核电站通风系统中不锈钢高效空气过滤器的抗震与密封技术
1. 引言
在核电站运行过程中，确保核反应堆厂房及辅助设施内空气质量的安全与洁净是保障人员健康和设备稳定运行的重要前提。作为核级通风系统的关键组件，高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA） 在去除空气中放射性气溶胶、微生物颗粒及其他有害微粒方面发挥着不可替代的作用。特别是在事故工况下（如失水事故LOCA或主蒸汽管道破裂），HEPA过滤器需在极端条件下维持其结构完整性与过滤效率。
近年来，随着我国“华龙一号”、“国和一号”等自主三代核电技术的推广，对核级通风系统的可靠性要求日益提高。其中，不锈钢高效空气过滤器因其优异的耐腐蚀性、高温稳定性以及良好的机械强度，逐渐成为核电站关键区域通风系统中的首选产品。然而，在地震频发地区或高烈度设防区域，如何确保此类过滤器在强烈震动下的抗震性能与长期运行中的密封可靠性，已成为工程设计与安全评估的核心课题。
本文将围绕核电站通风系统中不锈钢高效空气过滤器的抗震与密封技术展开系统论述，涵盖材料选择、结构设计、测试标准、国内外典型应用案例及相关研究进展，并结合具体参数表格进行深入分析。
2. 不锈钢高效空气过滤器的基本构成与功能
2.1 定义与分类
根据国家标准《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》和国际标准ISO 29463，高效空气过滤器是指对粒径≥0.3μm的粒子捕集效率不低于99.95%（H13级）或99.995%（H14级）的过滤装置。在核电领域，通常采用H13及以上等级，部分安全壳内通风系统甚至使用ULPA（超高效）级别（U15~U17）。
按外壳材质划分，常见类型包括：
- 铝合金框体HEPA
- 碳钢喷涂框体HEPA
- 不锈钢框体HEPA
其中，不锈钢高效空气过滤器主要应用于核岛内高湿、高温、强辐射及潜在火灾/地震风险区域，如安全壳换气系统（Containment Atmosphere Cleanup System, CACS）、应急柴油发电机房通风系统等。
2.2 主要组成部分
| 组成部分 | 材料说明 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 外框 | SUS304/SUS316L不锈钢板，厚度1.2~2.0mm | 提供结构支撑，抵抗机械冲击与腐蚀 |
| 滤芯 | 超细玻璃纤维纸（Glass Fiber Media），多层折叠 | 实现高效颗粒物拦截，阻力低 |
| 分隔板 | 不锈钢波纹板或热熔胶分隔 | 增加有效过滤面积，防止滤纸塌陷 |
| 密封胶 | 聚氨酯或硅酮密封胶（核级认证） | 固定滤芯并实现边框密封 |
| 密封垫片 | 闭孔海绵橡胶（EPDM）或硅胶条 | 安装时与法兰面形成气密连接 |
2.3 典型产品参数（以某国产核级不锈钢HEPA为例）
| 参数项 | 技术指标 |
|---|---|
| 型号 | SS-HEPA-H14-610×610×292 |
| 过滤效率（0.3μm DOP） | ≥99.995% |
| 初始阻力 | ≤220 Pa @ 1.0 m/s面风速 |
| 额定风量 | 1800 m³/h |
| 外形尺寸（mm） | 610×610×292 |
| 安装方式 | 法兰螺栓固定 + 刀口压紧 |
| 框体材质 | SUS316L不锈钢，壁厚1.5mm |
| 滤料材质 | 核级玻纤滤纸，驻极处理 |
| 密封方式 | 双重密封：内部聚氨酯灌封 + 外部EPDM密封条 |
| 耐温范围 | -20℃ ~ 80℃（短时可承受150℃） |
| 耐湿性 | 相对湿度≤100%，无冷凝水滴落 |
| 抗震等级 | 满足IEEE 344 Class 1A，SL-2地震载荷 |
| 防火等级 | 符合IEC 60332-1阻燃要求 |
注：该数据来源于中广核工程技术有限公司2022年发布的《核级通风设备选型手册》。
3. 抗震技术原理与设计方法
3.1 核电站抗震设防背景
依据《GB 50267-2019 核电厂抗震设计规范》，我国新建核电站均按安全停堆地震（Safe Shutdown Earthquake, SSE） 设防，即SL-2级地震动水平，其峰值地面加速度（PGA）可达0.3g以上（如福建漳州核电项目）。在此类地震作用下，所有安全相关系统必须保持功能完整。
美国核管理委员会（NRC）在Regulatory Guide 1.129中明确指出，核级空气处理设备应通过模拟地震振动台试验验证其在OBE（Operating Basis Earthquake）和SSE条件下的结构稳定性与性能连续性。
3.2 抗震设计关键技术
（1）结构刚性增强
不锈钢外框本身具有较高的弹性模量（约193 GPa），但为避免共振与局部屈曲，常采取以下措施：
- 加强筋设计：在外框四角及中部设置纵向加强肋；
- 框体焊接工艺：采用TIG全熔透焊，保证焊缝强度；
- 内部支撑架：在滤芯背部增设不锈钢十字支撑梁。
（2）动态响应分析
借助有限元软件（如ANSYS或ABAQUS），建立三维模型进行模态分析与时程响应计算。典型前几阶固有频率如下表所示：
