核電廠水濾芯過濾精度和效率評測法

吳小波，李生勇，劉宇騰，于曉雷，鄭之壽

（1.華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京海淀 100036；2.安泰環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京海淀 100081）

0 引言

核電廠核島輔助系統(tǒng)中設(shè)置的水過濾器的作用，是除去反應(yīng)堆運(yùn)行過程中冷卻劑內(nèi)產(chǎn)生的固體腐蝕產(chǎn)物和裂變產(chǎn)物、截留破碎樹脂顆粒和其他機(jī)械雜質(zhì)，以滿足工藝系統(tǒng)對水質(zhì)的要求，維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。過濾精度和過濾效率是過濾器性能的關(guān)鍵參數(shù)，核電廠對過濾精度的要求，最初只有5 μm、25 μm、100 μm 等。但隨著核電廠對一回路水質(zhì)要求的不斷提高，有些重要的放射性水處理系統(tǒng)已經(jīng)改用過濾精度為0.45 μm 和1 μm 的濾芯，有些核電廠甚至計(jì)劃使用過濾精度為0.2 μm 和0.1 μm 的濾芯。

核電廠核島輔助系統(tǒng)中設(shè)置的水過濾器濾芯過濾效率一般要求在98%以上，材料主要為玻璃纖維。玻璃纖維材料的水過濾器濾芯在核電廠長期使用過程中存在很多缺點(diǎn)，為此研發(fā)新型不同材料的高精度水過濾器濾芯是有必要的。

1 水濾芯過濾性能檢測中的問題

目前國內(nèi)對于核電廠用水過濾器液固分離的過濾效率和納污容量的性能檢測試驗(yàn)，在NB/T 20486—2018 中，要求采用GB/T 18853—2015 的規(guī)定，并采用符合GB/T 6682—2008 的三級水來配制試驗(yàn)液。目前國外對水過濾器濾芯的過濾效率和納污容量的性能檢測標(biāo)準(zhǔn)有法標(biāo)NF X 45-303-2000，德標(biāo)DIN EN 13443-2-2007 等。

上述國外標(biāo)準(zhǔn)所采用的檢測設(shè)備與GB/T 18853—2015 中的檢測設(shè)備基本相同，但上述國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均沒有給出過濾精度＜1 μm 的水過濾器濾芯的過濾效率性能檢測方法。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外已發(fā)布的液壓行業(yè)和水過濾行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅有對過濾精度＞1 μm 的水過濾器濾芯進(jìn)行過濾效率的檢測方法。進(jìn)一步調(diào)研核電廠核島輔助系統(tǒng)中設(shè)置的水過濾器濾芯主要供貨商，對于過濾精度＜1 μm 的水過濾器濾芯的過濾效率性能檢測方法，有的公司采用的是檢測濾芯對空氣中的塵埃顆粒的過濾性能，以此來替代水過濾器濾芯的過濾性能檢測，但沒有說明氣固分離檢測與液固分離檢測之間的關(guān)聯(lián)以及區(qū)別情況；有的公司則因?yàn)楸Ｃ艿仍颍芙^透露其檢測方法。

因此，對于新研發(fā)不同材料的高精度水過濾器濾芯較大的難點(diǎn)，是過濾精度＜1 μm 的過濾效率的性能檢測方法。

2 亞微米級水濾芯過濾精度和效率評測

出于新研發(fā)核電廠不同材料的高精度水過濾器濾芯項(xiàng)目的實(shí)際需求，項(xiàng)目組進(jìn)行了一系列探索試驗(yàn)。采用的試驗(yàn)用具主要包括“不銹鋼”金屬纖維燒結(jié)氈作為高精度水過濾器濾芯、液固分離綜合性能試驗(yàn)臺和顆粒計(jì)數(shù)器，以及其他滿足GB/T 18853—2015 的設(shè)備。試驗(yàn)的基本原理是用配置好的均勻混合原料液，利用液固分離綜合性能試驗(yàn)臺測試濾材，用顆粒計(jì)數(shù)器檢測各對應(yīng)過濾精度的濾前顆粒數(shù)和濾后液體中的顆粒數(shù)，從而獲得濾材的過濾比和過濾效率。

