核级HEPA过滤器及试验装置的设计研究及验证

潘　捷，　杨康骏，　刘世昊，　高　雷（上海核工程研究设计院，上海200233）

核级HEPA过滤器及试验装置的设计研究及验证

潘捷，杨康骏，刘世昊，高雷
（上海核工程研究设计院，上海200233）

核级HEPA（High Efficiency Particle Air）过滤器是核电厂空气净化系统的重要部件，用于消除在核电厂反应堆运行过程中产生的放射性微粒子。本文从核级HEPA过滤器的工作原理、结构设计、性能参数、试验装置设计和基于独立第三方认证的性能检测试验等方面做了详细论述。

核电厂空气净化系统； 核级HEPA过滤器； 独立第三方认证

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.011

0　引言

核电厂空气净化系统是核电厂的重要辅助系统，正常运行工况下为电厂工作人员及设备提供一个安全的环境；事故工况下捕集放射性核素，防止放射性物质向周围环境扩散；事故后及时去除环境中放射性碘同位素和微粒子粒子物质（气溶胶），为核电厂工作人员的进入提供安全环境。核空气净化系统的性能对于保障核电厂人员和环境安全至关重要。核级高效粒子空气过滤器（核级HEPA过滤器）是核电厂核空气净化系统的关键部件，用于去除放射性微粒子。因此，核级HEPA过滤器的性能直接影响到核空气净化系统的性能。

众所周知，中国核电技术体系众多。不同技术体系对应了不同的核级HEPA过滤器标准。不同标准之间虽然主要技术要求相同但并不完全兼容。目前国内核级HEPA过滤器遵循的主要标准有GB17939（例如：秦山一期、秦山二期和大亚湾等）和ASME AG-1 FC卷（例如：秦山三期、三门一期和海阳一期等）。而国产和进口核级HEPA过滤器产品多为单一标准技术体系适用。

核级HEPA过滤器产品在出厂前必须进行微粒子通过率检测，目前国内标准（GB/T 17939-2008）对核级HEPA滤器的透过率检测采用钠焰法，是我国现行的主要空气过滤器通过率检测方法。但钠焰法检测灵敏度较低，人为误差因素较大，技术水平已相对落后。国际上较为先进的空气过滤器透过率检测采用粒子计数法，该方法具有灵敏度高，测试误差小等优点，对于过滤器性能检测更严格。ASME AG-1 FC卷对核级HEPA过滤器通过率检测采用呈单分散相直径为0.3μm粒径的邻苯二甲酸二辛酯（DOP）试验用气溶胶进行粒子计数法检测。但DOP中含有化学物质苯环，是一种致癌物质。因此，具有一定的职业健康安全隐患。

本文针对核级HEPA过滤器的工作原理、结构设计、性能参数、试验装置设计和基于独立第三方认证的性能检测试验等方面做了详细论述。鉴于国内核级HEPA过滤器产品发展现状，设计开发一种满足不同标准技术要求且检测方法更为安全可靠的核级HEPA过滤器是非常必要的。

1　核级HEPA过滤器的设计［1，2］

1.1核级HEPA过滤器的结构设计

核级HEPA过滤器适用于最高连续温度为120℃的空气和气体气流中的折叠滤料一次性的干型过滤器。过滤器的主体结构类型为折叠滤料，带波纹状分隔物/支撑物，即ASME AG-1的FC卷中的A型高效粒子空气过滤器。过滤器由滤芯、框架、密封胶和密封垫组成，滤芯按其深度将滤料往返折叠制成，但在被折叠的滤料之间用波纹状分隔板支撑着，形成空气通道的过滤器。过滤器尺寸为610×610×292mm，滤料总面积为23.6m2，最大滤速为1.52m/min。过滤器如图1所示。

1.2核级HEPA过滤器的工作原理

核级HEPA过滤器采用玻璃纤维过滤材料对放射性在微粒子进行拦截，但不对气流形成过大的阻力。玻璃纤维滤纸的特性符合这一要求，杂乱交织的纤维形成对粉尘的无数道屏障，纤维间宽阔的空间允许气流顺利通过碰撞并粘住。玻璃纤维滤芯显微镜照片如图2所示。

