核设施烟囱和管道气载放射性排放物的取样监测_美国新标准介绍_二_

1、第23卷第2期(总第134期 ·介绍·辐射防护通讯2003年4月核设施烟囱和管道气载放射性排放物的取样监测美国新标准介绍(二Sampling and M onitoring Releases of Airbo rne Radioactiv e Substances from th e Stacks and Ducts of N uclear Facilities :Past II Introduction of a N ew Standard of th e America卢正永(中国辐射防护研究院, 太原, 030006Lu Zhengyo ng (China Insti

2、tute for Radiation Pro tectio n , Taiyua n , 030006(接上期2烟囱取样的位置2. 1总体考虑在烟囱中的什么位置取样, 是所取样品是否具有代表性的最重要条件之一。为了能取到真实代表烟囱最终排放结果的样品, 在烟囱中的什么位置取样一直为人们所关注。关于取样位置, 新标准强调的不再是目前通行的在离开气流扰动点多远的位置处取样(如按所谓的“2/8原则”确定取样位置 , 而是对取样位置给出了具体的性能标准, 在符合这种性能标准的位置取样, 所取样品才认为是有代表性的。这是新标准与原标准最大的不同点之一。样品抽吸位置选取不合适, 不能真实反映排出流中排放物

3、的最终排放结果, 也就是不能真实反映最终排放物的浓度特征(对气体和微粒物 和粒度分布特征(对微粒物 , 因而最终测量结果则不可能有意义。2. 2取样的环境特征烟囱或管道内的环境特征必须予以表征, 以使得所设计的取样系统适合这样的环境条件。这里要注意的是, 不仅要适合正常条件下的环境条件, 更要适合非正常或事故条件下的环境条件。2. 2. 1温度排出流的温度变化通常是相当稳定的, 由于核设施的加热、通风和空气调节系统的作用, 温度甚至不会随季节发生大的变化。但是, 在非正常条件下却有可能对样品的收集产生重要影响, 因此, 在非正常条件以及在事故条件下可能的温度变化范围应予以确定。2. 2. 2流

4、速污染物的释放速率或总释放量的计算, 必须要用到烟囱排出流的流速。排放气流的流速对取样系统的设计及其运行控制也是极为重要的参数, 因此, 弄清烟囱中排放流的流速及其变化范围是极为重要的。影响排放流流速的因素很多:生产过程的变化、排风机的开关、加热或冷却系统的启停、甚至房门的开关等都会对排放流流速产生重要影响, 特别在非正常或事故条件下所引起的流速变化要予以考虑。2. 2. 3几何结构烟囱或管道中的几何结构包括形状(圆形或矩形 、气流入口条件(从底部、侧面、还是以一定角度进入 、其他构件(如排风机、稳流装置等 相对于气流的方位以及可能引起排出流方向改变的有关结构等等, 烟囱的几何结构是正确设计取

5、样系统和正确确定取样位置的重要因素。2. 2. 4污染物成分正常条件下与非正常条件下排出流中的物质成分、放射性污染物的化学性质和物理特性, 是取样设计的重要依据。非放射性的物质如果对取样系统会造成影响时(如腐蚀性、酸碱性、非放灰尘等 , 也必须予以考虑。2. 2. 5粒子大小取样系统对气溶胶粒子的抽吸、传输和收集方面的特性, 对粒子大小最为敏感。因此, 在设计整个取样系统和进行合理的性能估计时, 熟悉污核设施烟囱和管道气载放射性排放物的取样监测(二染粒子在正常、非正常和事故条件下的粒子大小和粒度特征是极为重要的。为使取样系统在由正常到事故条件下都能正常取样, 并使所取样品有较好的代表性, 一般

6、认为对整个取样系统的性能用10m 大小的粒子进行评价是合适的。在某些特殊情况下, 有可能还要用更大的粒子, 这可依实际情况而定。2. 3取样位置的选取2. 3. 1一般考虑对于用抽气的方法从烟囱中获取有代表性的样品时, 取样位置的定位问题涉及到放射性污染物的特征、设备的布置以及工作人员的健康与安全等诸多因素的考虑。一般来说, 样品的抽吸位置应布置在排风机的排放平面与排放流的最终出口平面之间。确定取样位置要注意的是:(1 不能太靠近出口平面; (2 要在污染物已充分混合均匀而且稳定的区域。在保证这种定位的前提下, 取样位置的选取要使得可尽量缩短传输管长度, 减少不必要的弯头; 在此基础上, 还需

