核級(jí)濾芯動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)及測(cè)試方法探討＊

崔滿滿，楊 超，桂璐廷

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233； 2.南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

為了保證核電站的正常運(yùn)行，回路中設(shè)置了一系列不同規(guī)格的、具有不同功能的水過(guò)濾濾芯來(lái)過(guò)濾水中以膠體形式存在的腐蝕產(chǎn)物和懸浮顆粒物［1］，此類(lèi)濾芯常采用玻璃纖維來(lái)制備濾材。玻璃纖維濾材具有高效低阻、高納污容量、耐酸等優(yōu)良特性［2］，在過(guò)濾行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，但在核電站以硼鋰溶液為主的水質(zhì)工況下，玻璃纖維濾材仍會(huì)因介質(zhì)腐蝕而析出二氧化硅等物質(zhì)。對(duì)于核電站回路而言，二氧化硅是一種有害雜質(zhì)，當(dāng)其在回路中的濃度較高時(shí)極易沉結(jié)在燃料包殼上，加重對(duì)鋯合金材料的腐蝕，嚴(yán)重影響核電站的安全運(yùn)行［3］。因此在玻璃纖維濾芯正式投入使用前，需對(duì)其以二氧化硅為主的雜質(zhì)析出行為進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而預(yù)估其在實(shí)際工況中的使用情況。

濾芯的析出行為主要有2種評(píng)價(jià)方法，分為實(shí)驗(yàn)室常用的靜態(tài)浸泡試驗(yàn)［4］和核電行業(yè)常用的熱態(tài)試驗(yàn)［5］。靜態(tài)浸泡法是研發(fā)過(guò)程中的主要測(cè)試手段，方法為將濾材浸泡于硼鋰溶液中并設(shè)定溫度保溫，定期更換浸泡液并測(cè)試其中的雜質(zhì)濃度。熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，也就是動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)則是通過(guò)搭建循環(huán)流動(dòng)臺(tái)架將濾芯處于動(dòng)態(tài)加熱的浸泡環(huán)境中，并定期從回路取浸泡液進(jìn)行雜質(zhì)濃度測(cè)定。與靜態(tài)浸泡法相比，動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)由于需要借助臺(tái)架，操作成本更高，且維護(hù)難度大，但因?yàn)槭轻槍?duì)濾芯進(jìn)行模擬實(shí)際工況的流動(dòng)測(cè)試，更能體現(xiàn)濾芯在實(shí)際工況中的運(yùn)行特性。

本文在介紹動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)及測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的設(shè)計(jì)臺(tái)架，提出了一些技術(shù)建議和需要注意的問(wèn)題，以期為核電行業(yè)動(dòng)態(tài)循環(huán)測(cè)試的優(yōu)化提供參考。

1 動(dòng)態(tài)循環(huán)臺(tái)架設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括機(jī)架、控制裝置和安裝在機(jī)架上的循環(huán)管路系統(tǒng)。循環(huán)管路系統(tǒng)見(jiàn)圖1，由液體流通管路系統(tǒng)及管路中的動(dòng)力系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)及待測(cè)濾芯放置腔等組成。

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

由于動(dòng)態(tài)循環(huán)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，為了確保動(dòng)力系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)泵的選擇十分重要。泵根據(jù)工作原理可分為動(dòng)力式泵、容積式泵和其他類(lèi)型泵（如噴射泵、電磁泵等）。

動(dòng)力式泵又叫葉輪式泵或葉片式泵，是依靠旋轉(zhuǎn)的葉輪部件帶動(dòng)液體高速回轉(zhuǎn)，把機(jī)械能連續(xù)地傳遞給液體，隨后通過(guò)壓出室將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，又可分為離心泵、軸流泵、混流泵和旋渦泵等。容積式泵則是依靠部件運(yùn)動(dòng)造成裝載工作空間容積的周期性變化，把能量周期性地傳遞給液體，使壓力增加至液體被強(qiáng)行排出［5］，根據(jù)工作元件的運(yùn)動(dòng)形式又可分為往復(fù)泵和回轉(zhuǎn)泵。表1中對(duì)目前市面上使用較多的幾類(lèi)泵的適用范圍和特性做出了比較，可供參考。

