后根據(jù)透過率公式計算0.3μm的透過率，公式為：透過率=下游粒子數(shù)/上游粒子數(shù)。而過濾效率=1-透過率。將測試臺風(fēng)量調(diào)整到340m3/h （20%）條件下測試過濾器，方法同上。

3.2.2阻力試驗

將測試臺風(fēng)量分別調(diào)整到50%（850m3/h）、75% （1275m3/h）、100%（1700m3/h）、125%（2125m3/h）額定風(fēng)量，采用指針式壓差表測試過濾器上下游的壓差得到其阻力值。

3.2.3耐干超壓試驗

按3.2.1和3.2.2節(jié)進(jìn)行額定風(fēng)量下的透過率、阻力試驗。在室溫條件下，以達(dá)到10倍于過濾器阻力的風(fēng)量，試驗15分鐘。然后再按3.2.1節(jié)進(jìn)行額定風(fēng)量下的透過率試驗，其透過率不應(yīng)超過0.03%。

3.2.4耐濕超壓試驗

按3.2.1和3.2.2節(jié)進(jìn)行額定風(fēng)量下的透過率、阻力試驗。過濾器放在溫度為35℃±3℃、相對濕度為95± 5%的恒溫恒濕箱中、在大氣壓力下放置至少24h后，取出過濾器，裝入保溫袋中，至開始試驗不應(yīng)超過15min，此后，過濾器經(jīng)受下表所列風(fēng)量和噴水環(huán)境，濾料不破裂。

完成上述耐濕超壓試驗結(jié)束后15min內(nèi)，在過濾器依然潮濕的情況下，然后再按3.2.1節(jié)進(jìn)行20%額定風(fēng)量下的透過率試驗，其透過率不應(yīng)超過0.03%。

表3　耐濕超壓試驗條件

3.2.5耐顛簸鑒定試驗

對過濾器外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查。將過濾器通過綁帶固定在電子振動試驗臺上（進(jìn)出風(fēng)面和褶幅應(yīng)豎直）。按照GB/T 17939中6.2.1節(jié)的振動要求進(jìn)行試驗后，再對過濾器外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，如果邊框開裂或變形、角上或連接處松開、粘接劑開裂、濾料、分隔物或防護(hù)網(wǎng)松開或變形，過濾器均不合格。顛簸試驗后根據(jù)3.2.1、3.2.2節(jié)對過濾器進(jìn)行測試，然后其透過率不應(yīng)超過0.03%，其過濾器阻力不應(yīng)超過250Pa。

3.2.6耐熱空氣鑒定試驗

將試驗管道內(nèi)空氣加熱到370℃±25℃。將過濾器放在試驗管道內(nèi)，在額定風(fēng)量的熱空氣下至少放置5min。經(jīng)受熱空氣后，過濾器應(yīng)在額定風(fēng)量下測試實驗用氣溶膠透過濾料、外框和密封墊或密封膠的透過率。然后再按3.2.1節(jié)進(jìn)行額定風(fēng)量下的透過率試驗，其透過率不應(yīng)超過3%。

3.2.7耐明火鑒定試驗

將過濾器裝入試驗風(fēng)管中，風(fēng)量調(diào)整到額定風(fēng)量。將本生燈的氣體火焰對著過濾器的上游側(cè)。調(diào)節(jié)本生燈以產(chǎn)生一個藍(lán)色錐體長度為63mm、前端溫度為955±25℃的火焰，溫度由插入火焰的熱電偶測量。錐體前端要接觸濾料的表面，離開過濾器邊框的距離不小于51mm。用火焰灼燒過濾器端面的三個不同的地方，每個地方持續(xù)5min。然后，把本生燈的火焰置于過濾器的一個上角上，使蘭色錐體的前端接觸邊框、濾芯和密封材料。時間持續(xù)5min。在過濾器樣品的另一個上角重復(fù)進(jìn)行本試驗。試驗火焰從每一點(diǎn)移開后，過濾器下游端面不應(yīng)有持續(xù)的噴火現(xiàn)象。

