基于氣流循環(huán)運行的碘吸附器性能檢測系統(tǒng)裝置研制

王坤俊 郭哲斌 張崇文 張治權(quán) 常 森 王 稹

（中國輻射防護研究院 太原 030006）

0 引言

碘吸附器作為核電站等核設(shè)施通風(fēng)凈化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，通過吸附核空氣中的氣態(tài)放射性碘，來保障核設(shè)施在正常工況特別是事故工況下廠房、環(huán)境及人員的安全[1-3]。碘吸附器應(yīng)用到核電站之前均需要對其性能進行檢測，合格后方可出廠使用。

根據(jù)行業(yè)標準NB/T 20039.11-2011[4]、NB/T 20039.12-2011[5]以及NB/T 20196.1-2013[6]的規(guī)定，碘吸附器設(shè)備無論在出廠之前還是安裝在核電站通風(fēng)凈化系統(tǒng)上之后進行性能檢測試驗時，均需要滿足一定的氣流環(huán)境條件，一般規(guī)定：折疊式（也稱I型）碘吸附器需要測試其去除放射性氣態(tài)甲基碘的吸附效率（或凈化系數(shù)），抽屜式（也稱II型）碘吸附器需要測試其機械泄漏率以滿足驗收指標。性能檢測均要求試驗系統(tǒng)滿足風(fēng)量在額定風(fēng)量的±10%范圍內(nèi)，碘吸附器進出口的氣流相對濕度達到要求值（RHI≤40%；RHII≤80%）。當(dāng)氣流環(huán)境的相對濕度較大時，試驗系統(tǒng)往往需要啟動電加熱器提高氣流溫度，以降低入口氣流的相對濕度。若采用進出風(fēng)開放式系統(tǒng)流程，外界環(huán)境濕度持續(xù)較大時，加熱器會持續(xù)工作，被檢碘吸附器上、下游濕度達到平衡慢，試驗時間長，耗電量大；同時，即使已經(jīng)采取了必要的凈化防護手段，尾氣排放等方面仍然存在一定的輻射安全風(fēng)險；另外，根據(jù)運行經(jīng)驗，現(xiàn)有檢測系統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)依靠經(jīng)驗進行閥門開度的手動調(diào)整，精度及穩(wěn)定性一般較差。

此外，除了對碘吸附器常規(guī)的性能檢測需求，在針對碘吸附器相關(guān)研究中，經(jīng)常需要模擬多種異常工況條件，如干燥、高濕度等正常范圍外的環(huán)境條件，也需要借助技術(shù)手段創(chuàng)造穩(wěn)定的氣流環(huán)境條件[7,8]。

基于對碘吸附器試驗系統(tǒng)的各種條件要求和保護環(huán)境、安全運行的理念[9,10]，有必要建立一套開、閉式回路自由切換、且運行參數(shù)實時自動監(jiān)測分析、測試環(huán)境精準自調(diào)控的碘吸附器性能測試裝置，以實現(xiàn)穩(wěn)定的試驗環(huán)境條件，為碘吸附器的性能檢測及科研試驗提供技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)裝置

1.1 實驗儀器

Ⅰ型碘吸附器：5cm 厚度活性炭床，中國輻射防護研究院；氟利昂檢測儀(精度為1ppb)：F-1000-HD 型，美國NUCON 公司；脈沖式氟利昂脈沖發(fā)生器：MLF-I 型，中國輻射防護研究院；Maestro-32γ 譜儀，中國輻射防護研究院；1223-8-W/MU 型壓力計：0-1600mmH2O，美國Dwyer 公司；SP05-B5 溫濕度計：-20～100℃、0～100%，瑞士Rotronic 公司。

1.2 裝置功能設(shè)計

本研究裝置主要用于碘吸附器產(chǎn)品的出廠檢驗以及核電站現(xiàn)場碘吸附器的再鑒定檢測，另外，增加了大范圍溫濕度調(diào)節(jié)等功能還可滿足碘吸附器及相關(guān)研究的需求，設(shè)計具備兩大主要功能：