7、考虑取样位置应该是现实的和安全的, 不给其后的维修活动造成麻烦, 方便收集或分析设备的使用, 避免造成样品质量损坏等。2. 3. 2取样位置的考核标准2. 3. 2. 1涡流的限制标准在设定的取样位置, 粒子和气体的流动不能呈涡流, 因为涡流会对粒子混合产生不利影响, 从而降低取样管嘴的性能。一般认为, 排放气流相对于烟囱轴向的平均角度不能大于20°, 否则, 要采取气流校直措施。新标准对涡流的具体测定方法给予了说明。2. 3. 2. 2混合均匀度标准在取样位置的横截面内, 气溶胶粒子浓度和排出流的流速两者都要达到良好的混合。具体衡量方法是, 对(10±1 m 的气溶胶粒子

8、的浓度分布和排放气流的速度分布, 在同一横截面内的均匀性用变异系数(COV 表示, 当COV ±20%时即认为达到了良好混合, 粒子浓度和流速的均匀度达到了公认的标准。横截面的面积是指相对于中心的2/3的面积范围。新标准对混合度的测定方法作了规定。关于取样位置必须满足的有关特性和测定方法总结在表4中。在取样位置的混合度达到上述标准的情况下, 取样只需按单点的方式进行, 此时取样管嘴的入口置于取样截面中心的1/3面积范围内即可。新标准基本否定了旧标准中的多点取样方式。2. 4取样位置合格的考查方法为了对烟囱取样位置进行考查, 以证明是符合上述规定标准的, 必须进行考核试验。新标准对考核

9、试验的方法做了建议。试验方法包括对示踪气体(如SF 6 和实验气溶胶粒子粒子大小(10±1 m 的注入位置、方式以及这种试验的取样位置和方法, 新标准对试验结果的适用范围及有关注意事项进行了讨论。2. 5取样位置选取的其他问题2. 5. 1非最终取样位置的选择以上所说的取样位置是指为了评价最终排放结果而确定的取样位置, 这是正规的排出流监测的取样位置。而在某些情况下, 为了预测生产条件、个人防护状况或有助于对最终排放的测量结果进行解释, 可能要求在最终排放点上游的其他位置实行取样。这种取样位置的性能标准与正规的最终排放取样位置的性能标准是相同的, 但其条件可能要严酷得多, 例如浓度可

10、能会更高、粒子可能更大、气体的化学活性和腐蚀性可能会更强。2. 5. 2流出物排放系统的设计流出物的排放系统, 即烟囱或管道排放系统, 其整体结构设计必须同取样系统设计相结合而给以统筹考虑。在排出流的结构设计中应该采取必要的措施, 以使得:抽取到有代表性的样品, 对所取样品给以最小的损失进行传输和收集。其中抽取有代表性样品的最重要的要求是:取样平面必须定位在流出物已混合均匀的地方。流出物排放系统设计的其他一些考虑还有:(1 在正规取样位置的下游不能再增加流出物的排放点;(2 不能将取样位置定位于任何排放流衰减装置的上游;(3 取样位置应定位在强化污染物混合的有关装置的下游;(4 取样平面的定位

11、应尽量接近样品收集器或分析器, 以保证传输管尽量短、几乎没有弯头和其他转移器件;(5 提供足够的空间和通道以方便于取样管嘴的目测检查、气流传感器检测、取样性能试验以及日常的检测维护;(6 稳定可靠的电源及相应的环境调节设备。辐射防护通讯2003年4月第23卷第2期表4取样位置的认定标准汇总特性测量方法认定标准平均合成角度<20°%COV <20COV <20%任何一点的最大浓度不大于平均浓度的30%COV <20%考查烟囱1 中是否有涡旋流的方法用40C FR60的附录A 中的方法14烟囱中的气流速度分布按方法1在烟囱中心的2/3截面内选择横向点烟囱内示踪气体

