在核工业中, 铀矿开采、核燃料元件制造、核电站乏燃料处理等放射性核素处理处置的环节, 都有可能产生放射性的固体或(和)液体微粒, 其悬浮弥漫于空气中形成放射性气溶胶, 其危害性不言而喻。高效过滤器(HEPA)是核通风系统中去除放射性气溶胶的关键设备, 安装后及运行过程中要进行检测以判断其是否可靠。目前, 核通风系统高效过滤器的现场泄漏率检测采用邻苯二甲酸二辛酯(DOP)法^[1], 该方法方便快捷、无破坏性、无放射性; 但DOP形成的烟雾有刺鼻的气味, 且DOP含有苯环, 动物试验结果表明其有潜在致癌性, 可能对试验人员及公众健康造成一定危害。在实验室开展了DOP拟替代物产生气溶胶粒径及其分布、气溶胶转化率及泄漏率表征实验, 初步确定PAO4^[2]可用于核通风系统HEPA泄漏率检验。由于核设施通风系统较模拟实验系统通风量大, 大部分系统需应用AGT型热气溶胶发生器, 为了满足核设施防火要求, 实验室补充了PAO4与DOP闪点比较实验, 对国产与进口PAO4进行了比较选优; 选用美国ATI公司PAO4在国内某核电站开展了高效过滤器泄漏率检验现场验证实验。

PAO4与DOP化学式及主要用途如下:

PAO氢化-1-癸烯四聚体与1-癸烯三聚体

别名:聚α烯烃(poly-Alpha-olefin)

分子式:{CH₂CH[(CH₂)₇CH₃]}_n

PAO为合成烃类基础油, 挥发性低, 热稳定性、水解稳定性好。PAO系列产品一般用于防晒霜、洗发水、保湿霜等美容用品中, 安全无毒, 无致癌性。依据PAO在100℃时的运动粘度分类分为低、中、高粘度PAO; 典型的低粘度PAO有PAO2、PAO2.5、PAO4、PAO5、PAO6等, PAO4(100℃时的运动粘度理论值为4 mm²/s)为清澈透明无异味的油状液体。

DOP邻苯二甲酸二辛酯

分子式:C₂₄H₃₈O₄

分子结构式:

DOP为无色油状液体, 主要用作增塑剂。吸入DOP烟雾会造成人体内分泌系统的紊乱; DOP含有苯环, 因此DOP被认为有潜在的致癌性。

1 实验部分 1.1 主要仪器设备和试剂

气溶胶发生器(SN-10型), 气溶胶发生器(AGT型), 气溶胶检测仪(F- 1000-DDF型), 均由美国NUCON公司生产; DOP由宜兴市辉煌化学试剂厂生产; PAO4由美国ATI公司生产和抚顺中展石化有限公司生产。

1.2 实验内容 1.2.1 PAO4的选择

PAO先进生产工艺为乙烯聚合成C8~C10的α烯烃后, 经路易斯酸络合型催化剂定向聚合而成, 中间体α烯烃分子整齐, 聚合后PAO分子规整, 分子量分布窄, 质量指标稳定; 而国产PAO主要由石蜡裂解的α烯烃生产, 而石蜡含油率高, 使得裂解的生成的正构α烯烃含量低, α烯烃分子量分布宽, 在C5~C17之间, 生产中采用无水氯化铝作催化剂, 造成了原料和聚合分子的异构化, 此外聚α烯烃基本上不加氢处理, 聚合油中仍残留双键; 质量相对差些, 且质量指标波动大。分别采购美国ATI公司及抚顺中展石化有限公司PAO4, 委托中国石油天然气股份有限公司润滑油分公司产品检测站, 依据GB/T 265^[3]标准对两种PAO4在100℃时的运动粘度进行测定。