（1）系統(tǒng)環(huán)境調(diào)節(jié)功能，包括：風(fēng)量自適應(yīng)調(diào)控、濕度自適應(yīng)調(diào)控、溫度自適應(yīng)調(diào)控、內(nèi)外循環(huán)回路切換、循環(huán)氣流尾氣凈化。

（2）碘吸附器性能測試，包括：效率測試、機械泄漏率測試、阻力測試。

此外，還可進行不同類型碘吸附器試驗箱體的快速切換、數(shù)據(jù)自動記錄與存儲等操作。

1.3 系統(tǒng)流程設(shè)計

為了實現(xiàn)裝置的設(shè)計功能，特別是針對碘吸附器不同性能的工況測試，設(shè)計裝置的系統(tǒng)流程分兩種工況：循環(huán)工況（效率測試）、開放工況（泄漏率測試）。

整個系統(tǒng)流程及組成如圖1 所示。

圖1 循環(huán)式碘吸附器整機性能檢測系統(tǒng)流程圖Fig.1 Process flow of the circulating performance testing system of iodine adsorber

整個檢測裝置系統(tǒng)主要由粗中效過濾器、干燥器、高效過濾器、溫濕度調(diào)節(jié)器、樣品安裝箱、（后備）碘吸附器及過濾器、風(fēng)機、閥門、連接管路、安裝支架等組成，通過控制系統(tǒng)自動或手動控制；所有設(shè)備最終集成于集裝箱內(nèi)。裝置布局的三維示意圖如圖2 所示。

圖2 循環(huán)式碘吸附器性能檢測裝置的布局圖Fig.2 Layout diagram of the circulating performance testing device of iodine adsorber

其中，示蹤劑注入點前設(shè)置溫濕度調(diào)節(jié)器，用于增大或降低系統(tǒng)溫濕度，在其后設(shè)置有混合器，用于將示蹤劑充分混合均勻；在樣品安裝箱上設(shè)置有差壓傳感器，用于測試被測碘吸附器的阻力；后備保護的碘吸附器和高效過濾器用于循環(huán)工況效率測試時，防止被測碘吸附器不合格而導(dǎo)致放射性示蹤劑泄漏進入下游風(fēng)管；控制系統(tǒng)方案如圖3 所示，各個模塊通過PLC 作為下位機快速實時響應(yīng)控制，通過計算機通訊協(xié)調(diào)各個控制器，實現(xiàn)所需測試的試驗流程，計算機采用工控機。

圖3 控制系統(tǒng)方案Fig.3 Scheme of control system

（1）裝置在氣流循環(huán)工況下的工藝流程

在進風(fēng)狀態(tài)下，閥1、閥3、閥5 打開，閥2、閥4 關(guān)閉。設(shè)備由進風(fēng)切換到循環(huán)工況時，閥1、閥4、閥3 關(guān)閉，閥2、閥5 打開，工藝流程圖如圖4 所示。

圖4 效率測試的循環(huán)工況工藝流程圖Fig.4 Process flow chart of efficiency test under cycle condition

在此工況下，當(dāng)氣流環(huán)境條件達到要求范圍后，在溫濕度調(diào)節(jié)器下游的注入點處注入放射性示蹤試劑（放射性甲基碘氣體），同時在上游采樣點和下游采樣點處采集氣流樣品，待樣品采集完成后分析其放射性活度，進而求算出被測樣品的吸附效率。

（2）裝置在氣流開放工況下的工藝流程

當(dāng)進行泄漏率測試時，所用試劑無毒無害，切換至開放工況，另外，要求的相對濕度范圍比較寬泛，可拆掉干燥器，閥1、閥3、閥4 打開，閥2，閥5 關(guān)閉，工藝流程圖如圖5 所示。

