核島水過濾器濾芯性能鑒定試驗研究設(shè)計和驗證

張 明，王燕燕，張富美，羅立清，孫陽陽，劉 幸

(1.中廣核研究院有限公司系統(tǒng)工程與改造中心，廣東 深圳 518124；2.陽江核電有限公司工程改造部，廣東 陽江 529941)

為保證核電廠的穩(wěn)定運行，反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)和重要工藝系統(tǒng)中的水質(zhì)必須滿足電廠水化學(xué)要求。核島水過濾器是核電廠水質(zhì)凈化的重要設(shè)備，起到了去除腐蝕產(chǎn)物、固體顆粒物、破碎樹脂顆粒以及其他機械雜質(zhì)的作用[1]。所以水過濾器性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)水質(zhì)，從而影響整個核電廠的性能。

當前，國內(nèi)所有在運在建核電機組的核島水過濾器濾芯均被國外壟斷，濾芯材料為玻璃纖維。而在濾芯國產(chǎn)化研發(fā)過程中，也面臨著國內(nèi)核島水過濾器濾芯鑒定標準空白、鑒定能力缺乏等一系列困難。本文依托承擔的國家能源局戰(zhàn)略備件庫“壓水堆核電站核島水過濾器產(chǎn)品試驗回路建設(shè)”項目，開展了核島水過濾器濾芯性能鑒定試驗研究設(shè)計和驗證工作，為打破國外技術(shù)壟斷、保障濾芯研發(fā)、掌握濾芯鑒定能力提供了保障。

本文通過對國內(nèi)外過濾器濾芯的鑒定標準進行比對分析，完成了核島水過濾器濾芯主要性能測試方法的設(shè)計和試驗臺架建設(shè)，并開展了各項性能鑒定試驗驗證，最終開發(fā)出一種能滿足核電廠要求的核島水過濾器濾芯。

1 核島水過濾器濾芯性能鑒定試驗分析

1.1 鑒定試驗內(nèi)容分析

核島水過濾器濾芯需要在研制完成后經(jīng)過一系列性能鑒定試驗并且合格后才能在核電站使用。目前，國內(nèi)沒有專門針對核電廠核島水過濾器濾芯的鑒定標準，水濾芯的鑒定主要參考液壓濾芯標準進行，參考標準主要為：ISO 2942：2018、ISO 3968：2017、ISO 16889：2008、ISO 3724：2007、ISO 2941：2009。而國外，法國水濾芯鑒定主要采用AFNOR NFX301—311系列標準，歐盟水濾芯鑒定主要采用BS EN 13443—2—2006標準。其中，法國AFNOR系列標準與歐盟標準BS EN 13443—2—2006中的檢測方法基本一致。而目前國內(nèi)外濾芯鑒定標準中均未有濾芯耐輻照性能鑒定的相關(guān)描述。

鑒于以上國內(nèi)外鑒定標準現(xiàn)狀，本文在研究核島水過濾器濾芯性能鑒定試驗項目和內(nèi)容時列出了如表1所示核島水過濾器濾芯需要開展的主要試驗項目，旨在開發(fā)出一種能滿足核電廠系統(tǒng)要求的核島水過濾器濾芯。

表1 過濾器濾芯性能鑒定試驗內(nèi)容Table 1 test content of filter element performance

1.2 鑒定標準分析

結(jié)構(gòu)完整性、流量壓差、過濾效率和納污容量、抗疲勞性、抗破裂強度、耐輻照性是過濾器濾芯的主要性能參數(shù)，不同介質(zhì)的過濾器濾芯鑒定試驗主要是圍繞這6個性能進行評價。對適用于過濾器鑒定的ISO標準和NFX標準[2-6]所采用的試驗液體、試驗流量、污染物注入濃度、判定標準等參數(shù)進行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 過濾器濾芯性能鑒定標準對比Table 2 test standard comparison of filter element performance