1.2.2 闪点比较实验

为了满足核设施防火要求, 产生气溶胶试剂发生闪燃的温度应尽可能高, 如PAO4闪点高于DOP, 则使用时安全性更高。为比较PAO4与DOP闪点, 委托中国石油天然气股份有限公司润滑油分公司产品检测站采用闭口法^[4]对PAO4与DOP的闪点进行了测定。

1.2.3 混合均匀性实验

为了取得代表性气溶胶样品, 示踪气溶胶须与系统气流混合均匀或者是采用多点取样装置采样^[5]。由于多点取样装置设置较为繁琐, 如示踪气溶胶与系统气流混合均匀性得以验证且满足要求, 则气溶胶检测仪在任何位置采样均可以用以计算系统高效过滤器(组)泄漏率。混合均匀性实验时, 在现场验证系统安装的每台高效过滤器中心前10 cm处采集测试各气溶胶浓度, 计算所有浓度均值, 计算各浓度值与均值的偏差。

1.2.4 泄漏率现场验证实验

核通风系统高效过滤器泄漏率按如下公式计算:

式中:P:高效过滤器(组)泄漏率(以百分数表示); C _D:高效过滤器下游气溶胶浓度(或浓度对应电信号值); C _U:高效过滤器上游气溶胶浓度(或浓度对应电信号值)。

实验室表明PAO4与DOP泄漏率表征结果有可比性基础上, 在核电站通风系统气溶胶与气流混合均匀性满足要求的前提下, 在某核电站通风系统进行了高效过滤器泄漏率现场对比验证试验。

2 实验结果 2.1 PAO4的选择

ATI公司、抚顺中展石化有限公司PAO4在100℃时的运动粘度分别为3.78 mm²/s、5.67 mm²/s^[6], 上述结果表明ATI公司PAO4在100℃时的运动粘度更接近4 mm²/s, 选用ATI公司PAO4做进一步研究。

2.2 闪点实验结果

闭口法分别测试PAO4与DOP闪点, 测试结果分别为210℃、202℃^[6]; 由此可见, PAO4闪点较DOP高, 闪燃可能性更小, 安全性更高。

2.3 混合均匀性结果

分别使用PAO4与DOP试剂, 利用SN-10型气溶胶发生器在相同工作压力下产生气溶胶, 对相同系统进行气流混合均匀性比较试验。试验结果见表 1。

上述结果可知, PAO4与DOP混合均匀性实验结果均满足偏差范围在± 20%以内的要求, 说明系统注入点设置合理; 同样满足要求的前提下, PAO4偏差范围更小, 示踪气溶胶各采样点测量值与均值更接近, 产生示踪气溶胶的PAO4试剂发生稳定性好, 取样代表性更好, 高效过滤器泄漏率计算结果更可靠。

2.4 现场泄漏率对比结果

选取国内某核电站通风过滤系统安装单台高效过滤器的系统和安装多台高效过滤器的排架进行了泄漏率现场对比验证实验, 结果见表 2。

以上结果可以看出, 无论安装单台高效过滤器还是安装多台高效过滤器的排架, PAO4与DOP检测其泄漏率测试结果一致。

3 结论

缘于生产工艺的不同, 国产PAO4质量相对差些, 美国ATI公司PAO4质量较好, 实验结果可靠性更好, 虽进口PAO4价格稍高, 但可以接受。

PAO4用于产生高效过滤器泄漏检测示踪气溶胶时, 闪点较DOP高, 着火可能性更小, 安全性更高。

混合均匀性结果表明PAO4发生气溶胶时较DOP更加稳定, 各测量值与均值更加接近, 偏差范围小, 取样代表性更强, 更能客观真实反映高效过滤器(排架)泄漏率。

泄漏率现场验证结果表明, 安装单台和多台HEPA的核通风系统, PAO4泄漏率验证结果与DOP测试结果一致。

综合文献[2]及上述的实验结果, PAO4完全可以用于核通风系统HEPA泄漏率检验, 该技术值得推广应用。