图1　核级HEPA过滤器结构

图2　滤芯显微镜照片

空气中的尘埃粒子，或随气流作惯性运动，或作无规则运动，或受某种场力的作用而移动。当运动中的粒子撞到障碍物，粒子与障碍物表面间存在的范德瓦尔斯力使它们粘在一起。经过使用的滤芯显微镜照片如图3所示。

图3　使用过的滤芯显微照片

空气中的小粒子作无规则的布朗运动。粒径越小，无规则运动越剧烈，撞击障碍物的机会越多，因此过滤效果越好。效率随粒径大小而异，图4中的小粒子主要表现为扩散。

图4　扩散原理

大粒子在气流中作惯性运动，气流遇障绕行，粒子因惯性偏离气流方向并撞击到障碍物上。粒子越大，惯性力越强，撞击障碍物的可能性越大，因此过滤效果越好。过滤器捕集微粒子量与未过滤空气中的微粒子量之比为“过滤效率”。小于0.1μm的粒子主要作扩散运动，粒子越小，效率越高；大于0.5μm的粒子主要作惯性运动，粒子越大，效率越高。在0.1～0.3μm之间，效率有一处最低点，该粒径大小的气溶胶最难过滤。

1.3核级HEPA过滤器的性能参数

表1　核级HEPA过滤器技术参数

2　核级HEPA过滤器合格鉴定试验［3］

2.1核级HEPA过滤器合格鉴定试验要求

核级与民用HEPA过滤器在结构形式、主要材料和制造工艺上基本相同，主要区别在于核级HEPA过滤器产品在制造完成后需经过更严苛的合格鉴定试验，鉴定试验全部通过后产品才能在核电厂内使用。合格鉴定试验通常是一项破坏性的试验，对过滤器样品进行试验以确定其性能是否满足要求。测试结果被认为是能具备典型性或能代表那些具有相同设计且在相同生产工艺制造的型式。由于不同技术体系下的核级HEPA过滤器标准对于鉴定试验的要求并不完全兼容，因此在过滤器的设计中充分考虑了产品的厂址适应性。特别是鉴定试验内容和要求涵盖了目前国内运行核电厂适用的主流标准ASME AG-1、UL586和GB/T 17939。核级HEPA过滤器的试验项目、试验目的和不同标准要求的比对详见表2。

表2　核级HEPA过滤器合格鉴定试验试验要求及目的

2.2核级HEPA过滤器合格鉴定试验装置的设计［4］

为满足合格鉴定试验条件，专门设计并制造了一套专用试验装置包括：过滤器阻力、效率试验台（专利号：ZL201220597049.6），过滤器超压试验台，过滤器耐热空气试验台（ZL201220597047.7）。过滤器阻力、效率试验台不仅在合格鉴定试验中使用，每一台过滤器产品出厂时都需要进行效率测试。过滤器阻力、效率试验台由百级洁净室、高效过滤器、送风机、排风机中效过滤器、粗效过滤器、多分散相发尘器、气溶胶上游下游采样管、压力计、风量测量仪、喷嘴和测试风道等部件组成。采用了双风机系统保证测试风道内为微正压，使外部空气不会渗入到测试风道内。测试空气经过粗中高效三级过滤器，形成洁净度达到百级的气源，使测试过程不会受到大气环境变化的影响。过滤器阻力、效率试验台如图5所示。

过滤器阻力、效率试验台采用多分散相试验气溶胶作为尘源，采用激光粒子计数器测定计数效率，压差计测定滤料的阻力。测试空气经粗中高效三级过滤器过滤后与气溶胶发生器产生的气溶胶混合。通过气溶胶混合段，使气溶胶和测试空气混合均匀。经过被测过滤器上游，同时激光粒子计数器通过上游采样管对上游进行采样，测出过滤器上游粒子数。随后，混合空气穿过被测过滤器，大部分粒子被过滤器过滤，过滤后的空气经过一段直管道后，激光粒子计数器通过下游采样管对下游进行采样，得出下游采样数，其余空气经过管道流量测量装置测试出风量后排出。

