一種核空氣凈化系統(tǒng)吸附劑取樣裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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(guó)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(guò)濾放射性氣溶膠的高效過(guò)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(duì)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(chǎng)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(duì)放射性碘吸附效率的直接測(cè)量；第二種方法是在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)，同時(shí)提取與現(xiàn)場(chǎng)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(duì)放射性碘吸附效率的間接測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)氣量隔離調(diào)節(jié)閥門的調(diào)節(jié)，使通過(guò)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(guò)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(dòng)壓損失、增加靜壓、穩(wěn)定氣流和減少氣流振動(dòng)，獲得均勻的靜壓出氣，保證氣流均勻地通過(guò)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(jí)，分別對(duì)應(yīng)于一級(jí)和二級(jí)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(guò)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(cè)

通過(guò)取樣裝置上的預(yù)留氣流參數(shù)監(jiān)測(cè)口對(duì)氣流參數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)程

系統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，吸附器前端的氣流通過(guò)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(cè)試裝置及測(cè)試條件

為確保取樣的代表性，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME N509和ASME AG-1中對(duì)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(duì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并判斷其能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 測(cè)試裝置

測(cè)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(cè)試。

圖3 試驗(yàn)流程圖

2.2 測(cè)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(wú)泄漏，吸附器安裝和樣杯中吸附劑填裝到位，整體無(wú)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(cè)試裝置的整體機(jī)械泄漏率檢測(cè)[6]，再根據(jù)公式(1)計(jì)算測(cè)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(wú)機(jī)械泄漏，滿足試驗(yàn)的前提條件。

3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)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(cè)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(shuō)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證拆除樣杯之后對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)凈化單元的影響，模擬一定的實(shí)驗(yàn)條件，在有無(wú)取樣裝置下，進(jìn)行了氟利昂法[6-7]的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3。

表3 取樣裝置對(duì)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(shuō)明取樣裝置符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)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(duì)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(huì)造成剩余運(yùn)行樣杯中的流速和壓差增大，流速超過(guò)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。