12、的浓度分布烟囱内示踪气体的最大浓度烟囱中气溶胶粒子浓度的分布按方法1在烟囱中心的2/3截面内选择横向点按方法1在烟囱的整个截面内选择横向点按方法1在烟囱中心的2/3截面内选择横向点1 烟囱大小:直径>0. 3m 为大烟囱, 直径<0. 3m 为小烟囱。3取样系统的设计正确选定了烟囱中的取样位置, 将取样位置的排放流抽吸(一部分 出来, 经过传输管道(取样管 进而收集过滤在收集器或探测器上, 在这个过程中所涉及到的一系列部件, 构成了烟囱取样系统。烟囱取样系统的典型结构如图1所示。3. 1取样管嘴设计3. 1. 1一般考虑对于气溶胶粒子取样, 取样管嘴的入口性能至关重要。它的作用是将

13、烟囱排放流中的污染物吸入到取样管嘴内, 经过传输系统输送到收集器或探测器。取样管嘴对气溶胶粒子的吸入性能是管嘴设计的核心。新标准对取样管嘴的设计立足于单点取样, 条件是取样位置的粒子浓度和气流速度均达到良好混合; 不再要求同流态取样(等速取样 , 条件是管嘴结构设计要符合一定的规范。这就是说, 取样管嘴符合一定的设计规范, 取样位置定位在粒子浓度和气流速度达到均匀混合的地方, 只需按适当设计的取样流量进行单点取样即可获得有代表性的样品。表征管嘴可获取代表性样品的两个参数是吸入比和传输比。取样管嘴入口的吸入比A e 定义为:A e =输比T r 定义为:T r =e c (4i c (3式中,

14、c i 和c e 分别为管嘴入口平面浓度和管嘴出口平面浓度(参见图2; c 为烟囱排出流(也称自由流 中的浓度 。图1烟囱取样系统结构示意图核设施烟囱和管道气载放射性排放物的取样监测(二c i -c e=W l 看作管嘴内部引起的壁损c i失, 传输比则可表示为:将T r =A e (1-W l (5可以看出, 用吸入比和传输比分别描述了取样管嘴本身的入口性能和出口性能, 也可谓最贴切地描述了排放流中粒子进入取样管嘴的性能和在管嘴中的传输(或损失 性能。3. 1. 2管嘴性能对取样管嘴的入口性能和出口性能, 新标准规定:在可预计的正常工作条件或事故条件下, 对于101. 50的m 的粒子, 其

15、吸入比必须在0. 80范围; 其传输比必须在0. 801. 30的范围。检验方法用10m 的液体粒子进行。3. 1. 3管嘴设计原标准中规定的同流态取样可以保证吸入比为1, 却不能保证不会产生重大的壁损失, 因而也就保证不了传输比尽可能接近于1。新标准推荐了一种管嘴设计, 其结构方式与原标准的管嘴设计有极大的不同, 新的管嘴设计大大减少了管嘴本身的壁损失(W l , 因而也就大大增加了传输比, 使之尽可能接近于1。这种新型的取样管嘴是一种屏罩式取样管嘴, 其结构如图2所示。这种取样管嘴对10m 粒子的管壁损失大约只为原标准取样管嘴的1/5,而且这种管嘴适用于单点取样, 所要求的入口流速不小于烟

16、囱自由流速度的30%即可, 因而免除了同流态取样的要求。再有一个优点是, 这种管嘴相对来说不受烟囱气流速度、取样流量、自由流扰动和自由流与管嘴入口之间的角度等的变化的影响 。图2屏罩式取样管嘴结构示意图精心设计的无屏罩的锐沿管嘴也可大大降低管壁损失, 而使传输比对于10m 粒子来说可增加1倍。取样管嘴的存在不能干扰烟囱中粒子浓度的分布, 为此, 规定管嘴前端的面积不能大于管嘴定位处的烟囱截面积的15%。3. 1. 4应用与性能考虑在选择和应用管嘴时如下因素应予考虑:(1 定位:取样管嘴应定位在粒子浓度和气流动量(速度 两者均达到良好混合的位置。(2 方向:对气溶胶取样管嘴, 其轴向方向应与自由