對核島水過濾器濾芯而言，其試驗介質(zhì)為水時才能客觀測試出其性能，因為水比油的粘度小，水介質(zhì)條件下的污染物粉塵要比液壓油介質(zhì)條件下的粉塵更容易沉降，試驗難度更大，試驗結(jié)果更易失真，試驗結(jié)果的準確性要求也更高。根據(jù)表2可知，NFX系列標準的試驗介質(zhì)為水，且在試驗溫度、試驗要求、判定標準等方面均比ISO標準要求更嚴格，因而采用NFX系列標準開展鑒定試驗更能客觀反映核島水過濾器濾芯的真實性能。

2 核島水過濾器濾芯鑒定試驗裝置設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)完整性試驗裝置

結(jié)構(gòu)完整性試驗裝置設(shè)計由試驗系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、試驗工裝、電氣控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等組成。試驗裝置采用異丙醇作為試驗液體，待測濾芯完全浸沒在試驗液體中，用壓縮空氣作為氣源，壓縮空氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)后進入空氣過濾器凈化，然后進入濾芯內(nèi)部，逐漸增大濾芯內(nèi)部的壓力，直至濾芯表面出現(xiàn)一連串氣泡。結(jié)構(gòu)完整性試驗裝置的設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)完整性試驗裝置原理圖Fig.1 Schematic of structural integrity test device

2.2 流量壓差關(guān)系試驗裝置

流量壓差關(guān)系試驗裝置設(shè)計由試驗循環(huán)系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、實時溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。試驗裝置采用水作為試驗液體，試驗液體經(jīng)去污過濾器去除雜質(zhì)后由流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到規(guī)定試驗流量，進入待測濾芯后返回水箱。待測濾芯兩端壓差由壓差計測量記錄。流量壓差關(guān)系試驗裝置的設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 流量壓差關(guān)系試驗裝置原理圖Fig.2 Schematic of flow-pressure relationship test device

2.3 過濾效率與納污容量試驗裝置

過濾器效率與納污容量試驗裝置設(shè)計由試驗循環(huán)系統(tǒng)、污染物注入系統(tǒng)、試驗輔助系統(tǒng)、在線污染檢測系統(tǒng)、實時溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。試驗裝置采用水作為試驗液體，采用MTD粉塵作為污染物，采用16通道顆粒計數(shù)器進行計數(shù)。試驗液體經(jīng)主泵進入待測濾芯，待測濾芯兩端連接顆粒計數(shù)器對濾芯進出口的污染物顆粒數(shù)進行計數(shù)，同時待測濾芯兩端的壓差計對濾芯的壓差進行測量。過濾效率與納污容量試驗裝置的設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 過濾效率與納污容量試驗裝置原理圖Fig.3 Schematic of filtration efficiency and sewage capacity test device

2.4 抗疲勞和抗破裂試驗裝置

抗流動疲勞試驗和抗破裂強度試驗的試驗介質(zhì)相同、功能相近，主要設(shè)備可以共用，因此將這兩個試驗裝置進行了合并設(shè)計?？蛊诤涂蛊屏言囼炑b置設(shè)計由試驗循環(huán)系統(tǒng)、污染物注入系統(tǒng)、試驗輔助系統(tǒng)、實時溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。試驗裝置采用水作為主要試驗液體。污染物注入系統(tǒng)用于向試驗管路中加注顆粒粉塵以達到被測濾芯的最大壓差。試驗輔助系統(tǒng)設(shè)計用于水箱充、排液，平衡試驗中水箱體積。試驗準備期間，設(shè)計用電磁閥控制向試驗水箱輸水達到設(shè)定值，試驗過程中用電磁閥排出試驗水箱中的水到下水道中，平衡水箱液位?？蛊诤涂蛊屏言囼炑b置的設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 抗疲勞和抗破裂試驗裝置原理圖Fig.4 schematic of anti-fatigue and anti-fracture test device