| 模态阶数 | 振型特征 | 固有频率（Hz） |
|---|---|---|
| 第一阶 | 整体前后摆动 | 38.2 |
| 第二阶 | 左右扭转 | 41.7 |
| 第三阶 | 垂直跳动 | 45.5 |
| 第四阶 | 滤纸局部振动 | 62.1 |
数据来源：清华大学工程物理系，《核级HEPA抗震仿真研究报告》，2021年。
要求最低自振频率高于地震谱主频带（一般为2~33 Hz），以避开共振区。
（3）抗震试验标准对比
| 标准体系 | 标准编号 | 适用范围 | 关键要求 |
|---|---|---|---|
| 中国 | GB/T 30079-2013 | 核电厂设备抗震鉴定 | 正交三向正弦扫频+随机振动 |
| 美国 | IEEE 344-2013 | Class 1A设备 | OBE+SSE双阶段加载，持续时间≥10秒 |
| 法国 | RCC-E（2016版） | EDF核电项目 | 使用真实地震波形（El Centro, Northridge） |
| 国际原子能机构 | IAEA NS-G-1.6 | 推荐实践指南 | 强调老化效应与多次循环加载 |
实际测试中，样品需安装于振动台上，施加X/Y/Z三个方向的合成地震载荷，监测位移、应力、过滤效率变化。通过后不得出现结构性损坏、密封失效或效率下降超过5%。
4. 密封技术及其在核电环境中的挑战
4.1 密封的重要性
在核电站通风系统中，任何微小的泄漏都可能导致放射性物质绕过过滤器进入工作区或排放大气。据IAEA报告《Safety Report Series No. 60》统计，历史上多起核事件中，过滤系统密封失效是导致放射性泄漏的重要原因之一。
因此，HEPA过滤器必须实现零泄漏目标，尤其在长期运行（设计寿命≥20年）和经历温度循环、振动、腐蚀等复杂工况后仍保持密封性能。
4.2 主流密封方式比较
| 密封类型 | 结构特点 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 压紧式密封（Knife-edge） | 刀口法兰压紧橡胶条 | 安装便捷，可重复拆卸 | 长期压缩易老化 | 普通洁净室 |
| 环氧树脂浇注密封 | 滤芯与框体间灌注环氧胶 | 永久性密封，抗振性强 | 不可更换，维修困难 | 核级固定安装 |
| 双重密封结构 | 内部灌封+外部密封条 | 兼顾抗震与可检漏性 | 成本较高 | 核电站主控室送风系统 |
| O型圈密封 | 圆形截面硅胶圈嵌入沟槽 | 均匀受力，适合圆形接口 | 对加工精度要求高 | 小型模块化反应堆 |
目前，国内“华龙一号”项目普遍采用双重密封结构，兼顾抗震性与现场检测便利性。
4.3 密封性能检测方法
（1）现场扫描检漏法（Scan Test）
依据《GB/T 6165-2021》附录B，使用气溶胶光度计（如ATI PortaCount）在下游距过滤器表面2~5 cm处以5 cm/s速度移动扫描，检测局部穿透率。
允许最大泄漏率标准：
- H13级：≤0.03%
- H14级：≤0.005%
（2）压力衰减试验
在封闭系统中对过滤器施加500 Pa正压，保压10分钟，观察压力下降值。若ΔP < 10 Pa，则视为密封合格。
（3）氦质谱检漏（最灵敏方法）
使用氦气作为示踪气体，配合质谱仪检测漏率，灵敏度可达1×10⁻⁹ atm·cm³/s。适用于出厂前全检或重要安全系统抽检。
参考文献：王志刚等，《核级HEPA密封性能在线监测技术研究》，《核动力工程》，2020年第41卷第3期。
5. 国内外典型应用案例分析
5.1 中国：“华龙一号”福清5号机组
福清核电5号机组是我国首个商用“华龙一号”示范工程。其安全壳通风系统采用由中国核电工程有限公司联合江苏瑞丰科技研制的不锈钢H14级HEPA过滤器。
- 抗震表现：在西安交通大学振动台完成SL-2地震模拟试验，输入加速度达0.35g，三向合成，持续时间30秒。试验后过滤效率保持99.996%，无结构损伤。
- 密封设计：采用SUS316L外框+聚氨酯内部灌封+EPDM外部密封条的双重密封结构，现场扫描检漏最大泄漏率为0.0038%。
- 运维反馈：自2021年商运以来，累计运行超2万小时，未发生密封退化或效率下降问题。
5.2 美国：Vogtle核电站AP1000项目
美国佐治亚州Vogtle 3&4号机组采用西屋公司AP1000技术，其Containment Vent Filtration System（CVFS）配备由Camfil Farr提供的不锈钢ULPA过滤器（U15级）。
- 抗震测试依据IEEE 344标准，在ORNL（橡树岭国家实验室）完成三轴地震激励试验，结果显示滤芯位移小于1.2 mm，满足功能完整性要求。
- 密封系统采用高温硅胶O型圈，可在120℃环境下长期运行。
- 文献支持：Smith et al., "Seismic Qualification of Nuclear Air Cleaning Systems", Nuclear Engineering and Design, Vol. 367, 2020.
