一种核空气净化系统吸附剂取样装置的设计与试验

2022-08-11汪明文马途途邱继林李鸿飞徐洋洋

辐射防护 2022年4期

汪明文，梁飞，马途途，邱继林，王琪，李鸿飞，徐洋洋

(1.防城港核电有限公司，广西防城港 538001；2.中国辐射防护研究院，太原 030006)

核电厂空气净化系统一般由过滤放射性气溶胶的高效过滤器和吸附放射性碘的浸渍活性炭碘吸附器组成。为了确保其有效性，需要在这些系统的建成验收阶段进行性能试验，并且在商运后也要定期进行性能试验。对于碘吸附器的性能试验而言，目前一般有两种方法:第一种方法是直接用放射性甲基碘示踪的气体在现场进行碘吸附器除碘的效率试验，其特点是净化系统对放射性碘吸附效率的直接测量；第二种方法是在现场使用非放射性的示踪气体(氟利昂等)进行机械泄漏检测，同时提取与现场碘吸附剂具有同样运行历史的样品在实验室进行标准条件下的放射性甲基碘吸附效率试验，其特点是净化系统对放射性碘吸附效率的间接测量[1]。早期核空气净化系统的吸附剂取样装置多焊接在净化小室内排架上，取样样杯的数量受限，且取样时需要打开净化小室边界而不得不对其密封性进行重新鉴定[1]。而外部取样技术使取样样杯数量及体积不再受空间所限,改善了取样时的工作环境,减少了拆装取样器时的工作量,降低了辐照风险和防止表面污染[2]，因此作者设计了一种可以安装于净化系统外部的吸附剂取样装置，并对其结构、技术指标及验证试验结果进行介绍。

1 取样装置结构及原理

1.1 结构及材料

该取样装置主要由进气总管、进气气流分配箱、取样样杯、气流参数监测口、出气总管和附件等部分组成，其结构示于图1。

1—进气总口；2—隔离调节阀门；3—进气总管；4—进气气流分配箱进气口快接；5—进气气流分配箱；6—进气气流分配箱出气口快接；7—进气U型弯管；8—气流参数测量口；9—取样样杯；10—出气U型管；11—出气气流分配箱；12—出气气流分配箱出气口快接；13—固定支架；14—取样出气总管；15—取样出气总口。

1.1.1进气总管和出气总管

包括进出气量隔离调节阀门、进出气流分配箱进出口快接，其功能是将通过吸附器的气流取出，流经取样样杯中吸附剂后流回吸附器后端。通过气量隔离调节阀门的调节，使通过取样样杯中吸附剂的气流比速与吸附器内相同。

1.1.2进出气流分配箱

通过进气气流分配箱自身结构特点减少进气总管气流动压损失、增加静压、稳定气流和减少气流振动，获得均匀的静压出气，保证气流均匀地通过每一个活性炭样杯[3]。

1.1.3取样样杯

取样样杯包括法兰、样杯外壁、压板及穿孔网板，结构示于图2。取样样杯被隔离网板分为两级，分别对应于一级和二级吸附器。样杯中填充与吸附器同批次活性炭吸附剂，且与吸附器具有相同的床深[4]。通过法兰连接方式将取样样杯密封安装于取样装置中实现可靠密封和快速装取。

1—法兰；2—压板；3—穿孔网板；4—样杯外壁；5—隔离网板。

1.1.4气流参数监测

通过取样装置上的预留气流参数监测口对气流参数进行定期监测，确保取样装置能提供具有代表性的活性炭样品。

此外，取样还包括固定支架、连接件、参数监测口堵头等附件。各部件间尽量采用法兰连接，以保证整体的气密性。主要部件采用不锈钢材料，其表面经电镀或其他表面处理，因此整机具有良好的抗腐蚀性能。

1.2 工作过程

1.2.1装填吸附剂

系统首次运行或更换吸附器前，首先松开法兰上的固定螺栓，取下取样样杯进行吸附剂的填装，取样样杯内的吸附剂填装完成后，通过法兰将取样样杯回装，并将螺栓拧紧使法兰上的密封垫均匀压缩以实现可靠密封。