3 性能鑒定試驗方法及步驟

3.1 結(jié)構(gòu)完整性試驗

調(diào)節(jié)實驗室溫度，確保室內(nèi)溫度在15～25 ℃，測量該環(huán)境溫度下異丙醇的表面張力；將濾芯浸入異丙醇中，在至少50 kPa的局部真空中浸泡15 min；將濾芯置于預(yù)先裝滿異丙醇的起泡試驗裝置中，使濾芯軸線與液體表面平行；調(diào)節(jié)液位的高度至濾芯上方(10±2)mm，確保溫度介于15～25 ℃；每次增加50 Pa，逐步增加濾芯內(nèi)部的氣體壓力，同時濾芯在每次增壓時完全自轉(zhuǎn)，當出現(xiàn)一連串的氣泡時停止增壓，記錄此時的壓力和液體溫度；重復(fù)以上操作兩次，每次浸潤15 min。將測得的壓力值換算為20 ℃下的修正值，計算修正值的算術(shù)平均值，如果相對誤差大于5%，則需要重新試驗。計算所得的起泡點壓力值應(yīng)高于廠家提供的起泡點設(shè)計壓力值。

3.2 流量壓差關(guān)系試驗

調(diào)節(jié)實驗室溫度，確保室內(nèi)溫度在21～25 ℃；將不含濾芯的過濾器殼體安裝好，設(shè)定流量為1.2倍額定流量，使管線水流動，溫度穩(wěn)定在(23±2)℃，保持壓力讀數(shù)穩(wěn)定；將流量調(diào)整到0.2倍額定流量，記錄過濾器殼體入口壓力、出口壓力、溫度值；將流量值逐漸增加，每次增加0.2倍額定流量，記錄過濾器殼體入口壓力、出口壓力，直到達到1.2倍額定流量；在過濾器殼體中安裝濾芯，并重復(fù)上述流程；對每個流量值，過濾器整體壓差減去過濾器殼體壓差，計算得到濾芯壓差。若清潔濾芯在測試流量下的壓差值小于清潔濾芯的設(shè)計壓差值(25 kPa)，則濾芯的流量壓差關(guān)系合格。

3.3 過濾效率與納污容量試驗

調(diào)節(jié)實驗室溫度，確保室內(nèi)溫度在21～25 ℃；準備加注管路和試驗管路，啟動循環(huán)泵和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量值為試驗流量值±2%，調(diào)節(jié)溫度為(23±2)℃，使液體循環(huán)通過試驗管路中的除污過濾器，直至污染等級達到規(guī)定值，并至少保持15 min，記錄只有過濾器殼體時的壓差；開始試驗：啟動計時器和1號管路注入泵，污染物濃度為5 mg/L的加注管路持續(xù)加注半小時，污染物濃度為100 mg/L的加注管路持續(xù)加注15 min，多個時段交替進行，在污染物濃度為5 mg/L的時段內(nèi)，使過濾器上游和下游的取樣裝置和自動計數(shù)器每30 s取樣一次，污染物濃度為100 mg/L的時段內(nèi)，中斷上游計數(shù)，繼續(xù)進行試驗，直至濾芯壓差達到250 kPa。根據(jù)加注管路的濃度和流量，以及試驗持續(xù)時間計算過濾器的截留能力，測定的濾芯過濾效率應(yīng)不低于濾芯的過濾效率設(shè)計值(98%)。過濾器截流能力計算公式如公式(1)。

CR=Qi1Ci1T1+Qi2Ci2T2

(1)

式中：CR——濾芯截流能力；

Qi1——低濃度污染物加注流量；

Ci1——低濃度污染物，5 mg/L；

T1——低濃度污染物階段的持續(xù)時間；

Qi2——高濃度污染物加注流量；

Ci2——高濃度污染物，100 mg/L；

T2——高濃度污染物階段的持續(xù)時間。

3.4 抗疲勞試驗

調(diào)節(jié)實驗室溫度，確保室內(nèi)溫度在21～25 ℃；調(diào)節(jié)好抗疲勞試驗裝置參數(shù)，將濾芯安裝在試驗殼體內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度至(23±2) ℃，調(diào)節(jié)流量，使濾芯靜壓差為200 kPa；將試驗流量從0變化到規(guī)定值(0.2 MPa所對應(yīng)的流量)，再從規(guī)定值變化到0，變化頻率為0.05 Hz，經(jīng)過500次循環(huán)后停止試驗。在試驗規(guī)定流量下濾芯壓差下降幅度與初始壓差相比不超過10%、濾芯無明顯瑕疵，則濾芯的抗流動疲勞合格。