圖5 泄漏率測試的開放工況工藝流程圖Fig.5 Flow chart of leakage rate test under open condition

在此工況下，當(dāng)氣流環(huán)境條件達到要求范圍后，在溫濕度調(diào)節(jié)器下游的注入點處注入示蹤試劑（如氟利昂），同時開啟濃度檢測儀測試上游采樣點和下游采樣點處的示蹤劑濃度，由下游濃度/上游濃度計算得到被測樣品的機械泄漏率。此工況運行時，起后備保護作用的碘吸附器和高效過濾器可以設(shè)置在系統(tǒng)回路中，但由于采用的示蹤劑多為無毒試劑，所以一般不需要后備保護凈化，進而設(shè)置氣流經(jīng)過閥門4。

2 裝置關(guān)鍵部件及系統(tǒng)檢測實驗

為了驗證循環(huán)式碘吸附器整機性能檢測裝置滿足設(shè)計技術(shù)要求，需進行包括：過濾部件、系統(tǒng)管路密封性[11,12]以及連續(xù)運行（≥24 小時）風(fēng)量變化、露點溫度差、濕度調(diào)節(jié)等功能是否滿足標準和性能指標要求。

2.1 指標要求

（1）關(guān)鍵過濾部件的密封性試驗：各過濾部件箱體泄漏率小于額定工作風(fēng)量的0.1%；

（2）裝置系統(tǒng)管路（除風(fēng)機）的泄漏率小于額定工作風(fēng)量的0.25%；

（3）在額定運行風(fēng)量1200m3/h、閉式循環(huán)連續(xù)運行≥24 小時的風(fēng)量變化小于±10%；

（4）閉式循環(huán)時，上下游氣流露點溫度差＜1.0℃；

（5）相對濕度調(diào)節(jié)要求在環(huán)境初始濕度基礎(chǔ)上加濕調(diào)節(jié)20%以上。

2.2 試驗方法

（1）關(guān)鍵過濾部件的密封性試驗

依據(jù)ASME N510-2007 核空氣處理系統(tǒng)試驗[11]，采用恒壓法進行試驗，開啟壓力源向箱體內(nèi)平穩(wěn)地充壓至試驗壓力，并依靠調(diào)節(jié)閥保持箱體內(nèi)壓力維持在試驗壓力，保壓十分鐘。每隔一分鐘記錄一次轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，記錄十個讀數(shù)，取其平均值，計算該過濾部件的泄漏率。關(guān)鍵過濾部件主要包括安裝于系統(tǒng)的粗中效過濾箱、干燥箱、高效過濾箱、后備過濾箱、I 型碘吸附器安裝箱、II 型碘吸附器安裝箱等。

圖6 箱體結(jié)構(gòu)密封性試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of sealing test of box structure

（2）檢測裝置系統(tǒng)管路（除風(fēng)機）的密封性試驗

整個裝置系統(tǒng)（見圖7）安裝完成，關(guān)閉待測系統(tǒng)所有箱體的門、操作口及電動閥，所有永久性的密封都應(yīng)在試驗開始之前安裝完畢。采用恒壓法進行試驗，開啟壓力源向箱體內(nèi)平穩(wěn)地充壓至試驗壓力，并依靠調(diào)節(jié)閥保持箱體內(nèi)壓力維持在試驗壓力，保壓十分鐘。每隔一分鐘記錄一次轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，記錄十個讀數(shù)，取其平均值，計算系統(tǒng)管路的泄漏率。

圖7 裝置實物圖Fig.7 Physical drawing of detection device

（3）風(fēng)量穩(wěn)定性試驗

在閉式循環(huán)工況下，將系統(tǒng)風(fēng)量設(shè)定至額定風(fēng)量，長時間（≥24 小時）連續(xù)運行，記錄系統(tǒng)風(fēng)量及對應(yīng)的測試時間。

（4）碘吸附器安裝箱上下游露點溫度差試驗

在閉式循環(huán)工況下，將系統(tǒng)風(fēng)量設(shè)定至額定風(fēng)量，長時間（≥24 小時）連續(xù)運行，記錄碘吸附器安裝箱上下游露點溫度及對應(yīng)的測試時間。