1.2.2运行过程

系统风机启动后，吸附器前端的气流通过进气总口被引入到进气气流分配箱内，进行气流分配后进入各个进气分支通道并被导入到各个取样样杯中，气流中污染物被取样样杯中的吸附剂吸附后，气流进入到出气气流分配箱体并由出气总口回到吸附器后端。该取样装置相当于与吸附器并联的微型吸附器，吸附器中的气流同时进入到取样装置的各个取样样杯中，与净化系统中的吸附器同步进行气流中污染物吸附[5]。由于取样样杯中吸附剂与吸附器中吸附剂是同批次且同时暴露于同样气流的污染物中，因此取样装置能够提供具有代表吸附剂运行历史的样品。

2 样机性能测试装置及测试条件

为确保取样的代表性，美国标准ANSI/ASME N509和ASME AG-1中对此作了具体规定。因此样机设计及加工完成后，必须对相关技术指标进行测试，并判断其能否满足标准要求。

2.1 测试装置

测试装置流程示于图3。利用此装置可进行气流分布和性能试验测试。

图3 试验流程图

2.2 测试条件

取样装置气流分布及性能影响试验的前提是净化单元和取样装置无泄漏，吸附器安装和样杯中吸附剂填装到位，整体无泄漏。

在气流分布试验开始前，首先使用氟利昂法进行测试装置的整体机械泄漏率检测[6]，再根据公式(1)计算测试装置整体的机械泄漏率：

L=100×(Cd/Cu)

(1)

式中，Cd为下游气体中的氟利昂浓度；Cu为上游气体中的氟利昂浓度；L为泄漏率(%)。

系统气流参数为：风量1 189 m3/h，温度(上/下)15.8 ℃/16.0 ℃，湿度(上/下)24.3%/23.0%，吸附器压差470 Pa。

试验结果列于表1。

表1 上游和下游气体中氟利昂浓度随时间的变化

根据表1数据可判定该装置无机械泄漏，满足试验的前提条件。

3 测试结果

测试试验分为取样装置的气流分布、性能影响试验和净化单元影响试验。

3.1 气流分布试验

在一定气流流量运行情况下(风量依次为1 271 m3/h、1 347 m3/h、1 453 m3/h、1 060 m3/h、969 m3/h)，分别测量取样样杯前后的压差和流量，并与系统中吸附器前后的压差和流量进行比较，其中系统气流参数为：温度(上/下)15.8/16.0 ℃，湿度(上/下)24.3%/23.0%，不同风量下系统在运行时的流速分布和压差分布试验结果示于图4和图5。

图4 吸附器及样杯流速分布

图5 吸附器及样杯压差分布

由图4可知，各样杯流速均在吸附器流速的±10%之内，可以确保每个样杯的碘吸附剂都与碘吸附器主体内吸附剂具有相同的气流接触特性。图5中可以看出，各个样杯压差很接近，进一步证明气流几乎是平均分配到每一样杯中的，符合设计预期。说明该取样装置结构本身具有将风量平均分配给六个样杯的特性。

3.2 性能影响试验

模拟取样装置运行工况，通过试验验证拆除样杯之后对剩余样杯是否有影响，是否还满足取样代表性要求。试验时的系统气流参数为：风量1 254 m3/h，温度(上/下)15.8/16.0 ℃，湿度(上/下)24.3/23.0%，试验结果列于表2。

表2 拆除样杯对其他样杯的流速/压差分布影响

从表2可以看出，随着拆除样杯数量的增多(拆除后用堵头进行封堵)，剩余运行样杯中的流速和压差将增大，甚至剩余样杯中的流速会超出吸附剂流速10%以上，进而使得剩余运行样杯的取样不再具有代表性。因此，建议拆除样杯之后安装新的带吸附剂样杯而不是用堵头进行封堵，防止剩余样杯的样品与碘吸附器主体的气流接触特性不一致。