鉴于ASME AG-1 FC卷中使用的气溶胶为邻苯二甲酸二辛酯（DOP）为致癌物质，试验台采用的试验用气溶胶为癸二酸二辛酯（DEHS）多分散相气溶胶用于替代DOP。另外，ASME AG-1中采用基本呈单分散相0.3μm直径粒子的试验用气溶胶进行试验，而本文采用多分散相气溶胶，其粒径分布包括0.1、0.2、0.3、0.5μm等不同粒径颗粒，并测试不同粒径颗粒的透过率。如果不同粒径的透过率均满足透过率要求，则可更加保守的认为过滤器性能是合格的。

图5　阻力、效率测试装置1-粗效过滤器　2-中效过滤器　3-送风机　4-高效过滤器　5-百级洁净室　6-温湿度测量仪　7-多分相发尘器8-上游采样管　9-被测过滤器　10-压力计　11-下游采样管　12-风量测量仪　13-喷嘴　14-排风机　15-激光粒子计数器

3　基于独立第三方认证的核级HEPA过滤器合格鉴定试验

3.1核级HEPA过滤器第三方认证

由于结构特性和制作工艺限制，空气过滤器具有在产品质量上无连续性的特点，即过滤器成品无法做到100%合格率。鉴于此，美法等核电强国非常重视核级HEPA过滤器的质量问题。目前而言，解决这一问题行之有效的方法为由独立于供货商和采购方的且具有相应资质的第三方介入，为核级HEPA过滤器进行认证和试验。只有通过独立第三方认证的过滤器，才能够在核电厂中使用。目前国内并没有专门针对核级空气过滤器的独立第三方认证机构，因此，通过具备专业技术能力的同济大学供热通风与空气调节实验室作为独立第三方，对过滤器试验台的适用性和合格鉴定试验进行认证。同时为了确保试验结果的真实可靠，所有试验台性能验证和试验测试都有第三方完成。

3.2核级HEPA过滤器合格鉴定试验方法和步骤

3.2.1试验用气溶胶透过率试验

在阻力、效率测试台上，使用激光粒子计数器，在额定风量（1700m3/h）条件下分别测试过滤器上下游为粒子数，各测四次，然后根据透过率公式计算0.3μm的透过率，公式为：透过率=下游粒子数/上游粒子数。而过滤效率=1-透过率。将测试台风量调整到340m3/h （20%）条件下测试过滤器，方法同上。

3.2.2阻力试验

将测试台风量分别调整到50%（850m3/h）、75% （1275m3/h）、100%（1700m3/h）、125%（2125m3/h）额定风量，采用指针式压差表测试过滤器上下游的压差得到其阻力值。

3.2.3耐干超压试验

按3.2.1和3.2.2节进行额定风量下的透过率、阻力试验。在室温条件下，以达到10倍于过滤器阻力的风量，试验15分钟。然后再按3.2.1节进行额定风量下的透过率试验，其透过率不应超过0.03%。

3.2.4耐湿超压试验

按3.2.1和3.2.2节进行额定风量下的透过率、阻力试验。过滤器放在温度为35℃±3℃、相对湿度为95± 5%的恒温恒湿箱中、在大气压力下放置至少24h后，取出过滤器，装入保温袋中，至开始试验不应超过15min，此后，过滤器经受下表所列风量和喷水环境，滤料不破裂。

完成上述耐湿超压试验结束后15min内，在过滤器依然潮湿的情况下，然后再按3.2.1节进行20%额定风量下的透过率试验，其透过率不应超过0.03%。

表3　耐湿超压试验条件

3.2.5耐颠簸鉴定试验

对过滤器外观、结构进行目视检查。将过滤器通过绑带固定在电子振动试验台上（进出风面和褶幅应竖直）。按照GB/T 17939中6.2.1节的振动要求进行试验后，再对过滤器外观、结构进行目视检查，如果边框开裂或变形、角上或连接处松开、粘接剂开裂、滤料、分隔物或防护网松开或变形，过滤器均不合格。颠簸试验后根据3.2.1、3.2.2节对过滤器进行测试，然后其透过率不应超过0.03%，其过滤器阻力不应超过250Pa。

