汪明文，梁 飛，馬途途，邱繼林 ，王 琪，李鴻飛，徐洋洋

(1.防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001；2.中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

核電廠空氣凈化系統(tǒng)一般由過濾放射性氣溶膠的高效過濾器和吸附放射性碘的浸漬活性炭碘吸附器組成。為了確保其有效性，需要在這些系統(tǒng)的建成驗(yàn)收階段進(jìn)行性能試驗(yàn)，并且在商運(yùn)后也要定期進(jìn)行性能試驗(yàn)。對于碘吸附器的性能試驗(yàn)而言，目前一般有兩種方法:第一種方法是直接用放射性甲基碘示蹤的氣體在現(xiàn)場進(jìn)行碘吸附器除碘的效率試驗(yàn)，其特點(diǎn)是凈化系統(tǒng)對放射性碘吸附效率的直接測量；第二種方法是在現(xiàn)場使用非放射性的示蹤氣體(氟利昂等)進(jìn)行機(jī)械泄漏檢測，同時(shí)提取與現(xiàn)場碘吸附劑具有同樣運(yùn)行歷史的樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件下的放射性甲基碘吸附效率試驗(yàn)，其特點(diǎn)是凈化系統(tǒng)對放射性碘吸附效率的間接測量[1]。早期核空氣凈化系統(tǒng)的吸附劑取樣裝置多焊接在凈化小室內(nèi)排架上，取樣樣杯的數(shù)量受限，且取樣時(shí)需要打開凈化小室邊界而不得不對其密封性進(jìn)行重新鑒定[1]。而外部取樣技術(shù)使取樣樣杯數(shù)量及體積不再受空間所限,改善了取樣時(shí)的工作環(huán)境,減少了拆裝取樣器時(shí)的工作量,降低了輻照風(fēng)險(xiǎn)和防止表面污染[2]，因此作者設(shè)計(jì)了一種可以安裝于凈化系統(tǒng)外部的吸附劑取樣裝置，并對其結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)及驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

1 取樣裝置結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)及材料

該取樣裝置主要由進(jìn)氣總管、進(jìn)氣氣流分配箱、取樣樣杯、氣流參數(shù)監(jiān)測口、出氣總管和附件等部分組成，其結(jié)構(gòu)示于圖1。

1—進(jìn)氣總口；2—隔離調(diào)節(jié)閥門；3—進(jìn)氣總管；4—進(jìn)氣氣流分配箱進(jìn)氣口快接；5—進(jìn)氣氣流分配箱；6—進(jìn)氣氣流分配箱出氣口快接；7—進(jìn)氣U型彎管；8—?dú)饬鲄?shù)測量口；9—取樣樣杯；10—出氣U型管；11—出氣氣流分配箱；12—出氣氣流分配箱出氣口快接；13—固定支架；14—取樣出氣總管；15—取樣出氣總口。

1.1.1進(jìn)氣總管和出氣總管

包括進(jìn)出氣量隔離調(diào)節(jié)閥門、進(jìn)出氣流分配箱進(jìn)出口快接，其功能是將通過吸附器的氣流取出，流經(jīng)取樣樣杯中吸附劑后流回吸附器后端。通過氣量隔離調(diào)節(jié)閥門的調(diào)節(jié)，使通過取樣樣杯中吸附劑的氣流比速與吸附器內(nèi)相同。

1.1.2進(jìn)出氣流分配箱

通過進(jìn)氣氣流分配箱自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)減少進(jìn)氣總管氣流動壓損失、增加靜壓、穩(wěn)定氣流和減少氣流振動，獲得均勻的靜壓出氣，保證氣流均勻地通過每一個(gè)活性炭樣杯[3]。

1.1.3取樣樣杯

取樣樣杯包括法蘭、樣杯外壁、壓板及穿孔網(wǎng)板，結(jié)構(gòu)示于圖2。取樣樣杯被隔離網(wǎng)板分為兩級，分別對應(yīng)于一級和二級吸附器。樣杯中填充與吸附器同批次活性炭吸附劑，且與吸附器具有相同的床深[4]。通過法蘭連接方式將取樣樣杯密封安裝于取樣裝置中實(shí)現(xiàn)可靠密封和快速裝取。