17、流方向一致或平行。(3 吸入比和传输比:要针对10m 的粒子按设计的取样流量和预期的自由流速度进行实验验证, 或者参照已有的试验结果进行必要的论证。(4 取样流量与自由流速度:取样管嘴的取样流量可以是变化的, 以配合自由流的变化; 也可以是固定的, 以适应收集器或分析器的性能要求。但是, 如果源项属于PIC1类, 对于记录性取样, 则必须使取样流量随通过烟囱的气体流量(即自由流流量 成比例的变化, 以便能精确评价真正的释放量。(5 管嘴结构:锐沿入口, 外锥角不大于30°, 使用维修过程中不得有损伤。(6 组合管嘴:多点式的组合管嘴一般不提倡, 如果用了排列型的组合管嘴, 其性能要进

18、行验证, 以证明是符合要求的。(7 维修:对取样管嘴, 应针对其准直特性、有无其他沉积物以及其他可能影响取样性能的因素进行年度检查; 对用于取样经过HEPA 过滤空气的取样管嘴, 一当管嘴内外表面有可见的沉积物时则必须清洗。辐射防护通讯2003年4月第23卷第2期(8 更新:鼓励研制新型取样管嘴, 只要这些管嘴按要求经实验证明满足甚至超过了规定的性能标准, 即可投入使用。3. 2取样管由取样管嘴出来的取样气流, 一般要经过一定结构的传输管即取样管(其中还包括一个或多个弯头以及可能的连接件等 才能到达收集器或探测器(见图1 。被取样的物质在取样管中运动时发生管壁沉积损失是最受关心的性能指标之一。

19、总的原则是:在从取样管嘴到收集器或分析器的转移和传输过程中, 必须保证被取样的气载放射性物质的浓度和粒度的变化为最小。3. 2. 1沉积损失粒子在取样管或传输管内的沉积损失必须评价。取样管的直管段(特别是水平管段 要尽可能短、弯头数要尽可能少。在管段之间有连接时, 不能在内表面形成相对于气流迎面的“台阶”(管径的减少不得>1% 。必须要求有弯头时, 弯头的曲率比(曲率半径除以弯管直径 应大于3。弯曲中所形成的压扁度不大于15%。粒子在取样管中总会有一定的沉积损失, 这种损失必须进行估算和检测。各种影响沉积损失的工作参数必须精心设计。新标准规定:对整个取样系统, 从自由流吸入到收集器收集的

20、整个取样过程中, 其总透过率用10m 的粒子衡量, 其总透过率不小于50%, 即损失率不大于50%。关于粒子在取样系统中各种沉积损失的估算, 新标准规定了若干细则并推荐了计算软件。相关内容可参见文献5,6。3. 2. 2锈蚀取样管的内壁材料必须保证使得与样品中可能存在并可能发生沉积的气溶胶粒子或气态物质的化学反应为最小。一般来说, 核工业中用于气溶胶取样的管材为不锈钢, 对放射性气态碘的取样管材为四氟乙烯。3. 2. 3静电效应取样管应该用金属管或导电的塑料管制作。要注意的是, 在取样系统中用了柔性而不导电的软管作过渡件或连接件时, 其弯曲度和静电效应引起的粒子损失不可小视。3. 2. 4内表

21、面光洁度为减少粒子沉积和便于去污, 取样管内壁的光洁度应给以足够的重视。例如, 内径为25mm 的取样管, 其内壁粗糙度平均不得超过1. 6m 。3. 2. 5凝聚取样管中引起蒸气凝聚的现象必须避免, 所采取的非凝聚措施的有效性应给以证实。3. 2. 6清洗对于被取样空气流, 如果是经过HEPA 过滤系统过滤了的, 其取样管道在预计的寿命期内可能不需要清洗, 但必须至少每年进行一次检查。如果取样管嘴内壁有可见的沉积物, 就必须同时对取样管进行检查, 如发现取样管内有可见沉积物, 则取样管必须进行清洗。清洗要考虑去污效果。3. 3气体和蒸气取样如果被取样的气体或蒸气具有化学活性和凝聚性, 取样管