從表1可以看到，對(duì)應(yīng)臺(tái)架所用試驗(yàn)介質(zhì)，適用于低粘度介質(zhì)的動(dòng)力式泵相對(duì)符合臺(tái)架要求，其中根據(jù)臺(tái)架運(yùn)行流量最終選擇離心泵作為試驗(yàn)用泵。

在選擇了合適的試驗(yàn)泵之后，臺(tái)架運(yùn)行過(guò)程中試驗(yàn)泵的維護(hù)和檢測(cè)也十分重要，管路的選材應(yīng)優(yōu)選耐蝕性強(qiáng)的不銹鋼材料，并設(shè)置凈化過(guò)濾器，避免在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中由銹蝕造成的污染物混入試驗(yàn)系統(tǒng)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中斷。

1.2 溫控系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)架的溶液溫度直接影響著濾芯的二氧化硅析出程度，因此對(duì)管路的溫度必須進(jìn)行嚴(yán)格管控，確?？疾旖Y(jié)論的可靠性。動(dòng)態(tài)循環(huán)臺(tái)架溫控系統(tǒng)的設(shè)置與實(shí)驗(yàn)液體的注入方法有關(guān)。多數(shù)臺(tái)架會(huì)設(shè)置儲(chǔ)液罐，則加熱器設(shè)置于儲(chǔ)液罐內(nèi)，對(duì)儲(chǔ)液罐中的試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行集中升溫后將介質(zhì)通入回路。部分動(dòng)態(tài)循環(huán)臺(tái)架不采用儲(chǔ)液罐，選擇直接將實(shí)驗(yàn)液體通過(guò)加液口注入管路，此時(shí)加熱器通常設(shè)置在管路前段上，使通過(guò)的試驗(yàn)介質(zhì)迅速升溫達(dá)到設(shè)定溫度，這對(duì)加熱器的均勻性和效率要求很高。由于管路所需實(shí)驗(yàn)介質(zhì)量較大，最終選擇設(shè)置儲(chǔ)罐并將加熱器設(shè)置于儲(chǔ)罐中。

1.3 流量控制系統(tǒng)

為了保證體系中的流量穩(wěn)定性，需要設(shè)置流量計(jì)監(jiān)控流量。流量計(jì)按照結(jié)構(gòu)原理大致可分為差壓流量計(jì)、浮子流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。通常對(duì)于較小的管道尺寸，一般選用轉(zhuǎn)子、渦輪和質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)于大的管道直徑一般用電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)［6］。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室常用的一種流量計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、壓力損失小、維修方便等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)適用于測(cè)量通過(guò)管道直徑 D＜150 mm的小流量，也可以測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的流量［7］。缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用玻璃錐管，其耐壓力低，有較大的破損風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)因?yàn)樽陨砦龀龆趸瓒绊憣?duì)介質(zhì)中濾芯析出物濃度的測(cè)定。

渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，它在流體經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)使葉輪旋轉(zhuǎn)感受流體平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量。渦輪流量計(jì)具有精度高、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少、耐高壓、測(cè)量范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、壓力損失小、維修方便等優(yōu)點(diǎn)［8］，缺點(diǎn)則在于難以長(zhǎng)期維持校準(zhǔn)特性，這對(duì)于其在長(zhǎng)期運(yùn)行臺(tái)架中的工作不利。

目前市面上常用的流量計(jì)得到的流量測(cè)量值大多是流體的體積流量，這往往不能滿足人們的要求，通常還需要設(shè)法獲得流體的質(zhì)量流量。隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了可以直接測(cè)量質(zhì)量流量的流量計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)采用的是感應(yīng)式測(cè)量，所以不會(huì)因?yàn)闅怏w溫度、壓力的變化從而影響到測(cè)量的結(jié)果，是一種較為準(zhǔn)確、快速、可靠、高效、穩(wěn)定、靈活的流量測(cè)量?jī)x表［9］。最終自主設(shè)計(jì)臺(tái)架選擇質(zhì)量流量計(jì)作為流量監(jiān)測(cè)裝置，其外觀如圖2所示。