對于此次新研發(fā)的特定的“不銹鋼”金屬纖維燒結(jié)氈濾芯、特定的此種高精度濾芯加工方法以及采用GB/T 18853—2015 試驗(yàn)設(shè)備和條件，利用試驗(yàn)裝置對各不同型號的“不銹鋼”金屬纖維燒結(jié)氈濾芯進(jìn)行過濾性能測試，實(shí)測了對于不同粒徑（2 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm 等5 種規(guī)格）的顆粒，其濾前和濾后的顆粒數(shù)量，進(jìn)而可以計(jì)算出對各濾材以及各過濾精度所對應(yīng)的過濾效率。

經(jīng)過研發(fā)項(xiàng)目組大量的試驗(yàn)，以及對試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)仔細(xì)對比和研究后發(fā)現(xiàn)：在此次新研發(fā)的特定的“不銹鋼”金屬纖維燒結(jié)氈作為濾芯材料、特定的此種高精度濾芯加工方法以及采用GB/T 18853—2015 試驗(yàn)設(shè)備和條件下，若以新研發(fā)濾芯的過濾精度為橫坐標(biāo)，以濾芯“孔徑/過濾精度”的比值為縱坐標(biāo)繪制曲線，可以看出對于不同的過濾效率，該曲線均呈現(xiàn)明顯的趨勢，即隨著過濾精度的提高，“孔徑/過濾精度”的比值也會變大，如圖1 所示。

圖1 實(shí)測水過濾器濾芯過濾效率

采用樣條插值法對曲線進(jìn)行回歸處理，得到擬合方程，并限定擬合方程適用范圍為0.1 μm≤X（濾芯的過濾精度）≤30 μm，項(xiàng)目組采用擬合方程對4 μm 和30 μm 的過濾精度進(jìn)行了預(yù)測，得到的預(yù)測值和試驗(yàn)值相差在5%的范圍內(nèi)。

為進(jìn)一步討論該方法的合理性，項(xiàng)目組人員組織了“核電廠高精度水濾芯過濾效率檢測技術(shù)”專家評審會，評審會專家來自于高校、濾芯生產(chǎn)廠家、核電廠等，項(xiàng)目組匯報(bào)了核電廠高精度水濾芯過濾性能檢測方法的研究情況，提出了“核電廠亞微米級水過濾器濾芯過濾精度和效率評測法”，與會專家經(jīng)過討論形成意見如下：該方法通過評價特定條件下給定孔徑的濾材，在亞微米區(qū)間是否可以滿足所要求的過濾精度和過濾效率，解決了當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)備難以直接檢測水過濾器亞微米級精度的過濾效率問題；該方法為亞微米級過濾精度濾材的選擇提供了依據(jù)，建議進(jìn)行工程試驗(yàn)應(yīng)用。

項(xiàng)目組運(yùn)用上述預(yù)測模型，預(yù)測了上述特定條件下，過濾精度為0.45 μm 和0.1 μm、過濾效率為98%的水過濾器濾芯需要的孔徑，為項(xiàng)目組研發(fā)不同材料的高精度水過濾器濾芯，在沒有直接試驗(yàn)檢測的方法情況下提供了指導(dǎo)和評測方法。如圖2所示，為預(yù)測曲線向亞微米區(qū)間的延展圖。

圖2 預(yù)測曲線向亞微米區(qū)間的延展

3 結(jié)語

綜合特定條件下大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以新研發(fā)水過濾器濾芯的過濾精度為橫坐標(biāo)，以水過濾器濾芯“孔徑/過濾精度”為縱坐標(biāo)繪制曲線，對于不同的過濾效率，該曲線均呈現(xiàn)明顯的趨勢，根據(jù)趨勢提出了“核電廠亞微米級水過濾器濾芯過濾精度和效率評測法”，為不同單位或人員在沒有直接試驗(yàn)檢測的方法情況下，研發(fā)其他材料的高精度水過濾器濾芯提供了指導(dǎo)和借鑒。