3.2.8耐輻照鑒定試驗

先按3.2.1和3.2.2節(jié)對參加試驗的過濾器進(jìn)行額定風(fēng)量下的阻力和透過率（或效率）以及20%額定風(fēng)量的透過率（或效率）試驗，然后進(jìn)行輻照實驗。吸收劑量率不大于2×103Gy/h，累積吸收劑量不小于8×105Gy。然后再按3.2.1節(jié)做包括密封墊在內(nèi)的額定風(fēng)量下透過率試驗，其透過率不應(yīng)超過0.03%。

3.2.9抗震鑒定

高效粒子空氣過濾器應(yīng)按照ASME AG-1中的AA卷進(jìn)行抗震試驗或抗震分析，驗證其抗震性能合格。3.2.10耐低溫鑒定試驗

先將過濾器在溫度為25℃、相對濕度為50±5%的靜態(tài)環(huán)境下，放置24h。然后將過濾器放入3±2℃的靜態(tài)環(huán)境下，再放置24h。最后將過濾器放回25℃環(huán)境下，待回溫后，過濾器應(yīng)在額定風(fēng)量下測試試驗用氣溶膠透過濾料、外框和密封墊或密封膠的透過率。然后再按3.2.1節(jié)進(jìn)行額定風(fēng)量下的透過率試驗，其透過率不應(yīng)超過0.03%。

3.3核級HEPA過濾器合格鑒定試驗結(jié)果

核級HEPA過濾器抗震鑒定采用抗震分析方法進(jìn)行計算，計算結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。核級HEPA過濾器合格鑒定試驗結(jié)果見表4～表6。

表4　核級HEPA過濾器合格鑒定試驗結(jié)果

表4　核級HEPA過濾器合格鑒定試驗結(jié)果（續(xù)1）

表4　核級HEPA過濾器合格鑒定試驗結(jié)果（續(xù)2）

4　結(jié)語

核級HEPA過濾器采用了較為先進(jìn)的基于多分散相粒子計數(shù)法進(jìn)行過濾器效率鑒定試驗，氣溶膠粒徑選擇余地更大，測試結(jié)果更可靠。試驗用氣溶膠采用了更為安全可靠的癸二酸二辛酯（DEHS）多分散相氣溶膠，大大降低了人員健康風(fēng)險。過濾器試驗裝置和合格鑒定試驗通過了獨(dú)立第三方認(rèn)證，試驗結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。過濾器合格鑒定試驗要求涵蓋目前國內(nèi)外主要的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使過濾器產(chǎn)品具有良好的廠址適應(yīng)性，可在AP1000及其他各型核電廠及核工程核空氣凈化系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，具有較好的實用價值。

［1］GB/T 17939-2008，核級高效粒子空氣過濾器［S］.

［2］ASME AG-1-2009，Code on Nuclear Air and Gas Treatment［S］.

［3］UL586-2004，High-Efficiency，Particulate，Air Filter Units［S］.

［4］ASME N509-2002，Nuclear Power Plant Air-Cleaning Units and Components［S］.

Design Research and Verification of Nuclear Related HEPA Filters and Testing Apparatus

PAN Jie， YANG Kang-Jun， LIU Shi-hao， GAO Lei
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China）

Nuclear related HEPA Filter is an important part of nuclear power plant air cleaning system.It is used for eliminating radioactive particle that is generated during the operation of nuclear power plant reactor.The paper demonstrates the operational principle，structural design，performance，design of testing apparatus and tests based on independent third party qualification.

nuclear power plant air cleaning system； nuclear related HEPA filters； independent third party aualification

TM623.8

B

2095-3429（2015）02-0038-05

潘捷（1983-），男，上海人，碩士，工程師，從事核電廠機(jī)械設(shè)備設(shè)計工作；

楊康駿（1984-），男，上海人，碩士，工程師，從事核電廠暖通動力系統(tǒng)設(shè)計工作；

劉世昊（1986-），男，上海人，碩士，工程師，從事核電廠暖通動力系統(tǒng)設(shè)計工作；

高雷（1976-），男，上海人，本科，高級工程師，從事核電廠機(jī)械設(shè)備設(shè)計工作。

2015-03-26

2015-04-27