圖2 質(zhì)量流量計(jì)

1.4 管路系統(tǒng)

臺(tái)架的管路系統(tǒng)是達(dá)成參數(shù)控制的重要部分，除了前文提到的管材選擇及管道設(shè)計(jì)必須考察的管路承壓能否與動(dòng)力系統(tǒng)匹配以外，還應(yīng)注意在對(duì)所有管接頭和管道布局時(shí)需消除流動(dòng)死區(qū)，確保整個(gè)試驗(yàn)管路中呈紊流狀態(tài)，避免濾芯析出的雜質(zhì)在管路系統(tǒng)內(nèi)滯留影響測(cè)試結(jié)果。為避免形成顆粒捕集區(qū)和聚集區(qū)并形成旋風(fēng)分離區(qū)和空腔，管道長(zhǎng)度盡可能短［10］。為確保取樣溶液穩(wěn)定、壓力值精準(zhǔn)，管路中的取樣閥門(mén)、壓力表均置于管內(nèi)液體紊流處，避免放于彎頭、空腔處。

2 動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)方法

針對(duì)濾芯雜質(zhì)析出情況的動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)?zāi)壳安⑽葱纬山y(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法，其大體步驟如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)流程示意圖

單從測(cè)試方法來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)還存在著一些需要明確的指標(biāo)，比如臺(tái)架的設(shè)定流量、取樣的時(shí)間間隔等，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置應(yīng)經(jīng)反復(fù)考察敲定，力求表達(dá)濾芯的真實(shí)特性。

2.1 流量選擇

動(dòng)態(tài)循環(huán)臺(tái)架設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量模擬實(shí)際工況流量，因?yàn)榱髁科蜁?huì)減小水流對(duì)濾芯的沖擊及造成的損傷，濾芯的析出速率或?qū)⒂兴鶞p緩，從而影響測(cè)試結(jié)果的可靠性。但試驗(yàn)臺(tái)架受泵及管材限制通常難以達(dá)到核電回路相當(dāng)參數(shù)，同時(shí)超大流量對(duì)穩(wěn)流裝置要求較高，臺(tái)架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)流量設(shè)定有所取舍。

2.2 取樣間隔

濾芯在長(zhǎng)期浸泡過(guò)程中的雜質(zhì)析出規(guī)律大致表現(xiàn)為前期析出較快且有波動(dòng)，后期速率逐漸穩(wěn)定并有所減緩至基本不析出?；诖它c(diǎn)，通常會(huì)選擇前期密集取樣，析出速率放慢后適當(dāng)延長(zhǎng)取樣間隔的測(cè)試方法。但取樣間隔的調(diào)整需要經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎考慮，至少應(yīng)滿足一段時(shí)間的數(shù)據(jù)穩(wěn)定才能進(jìn)行切換，避免對(duì)后續(xù)濾芯在實(shí)際工況下的性能預(yù)測(cè)造成影響。

3 結(jié)論

（1）基于核電站對(duì)于水過(guò)濾器濾芯的性能要求，結(jié)合核電站實(shí)際應(yīng)用工況及濾芯本身特性自主設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。

（2）依托動(dòng)態(tài)循環(huán)臺(tái)架介紹了具體測(cè)試方法并對(duì)測(cè)試參數(shù)提出了相關(guān)建議。

（3）本文設(shè)計(jì)的濾芯動(dòng)態(tài)循環(huán)臺(tái)架仍然需要在運(yùn)行之中不斷優(yōu)化，為了確保濾芯在核電站回路中的穩(wěn)定運(yùn)行，臺(tái)架設(shè)計(jì)及其測(cè)試方法需要同時(shí)具備實(shí)用性和可行性，只有建立了獨(dú)立的濾芯能力驗(yàn)證體系，才能真正擺脫國(guó)外濾芯的卡脖子問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)核電全面國(guó)產(chǎn)化。