3.2.6耐热空气鉴定试验

将试验管道内空气加热到370℃±25℃。将过滤器放在试验管道内，在额定风量的热空气下至少放置5min。经受热空气后，过滤器应在额定风量下测试实验用气溶胶透过滤料、外框和密封垫或密封胶的透过率。然后再按3.2.1节进行额定风量下的透过率试验，其透过率不应超过3%。

3.2.7耐明火鉴定试验

将过滤器装入试验风管中，风量调整到额定风量。将本生灯的气体火焰对着过滤器的上游侧。调节本生灯以产生一个蓝色锥体长度为63mm、前端温度为955±25℃的火焰，温度由插入火焰的热电偶测量。锥体前端要接触滤料的表面，离开过滤器边框的距离不小于51mm。用火焰灼烧过滤器端面的三个不同的地方，每个地方持续5min。然后，把本生灯的火焰置于过滤器的一个上角上，使兰色锥体的前端接触边框、滤芯和密封材料。时间持续5min。在过滤器样品的另一个上角重复进行本试验。试验火焰从每一点移开后，过滤器下游端面不应有持续的喷火现象。

3.2.8耐辐照鉴定试验

先按3.2.1和3.2.2节对参加试验的过滤器进行额定风量下的阻力和透过率（或效率）以及20%额定风量的透过率（或效率）试验，然后进行辐照实验。吸收剂量率不大于2×103Gy/h，累积吸收剂量不小于8×105Gy。然后再按3.2.1节做包括密封垫在内的额定风量下透过率试验，其透过率不应超过0.03%。

3.2.9抗震鉴定

高效粒子空气过滤器应按照ASME AG-1中的AA卷进行抗震试验或抗震分析，验证其抗震性能合格。3.2.10耐低温鉴定试验

先将过滤器在温度为25℃、相对湿度为50±5%的静态环境下，放置24h。然后将过滤器放入3±2℃的静态环境下，再放置24h。最后将过滤器放回25℃环境下，待回温后，过滤器应在额定风量下测试试验用气溶胶透过滤料、外框和密封垫或密封胶的透过率。然后再按3.2.1节进行额定风量下的透过率试验，其透过率不应超过0.03%。

3.3核级HEPA过滤器合格鉴定试验结果

核级HEPA过滤器抗震鉴定采用抗震分析方法进行计算，计算结果满足结构完整性要求。核级HEPA过滤器合格鉴定试验结果见表4～表6。

表4　核级HEPA过滤器合格鉴定试验结果

表4　核级HEPA过滤器合格鉴定试验结果（续1）

表4　核级HEPA过滤器合格鉴定试验结果（续2）

4　结语

核级HEPA过滤器采用了较为先进的基于多分散相粒子计数法进行过滤器效率鉴定试验，气溶胶粒径选择余地更大，测试结果更可靠。试验用气溶胶采用了更为安全可靠的癸二酸二辛酯（DEHS）多分散相气溶胶，大大降低了人员健康风险。过滤器试验装置和合格鉴定试验通过了独立第三方认证，试验结果更准确可靠。过滤器合格鉴定试验要求涵盖目前国内外主要的相关标准，使过滤器产品具有良好的厂址适应性，可在AP1000及其他各型核电厂及核工程核空气净化系统中推广应用，具有较好的实用价值。

［1］GB/T 17939-2008，核级高效粒子空气过滤器［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，硕士，工程师，从事核电厂机械设备设计工作；

杨康骏（1984-），男，上海人，硕士，工程师，从事核电厂暖通动力系统设计工作；

刘世昊（1986-），男，上海人，硕士，工程师，从事核电厂暖通动力系统设计工作；

高雷（1976-），男，上海人，本科，高级工程师，从事核电厂机械设备设计工作。

2015-03-26

2015-04-27