22、的材料、长度以及有关的工作参数同样要给以精心设计并给以实验验证或可靠性论证。取样管的材料对粒子取样是适用的, 而对气体或蒸气取样不适用时, 可能要实行分离取样。尽量缩短取样管长, 是减少可反应性气体和凝聚性蒸气取样损失的有效方法。新标准规定, 对气体和蒸气取样, 取样系统的整个透过率不得小于50%。新标准对放射性碘、氚取样的实施细则及性能验证给予了详细说明。3. 4粒子样品的收集经过取样管的粒子到达收集器被收集, 视取样后的测量方法的不同而有不同的收集方式。收集器是一种过滤器, 这是粒子取样用得最多、也是最常用的方法。粒子收集器的选择与操作要注意的问题是:(1 根据收集后是即时测量(如CAM

23、空气连续监测仪那样 , 还是延时测量, 样品要有不同的显示方式和保存方式;(2 保证合适的取样流量和探测效率以满足有关的灵敏度要求;(3 收集器的泄漏最小;(4 收集区内的粒子损失最小。过滤介质是粒子收集装置的核心。过滤效率是过滤介质最受关注的技术指标。新标准对粒子过滤的工作原理、应用中需注意的问题以及可供选择的各类滤纸的性能指标给予了介绍。3. 5气体与蒸气样品的收集核工业中对排放流中放射性气体和蒸气的取样和收集方法通常有两种。一种是分离和阻留特定成分的取样。对这种取样方法, 必须详细知道所关心的放射性气体或蒸气的化学性质和物理特性, 从而正确选用阻留或收集介质。最典型的是各核设施烟囱和管道

24、气载放射性排放物的取样监测 ( 二 种化学形态的放射性碘的取样和收集 , 其收集器 为各种活性炭等。 另一种是不分离具体成分的取 样 , 这种取样只关心排放流中放射性气体的总趋 势或相对水平 ,其收集装置有容积式收集器 (如真 空容器 和流气式收集器 (如电离室 两种。 3. 6 取样体积的测量 取样空气体积是确定释放速率和剂量水平的 关键参数 ,因此 ,空气取样体积或取样流量的测量 方法和测量仪表的正确应用是取样系统正确运行 的重要环节。 因为空气体积 (流量 与空气密度有 关 , 所以 , 空气体积或空气流量都指的是标准空气 条件 (压力 101. 3 kPa , 温度 298 K 下的干

25、燥空气 的体积或流量 。 这就提示我们: 对取样系统中取样 体积或取样流量的正确测量必须给以严格规范 。 依据核设施类别的不同、 从而取样方案的不 同 , 对取样流量的测量和检测有不同的要求 。 如果 烟囱或管道属于 PIC1 类 ,取样流量必须测量 (连 续测量 和控制 ,而且取样流量必须随烟囱中自由 流 (排 放 流 流 速 的 变 化 成 比 例 的 变 化 ( 唯 在 CAM 监测仪中取样流量可以固定 , 但 由此引起 的不确定度要给以估计 。 新标准对取样流量 (体积 的测量 、显示 、调控 及有关注意事项提供了指导 。 3. 7 泄漏检验 取样系统由于经过了长的传输 , 又具有多个

26、 连接部件 , 因此对取样系统各个部件可能引起的 泄漏必须予以检验 , 这种检验在设备安装、 重要维 修以及年度检测中都必须进行。 新标准对泄漏控 · 文献题录· 制的合格程度及泄漏的检验方法给予了规范。 3. 8 排放流的流速测量 烟囱或管道中排出流的体流量 (自由流的体 流量 是正确估算排放流释放量的基本参数 ,也是 设计取样系统的重要依据。 通过烟囱排出的空气 流量必须定期测量 , 如果排出流中存在重要释放 , 还可能要求进行连续测量。 对于 P IC1类烟囱或 管道 , 排放流量必须进行连续测量 ; 对 PIC2 类烟 囱或 管道 , 当 排放流的 变化范围 可能大于 20 % 时 , 也必须 进行连续测量 ; 对 PIC3 类 , 只要求进 行定期测量 。 新标准对测