（5）相對濕度控制試驗

在閉式循環(huán)工況下，記錄系統(tǒng)內(nèi)氣流的初始相對濕度，將碘吸附器安裝箱上游相對濕度設(shè)定為初始濕度基礎(chǔ)上增加10%以上，待系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平衡后記錄上游相對濕度，并一定時間內(nèi)持續(xù)保持其穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與分析

3.1 裝置的密封性及運行穩(wěn)定性測試

3.1.1 過濾部件的密封性實驗

依據(jù)標準ASME N510-2007 第6 節(jié)，采用恒壓法進行實驗，測試裝置關(guān)鍵過濾部件的泄漏率，結(jié)果如表1 所示?？梢?，將用于系統(tǒng)固定安裝的過濾箱體，平穩(wěn)地充壓到3000Pa，并依靠調(diào)節(jié)閥保持箱體內(nèi)壓力維持在3000Pa±25Pa，保壓十分鐘，最大允許泄漏率均小于額定工作風(fēng)量的0.1%，滿足部件的密封性要求。

表1 過濾部件泄漏率實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of leakage rate of filter parts

3.1.2 系統(tǒng)管路（除風(fēng)機）泄漏實驗

根據(jù)ASME AG-1-2019[12]TA-A 及TA-III 篇，采用恒壓法進行實驗，測試裝置系統(tǒng)管路（除風(fēng)機）的泄漏率，結(jié)果如表2 所示，其泄漏率為0.053%，滿足標準要求的小于工作風(fēng)量的0.25%。系統(tǒng)管路的密封性保障了試驗過程中的安全性和測試數(shù)據(jù)的準確性。

表2 系統(tǒng)管路泄漏率試驗結(jié)果Table 2 Test results of leakage rate of system pipeline

3.1.3 風(fēng)量及露點溫度差穩(wěn)定性實驗

循環(huán)式碘吸附器整機性能檢測裝置風(fēng)量的調(diào)節(jié)通過設(shè)定風(fēng)機頻率來實現(xiàn)，由于不同運行模式下的系統(tǒng)阻力不同，實測風(fēng)量隨設(shè)定頻率的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同運行模式下實測風(fēng)量隨設(shè)定頻率的變化關(guān)系Fig.8 Variation of measured air volume with set frequency under different operating modes

試驗風(fēng)量范圍從400m3/h到1400m3/h，選取了多個不同風(fēng)量值進行了裝置穩(wěn)定運行，這其中也涵蓋了核電站所用的Ⅰ、Ⅱ型碘吸附器在現(xiàn)場的實際運行風(fēng)量。可以看出相同頻率時，泄漏率測試工況下裝置的運轉(zhuǎn)風(fēng)量要高于循環(huán)工況下的風(fēng)量10%左右，這與泄漏率測試時氣流不經(jīng)過后備保護床而降低了回路的阻力有關(guān)，圖8中風(fēng)量-頻率的擬合曲線對裝置在使用時的風(fēng)量設(shè)定起到了重要參考作用。

在循環(huán)工況下，將系統(tǒng)風(fēng)量設(shè)定為1200m3/h，并測試被測箱體上游氣流的初始相對濕度為22.6%，溫度為17.5℃。設(shè)置上游相對濕度為42.6%，保持系統(tǒng)在循環(huán)工況下連續(xù)運行不低于24小時，連續(xù)記錄系統(tǒng)的風(fēng)量、上下游相對濕度、露點溫度差等參數(shù)變化，結(jié)果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)運行參數(shù)穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.9 Stability test results of operating parameters

可見，系統(tǒng)氣流參數(shù)在連續(xù)運行情況下具有非常好的穩(wěn)定性，連續(xù)運行大于24小時，其風(fēng)量波動范圍≤3.75%，遠小于＜10%的設(shè)計要求；全過程露點溫度差最大不超過0.75℃，且最大值出現(xiàn)在系統(tǒng)剛達到平衡階段（100min內(nèi)），之后的波動范圍變小，滿足≤1℃要求；相對濕度從初始的22.6%增加20%，逐漸達到設(shè)置的42.6%附近，并基本保持了試驗周期內(nèi)的長時間穩(wěn)定控制。系統(tǒng)氣流條件參數(shù)的穩(wěn)定自調(diào)控技術(shù)提升了實驗及設(shè)備檢測的準確性和安全性。