3.5 抗破裂試驗

調(diào)節(jié)實驗室溫度，確保室內(nèi)溫度在21～25 ℃；按3.1節(jié)先進行結(jié)構(gòu)完整性試驗；調(diào)節(jié)好抗破裂試驗裝置參數(shù)，調(diào)節(jié)液體溫度至(23±2) ℃，調(diào)節(jié)流速至規(guī)定值；將微濾水流量調(diào)整到60 m3/h，采用壓差表測量過濾器上下游壓差，向試驗回路中注入污染物直至過濾器上下游壓差達到0.25 MPa，停止注入污染物，保持循環(huán)30 min。過濾器進出口壓差在0.25 MPa時可以保持30 min，不出現(xiàn)壓差驟降，且濾芯無瑕疵，則濾芯的抗破裂強度合格。

3.6 耐輻照性試驗

先將待測濾芯按照3.1節(jié)要求進行結(jié)構(gòu)完整性試驗，并記錄其泡點壓力值。然后將試驗濾芯送往輻照實驗室按照輻照劑量要求進行照射，輻照射線為60Coγ射線。照射完成后，觀察試驗樣品的外觀變化，有無破損現(xiàn)象。然后按照3.1節(jié)要求對輻照后的濾芯開展結(jié)構(gòu)完整性試驗，并記錄泡點壓力值。濾芯輻照后無明顯瑕疵，外觀無變化，且輻照前后泡點壓力值的變化比在15%以內(nèi)，則濾芯耐輻照性能合格。

4 性能鑒定試驗結(jié)果

在遵循濾芯各項性能鑒定試驗要求的前提下，對自主研制的同一批次相同精度和規(guī)格的核島水過濾器濾芯開展上述6項鑒定試驗，各項試驗的鑒定結(jié)果如下。

4.1 結(jié)構(gòu)完整性試驗

采用1號、2號濾芯分別進行結(jié)構(gòu)完整性試驗。試驗結(jié)果如表3所示，其中1號濾芯起泡點位置如圖5所示，2號濾芯起泡點位置如圖6所示。

表3 核島水過濾器濾芯結(jié)構(gòu)完整性試驗結(jié)果Table 3 Structural integrity test result of nuclear island water filter element

圖5 1號濾芯起泡點位置Fig.5 No.1 filter bubble point position

圖6 2號濾芯起泡點位置Fig.6 No.2 filter bubble point position

4.2 流量壓差關(guān)系試驗

采用1號、2號濾芯分別進行流量壓差關(guān)系試驗。試驗結(jié)果如表4所示，其中1號濾芯的流量壓差關(guān)系變化曲線如圖7所示，2號濾芯的流量壓差關(guān)系變化曲線如圖8所示。

圖7 1號濾芯流量壓差關(guān)系變化曲線圖Fig.7 Curve of No.1 filter flow-pressure relationship

圖8 2號濾芯流量壓差關(guān)系變化曲線圖Fig.8 Curve of No.2 filter flow-pressure relationship

表4 核島水過濾器濾芯流量壓差關(guān)系試驗結(jié)果Table 4 flow-pressure relationship test result of nuclear island water filter element

4.3 過濾效率與納污容量試驗

采用3號、4號濾芯分別進行1 000 L/min和200 L/min兩種流量下的過濾效率與納污容量試驗。試驗過程主要分為低濃度污染物加注時段(5 mg/L)和高濃度污染物加注時段(100 mg/L)兩個時段，這兩個時段交替進行，其中過濾效率的測試是在低濃度污染加注時段進行，而高濃度污染物加注時段主要是為了加快濾芯的納污速率，該時段由于污染物濃度高，不符合顆粒計數(shù)器的檢測要求，需要將顆粒計數(shù)器進行隔離，并停止計數(shù)，因而最終的試驗曲線會出現(xiàn)中斷顯示。