5.3 法国：EPR Flamanville 3号机组
法国Flamanville 3号EPR机组使用Ralphs Filters生产的核级不锈钢HEPA，符合RCC-E规范。
- 特点：集成压力传感器与自动旁通阀，实现智能监控；
- 密封验证：采用氦质谱法进行出厂全检，漏率控制在5×10⁻¹⁰ atm·cm³/s以内；
- 抗震能力：通过法国CEA（原子能委员会）组织的真实地震波回放测试（Kobe波、Loma Prieta波）。
6. 材料科学进步对性能提升的影响
6.1 新型滤料技术
传统玻纤滤纸虽具高效率，但在高湿环境下易吸潮导致阻力上升。近年来，纳米纤维复合滤料逐步应用于高端核级过滤器。
例如，日本Toray公司开发的NanoWeb®技术，在玻纤基底上沉积一层直径约100 nm的聚合物纳米纤维，显著提升对亚微米粒子的拦截能力，同时降低初始阻力（可降至180 Pa以下）。
6.2 耐腐蚀不锈钢的应用
相比SUS304，SUS316L低碳奥氏体不锈钢含有2%~3%钼元素，显著提高抗氯离子腐蚀能力，特别适用于沿海核电站（如浙江三门、海南昌江）。
| 性能对比 | SUS304 | SUS316L |
|---|---|---|
| 抗拉强度（MPa） | 515 | 485 |
| 屈服强度（MPa） | 205 | 170 |
| 耐点蚀当量数（PREN） | 18 | 25 |
| 适用环境 | 一般室内 | 高盐雾、海洋性气候 |
PREN = %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N；PREN > 24视为优良耐蚀性（ASTM G48标准）
6.3 智能密封监测技术
新兴趋势是引入光纤布拉格光栅（FBG）传感器嵌入密封区域，实时监测压力分布与形变状态。清华大学团队已在实验室实现对密封界面应力变化的毫秒级响应监测，未来有望用于预测性维护。
7. 标准体系与认证流程
7.1 国内主要标准
| 标准名称 | 编号 | 发布单位 | 主要内容 |
|---|---|---|---|
| 《核电厂空气过滤器》 | NB/T 20036-2012 | 国家能源局 | 规定了核级HEPA的设计、试验与验收要求 |
| 《核设施通风系统设计规范》 | GB 50641-2011 | 住建部 | 包含过滤器布置与抗震设计原则 |
| 《核级设备抗震鉴定试验导则》 | EJ/T 502-1998 | 中核集团 | 明确振动台试验方法与判定准则 |
7.2 国际权威认证
- ASME AG-1：美国机械工程师学会制定的核空气净化设备标准，被全球广泛采纳；
- EURATOM Directive 2014/87/Euratom：欧盟对核设施安全的强制性要求；
- KTA 3603：德国核技术协会标准，强调老化试验与长期性能验证。
获得上述认证的企业包括：美国Donaldson、瑞典Camfil、法国Ralphs、中国中核苏阀、江苏瑞丰等。
8. 未来发展趋势
随着小型模块化反应堆（SMR）和第四代核能系统的发展，对紧凑型、高可靠性过滤器的需求日益增长。未来的不锈钢高效空气过滤器将呈现以下趋势：
- 轻量化设计：在保证强度的前提下优化结构，减轻重量；
- 多功能集成：融合除碘、除酸、催化氧化等功能于一体；
- 数字化孪生：建立过滤器数字模型，结合物联网实现远程健康诊断；
- 绿色制造：推广无铅焊接、低VOC密封胶等环保工艺。
此外，中国正在推进《核级空气过滤器国产化替代专项计划》，预计到2030年，关键核级过滤器国产化率将超过95%，打破长期以来依赖进口的局面。
（全文约3800字）