3.2 裝置在碘吸附器性能測試中的應(yīng)用

以兩臺折疊式碘吸附器為實驗對象，在循環(huán)式碘吸附器性能檢測系統(tǒng)上進行了氟利昂法機械泄漏率試驗及去除放射性甲基碘效率（及凈化系數(shù)）試驗。試驗方法參照標準“NB/T20196.1-2013核空氣和氣體處理規(guī)范試驗規(guī)程第1部分：空氣處理系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗”。其中，機械泄漏率＜0.01%，去除放射性甲基碘效率＞99.9%分別是兩種碘吸附器檢驗方法的合格標準。為保證計算結(jié)果準確有效，結(jié)合測量儀器的靈敏度，泄漏率試驗中上游氣流中示蹤劑氟利昂的濃度應(yīng)大于檢測儀最低檢出限（1PPB）的10000 倍，通常上游濃度控制在10-50PPM范圍；效率試驗時上游活度一般控制在103～104Bq量級，而下游濃度/活度的下限是由不同儀器的探測限決定，上限取決于碘吸附器性能的好壞，即吸附示蹤氣體的情況。

試驗時將一臺碘吸附器樣機裝于樣品安裝箱中，注入、上下游采樣探頭安裝到位，啟動風(fēng)機，調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量至額定風(fēng)量（1200m3/h）±10%范圍，待平衡后，測量氣流風(fēng)量、相對濕度、溫度以及碘吸附器阻力等參數(shù)，均滿足試驗規(guī)程要求后，首先進行碘吸附器機械泄漏率試驗，此項試驗結(jié)束后，風(fēng)機持續(xù)運行，系統(tǒng)保持不變，更換注入、采樣裝置后重新測量系統(tǒng)參數(shù)，滿足要求后進行效率試驗，一臺碘吸附器的兩項試驗結(jié)束后更換另一臺碘吸附器進行如上試驗。結(jié)果如表3 和表4 所示。

表3 折疊式碘吸附器機械泄漏率試驗結(jié)果Table 3 Mechanical leakage rate test results of iodine adsorber

表4 折疊式碘吸附器效率試驗結(jié)果Table 4 Efficiency test results of iodine adsorber

從各試驗結(jié)果可以看出，研制的循環(huán)式碘吸附器性能檢測裝置各參數(shù)均運行穩(wěn)定，兩臺被測碘吸附器在兩種工況下的機械泄漏率、凈化系數(shù)的結(jié)果對照發(fā)現(xiàn)，編號1910-02的碘吸附器在密封性能（機械泄漏率）和凈化性能（凈化系數(shù)）上均略優(yōu)于編號1910-01的碘吸附器，同一臺碘吸附器采用不同標準試驗方法得到的結(jié)果均具有一致性和穩(wěn)定性，可以準確測試待測碘吸附器的性能。

4 結(jié)論

以實現(xiàn)閉式循環(huán)、運行條件的穩(wěn)定調(diào)控以及提升檢測效率和運行安全為研發(fā)目標，研制出基于氣流循環(huán)運行的碘吸附器性能檢測系統(tǒng)裝置，用于碘吸附器泄漏率、效率性能的檢測。該裝置不僅可涵蓋核電站所用的多種碘吸附器類型，且氣流參數(shù)調(diào)節(jié)控制精度高、多項性能指標測試優(yōu)于設(shè)計值，可實現(xiàn)運行風(fēng)量400-1400m3/h范圍可調(diào)節(jié)控制，循環(huán)工況下連續(xù)運行24h風(fēng)量變化小于3.75%，上下游露點溫度差最大不超過0.75℃，相對濕度調(diào)控穩(wěn)定，提升了產(chǎn)品檢測的準確性和安全性。在開放工況和循環(huán)工況下分別進行機械泄漏率和吸附放射性甲基碘效率試驗，裝置運行穩(wěn)定性高，結(jié)果具有一致性。