試驗結(jié)果如表5所示。3號濾芯過濾效率隨時間的變化曲線如圖9所示、過濾效率隨顆粒尺寸的變化曲線如圖10所示。4號濾芯過濾效率隨時間的變化曲線如圖11所示、過濾效率隨顆粒尺寸的變化曲線如圖12所示。其中圖9和圖11中曲線中斷的時間段為高濃度時段，該時段內(nèi)停止濾芯過濾效率的測試。而圖12中出現(xiàn)了過濾效率隨顆粒物尺寸增加先上升后下降的現(xiàn)象，分析認為這主要是由于在持續(xù)大流量工況下，試驗進行到后期濾芯納污量已接近設(shè)計值，在經(jīng)受大量污染物的沖擊后，濾紙局部會出現(xiàn)輕微的損傷，使得少量較大尺寸的污染物未被有效攔截，從而導(dǎo)致濾芯的過濾效率出現(xiàn)了微弱下降，這種現(xiàn)象并不影響濾芯的整體過濾性能。

圖9 3號濾芯過濾效率隨時間變化曲線圖Fig.9 No.3 filter filtration efficiency versus time curve

圖10 3號濾芯過濾效率隨顆粒變化曲線圖Fig.10 No.3 filter filtration efficiency versus particle size curve

圖11 4號濾芯過濾效率隨時間變化曲線圖Fig.11 No.4 filter filtration efficiency versus time curve

圖12 4號濾芯過濾效率隨顆粒變化曲線圖Fig.12 No.4 filter filtration efficiency versus particle size curve

表5 核島水過濾器濾芯過濾效率與納污容量試驗結(jié)果Table 5 Filtration efficiency and sewage capacity test result of nuclear island water filter element

4.4 抗疲勞試驗

采用5號濾芯進行抗疲勞試驗。試驗結(jié)果如表6所示。5號濾芯試驗初始階段壓差隨流量變化曲線如圖13所示，5號濾芯試驗結(jié)束階段壓差隨流量變化曲線如圖14所示。

圖13 5號濾芯試驗初始階段流量壓差變化圖Fig.13 No.5 filter flow-pressure relationship curve at initial stage

圖14 5號濾芯試驗結(jié)束階段壓差流量變化Fig.14 No.5 filter flow-pressure relationship curve at end stage

表6 核島水過濾器濾芯抗疲勞試驗結(jié)果Table 6 anti-fatigue test result of nuclear island water filter element

4.5 抗破裂試驗

采用6號濾芯進行抗破裂試驗。試驗結(jié)果如表7所示。6號濾芯壓差隨時間的變化如圖15所示。

圖15 6號濾芯壓差隨時間變化圖Fig.15 No.6 filter pressure difference versus time curve

表7 核島水過濾器濾芯抗破裂試驗結(jié)果Table 7 anti-break test result of nuclear island water filter element

4.6 耐輻照性試驗

采用7號濾芯進行耐輻照試驗。試驗結(jié)果如表8所示。

表8 核島水過濾器濾芯耐輻照試驗結(jié)果Table 8 radiation resistance test result of nuclear island water filter element

5 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)外過濾器濾芯性能鑒定標準的分析研究，開展了核島水過濾器濾芯結(jié)構(gòu)完整性、流量壓差關(guān)系、過濾效率納污容量、抗疲勞、抗破裂、耐輻照性等6項主要性能鑒定試驗設(shè)計，設(shè)計建設(shè)了濾芯鑒定試驗臺架，成功測試了自主研制濾芯的主要性能參數(shù)，各項測試性能參數(shù)能夠滿足核電廠核島系統(tǒng)運行要求。