1—法蘭；2—壓板；3—穿孔網(wǎng)板；4—樣杯外壁；5—隔離網(wǎng)板。

1.1.4氣流參數(shù)監(jiān)測

通過取樣裝置上的預(yù)留氣流參數(shù)監(jiān)測口對氣流參數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測，確保取樣裝置能提供具有代表性的活性炭樣品。

此外，取樣還包括固定支架、連接件、參數(shù)監(jiān)測口堵頭等附件。各部件間盡量采用法蘭連接，以保證整體的氣密性。主要部件采用不銹鋼材料，其表面經(jīng)電鍍或其他表面處理，因此整機(jī)具有良好的抗腐蝕性能。

1.2 工作過程

1.2.1裝填吸附劑

系統(tǒng)首次運(yùn)行或更換吸附器前，首先松開法蘭上的固定螺栓，取下取樣樣杯進(jìn)行吸附劑的填裝，取樣樣杯內(nèi)的吸附劑填裝完成后，通過法蘭將取樣樣杯回裝，并將螺栓擰緊使法蘭上的密封墊均勻壓縮以實(shí)現(xiàn)可靠密封。

1.2.2運(yùn)行過程

系統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟動后，吸附器前端的氣流通過進(jìn)氣總口被引入到進(jìn)氣氣流分配箱內(nèi)，進(jìn)行氣流分配后進(jìn)入各個(gè)進(jìn)氣分支通道并被導(dǎo)入到各個(gè)取樣樣杯中，氣流中污染物被取樣樣杯中的吸附劑吸附后，氣流進(jìn)入到出氣氣流分配箱體并由出氣總口回到吸附器后端。該取樣裝置相當(dāng)于與吸附器并聯(lián)的微型吸附器，吸附器中的氣流同時(shí)進(jìn)入到取樣裝置的各個(gè)取樣樣杯中，與凈化系統(tǒng)中的吸附器同步進(jìn)行氣流中污染物吸附[5]。由于取樣樣杯中吸附劑與吸附器中吸附劑是同批次且同時(shí)暴露于同樣氣流的污染物中，因此取樣裝置能夠提供具有代表吸附劑運(yùn)行歷史的樣品。

2 樣機(jī)性能測試裝置及測試條件

為確保取樣的代表性，美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME N509和ASME AG-1中對此作了具體規(guī)定。因此樣機(jī)設(shè)計(jì)及加工完成后，必須對相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，并判斷其能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 測試裝置

測試裝置流程示于圖3。利用此裝置可進(jìn)行氣流分布和性能試驗(yàn)測試。

圖3 試驗(yàn)流程圖

2.2 測試條件

取樣裝置氣流分布及性能影響試驗(yàn)的前提是凈化單元和取樣裝置無泄漏，吸附器安裝和樣杯中吸附劑填裝到位，整體無泄漏。

在氣流分布試驗(yàn)開始前，首先使用氟利昂法進(jìn)行測試裝置的整體機(jī)械泄漏率檢測[6]，再根據(jù)公式(1)計(jì)算測試裝置整體的機(jī)械泄漏率：

L=100×(Cd/Cu)

(1)

式中，Cd為下游氣體中的氟利昂濃度；Cu為上游氣體中的氟利昂濃度；L為泄漏率(%)。

系統(tǒng)氣流參數(shù)為：風(fēng)量1 189 m3/h，溫度(上/下)15.8 ℃/16.0 ℃，濕度(上/下)24.3%/23.0%，吸附器壓差470 Pa。

試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

表1 上游和下游氣體中氟利昂濃度隨時(shí)間的變化

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可判定該裝置無機(jī)械泄漏，滿足試驗(yàn)的前提條件。

3 測試結(jié)果

測試試驗(yàn)分為取樣裝置的氣流分布、性能影響試驗(yàn)和凈化單元影響試驗(yàn)。

3.1 氣流分布試驗(yàn)

在一定氣流流量運(yùn)行情況下(風(fēng)量依次為1 271 m3/h、1 347 m3/h、1 453 m3/h、1 060 m3/h、969 m3/h)，分別測量取樣樣杯前后的壓差和流量，并與系統(tǒng)中吸附器前后的壓差和流量進(jìn)行比較，其中系統(tǒng)氣流參數(shù)為：溫度(上/下)15.8/16.0 ℃，濕度(上/下)24.3%/23.0%，不同風(fēng)量下系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的流速分布和壓差分布試驗(yàn)結(jié)果示于圖4和圖5。

圖4 吸附器及樣杯流速分布

圖5 吸附器及樣杯壓差分布

由圖4可知，各樣杯流速均在吸附器流速的±10%之內(nèi)，可以確保每個(gè)樣杯的碘吸附劑都與碘吸附器主體內(nèi)吸附劑具有相同的氣流接觸特性。圖5中可以看出，各個(gè)樣杯壓差很接近，進(jìn)一步證明氣流幾乎是平均分配到每一樣杯中的，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。說明該取樣裝置結(jié)構(gòu)本身具有將風(fēng)量平均分配給六個(gè)樣杯的特性。

3.2 性能影響試驗(yàn)

模擬取樣裝置運(yùn)行工況，通過試驗(yàn)驗(yàn)證拆除樣杯之后對剩余樣杯是否有影響，是否還滿足取樣代表性要求。試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)氣流參數(shù)為：風(fēng)量1 254 m3/h，溫度(上/下)15.8/16.0 ℃，濕度(上/下)24.3/23.0%，試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 拆除樣杯對其他樣杯的流速/壓差分布影響

從表2可以看出，隨著拆除樣杯數(shù)量的增多(拆除后用堵頭進(jìn)行封堵)，剩余運(yùn)行樣杯中的流速和壓差將增大，甚至剩余樣杯中的流速會超出吸附劑流速10%以上，進(jìn)而使得剩余運(yùn)行樣杯的取樣不再具有代表性。因此，建議拆除樣杯之后安裝新的帶吸附劑樣杯而不是用堵頭進(jìn)行封堵，防止剩余樣杯的樣品與碘吸附器主體的氣流接觸特性不一致。

3.3 凈化單元影響試驗(yàn)

為驗(yàn)證增加吸附劑取樣裝置后對凈化單元的影響，模擬一定的實(shí)驗(yàn)條件，在有無取樣裝置下，進(jìn)行了氟利昂法[6-7]的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 取樣裝置對凈化單元的影響試驗(yàn)結(jié)果

表3中可以看出，加裝取樣裝置前后，泄漏率、系統(tǒng)總壓、總運(yùn)行風(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果變化基本一致。說明取樣裝置符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且對凈化單元本身沒有影響。

綜上所述，該樣杯裝置完全能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，取樣具有代表性，因此該取樣裝置是可行的。

4 結(jié)論及建議

試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的取樣裝置的各個(gè)取樣樣杯壓差一致性好，且流速均在凈化單元設(shè)計(jì)流速的±10%之內(nèi)，在實(shí)際系統(tǒng)風(fēng)量變化時(shí)，仍然能確保取樣的代表性；加裝取樣裝置后，系統(tǒng)的泄漏率、系統(tǒng)總壓、總運(yùn)行風(fēng)量等參數(shù)變化不顯著，加裝取樣裝置對凈化單元本身沒有影響。

拆除樣杯試驗(yàn)結(jié)果表明，拆除某個(gè)樣杯后采用封堵方式保證密封性，會造成剩余運(yùn)行樣杯中的流速和壓差增大，流速超過吸附劑流速的10%，因此建議拆除樣杯之后安裝新的樣杯，保證取樣的代表性。