張 明,王燕燕,張富美,羅立清,孫陽(yáng)陽(yáng),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(yáng)江核電有限公司工程改造部,廣東 陽(yáng)江 529941)
為保證核電廠的穩(wěn)定運(yùn)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(guò)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(shù)脂顆粒以及其他機(jī)械雜質(zhì)的作用[1]。所以水過(guò)濾器性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)水質(zhì),從而影響整個(gè)核電廠的性能。
當(dāng)前,國(guó)內(nèi)所有在運(yùn)在建核電機(jī)組的核島水過(guò)濾器濾芯均被國(guó)外壟斷,濾芯材料為玻璃纖維。而在濾芯國(guó)產(chǎn)化研發(fā)過(guò)程中,也面臨著國(guó)內(nèi)核島水過(guò)濾器濾芯鑒定標(biāo)準(zhǔn)空白、鑒定能力缺乏等一系列困難。本文依托承擔(dān)的國(guó)家能源局戰(zhàn)略備件庫(kù)“壓水堆核電站核島水過(guò)濾器產(chǎn)品試驗(yàn)回路建設(shè)”項(xiàng)目,開(kāi)展了核島水過(guò)濾器濾芯性能鑒定試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作,為打破國(guó)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(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外過(guò)濾器濾芯的鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)分析,完成了核島水過(guò)濾器濾芯主要性能測(cè)試方法的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)臺(tái)架建設(shè),并開(kāi)展了各項(xiàng)性能鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證,最終開(kāi)發(fā)出一種能滿足核電廠要求的核島水過(guò)濾器濾芯。
核島水過(guò)濾器濾芯需要在研制完成后經(jīng)過(guò)一系列性能鑒定試驗(yàn)并且合格后才能在核電站使用。目前,國(guó)內(nèi)沒(méi)有專門(mén)針對(duì)核電廠核島水過(guò)濾器濾芯的鑒定標(biāo)準(zhǔn),水濾芯的鑒定主要參考液壓濾芯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,參考標(biāo)準(zhǔn)主要為:ISO 2942:2018、ISO 3968:2017、ISO 16889:2008、ISO 3724:2007、ISO 2941:2009。而國(guó)外,法國(guó)水濾芯鑒定主要采用AFNOR NFX301—311系列標(biāo)準(zhǔn),歐盟水濾芯鑒定主要采用BS EN 13443—2—2006標(biāo)準(zhǔn)。其中,法國(guó)AFNOR系列標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 13443—2—2006中的檢測(cè)方法基本一致。而目前國(guó)內(nèi)外濾芯鑒定標(biāo)準(zhǔn)中均未有濾芯耐輻照性能鑒定的相關(guān)描述。
鑒于以上國(guó)內(nèi)外鑒定標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀,本文在研究核島水過(guò)濾器濾芯性能鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容時(shí)列出了如表1所示核島水過(guò)濾器濾芯需要開(kāi)展的主要試驗(yàn)項(xiàng)目,旨在開(kāi)發(fā)出一種能滿足核電廠系統(tǒng)要求的核島水過(guò)濾器濾芯。
表1 過(guò)濾器濾芯性能鑒定試驗(yàn)內(nèi)容Table 1 test content of filter element performance
結(jié)構(gòu)完整性、流量壓差、過(guò)濾效率和納污容量、抗疲勞性、抗破裂強(qiáng)度、耐輻照性是過(guò)濾器濾芯的主要性能參數(shù),不同介質(zhì)的過(guò)濾器濾芯鑒定試驗(yàn)主要是圍繞這6個(gè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)適用于過(guò)濾器鑒定的ISO標(biāo)準(zhǔn)和NFX標(biāo)準(zhǔn)[2-6]所采用的試驗(yàn)液體、試驗(yàn)流量、污染物注入濃度、判定標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。
表2 過(guò)濾器濾芯性能鑒定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Table 2 test standard comparison of filter element performance
對(duì)核島水過(guò)濾器濾芯而言,其試驗(yàn)介質(zhì)為水時(shí)才能客觀測(cè)試出其性能,因?yàn)樗扔偷恼扯刃?,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(yàn)難度更大,試驗(yàn)結(jié)果更易失真,試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性要求也更高。根據(jù)表2可知,NFX系列標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)介質(zhì)為水,且在試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)要求、判定標(biāo)準(zhǔn)等方面均比ISO標(biāo)準(zhǔn)要求更嚴(yán)格,因而采用NFX系列標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展鑒定試驗(yàn)更能客觀反映核島水過(guò)濾器濾芯的真實(shí)性能。
結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)由試驗(yàn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、試驗(yàn)工裝、電氣控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)裝置采用異丙醇作為試驗(yàn)液體,待測(cè)濾芯完全浸沒(méi)在試驗(yàn)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(jìn)入空氣過(guò)濾器凈化,然后進(jìn)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(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。
圖1 結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic of structural integrity test device
流量壓差關(guān)系試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)由試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)裝置采用水作為試驗(yàn)液體,試驗(yàn)液體經(jīng)去污過(guò)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(yàn)流量,進(jìn)入待測(cè)濾芯后返回水箱。待測(cè)濾芯兩端壓差由壓差計(jì)測(cè)量記錄。流量壓差關(guān)系試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。
圖2 流量壓差關(guān)系試驗(yàn)裝置原理圖Fig.2 Schematic of flow-pressure relationship test device
過(guò)濾器效率與納污容量試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)由試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)、污染物注入系統(tǒng)、試驗(yàn)輔助系統(tǒng)、在線污染檢測(cè)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)裝置采用水作為試驗(yàn)液體,采用MTD粉塵作為污染物,采用16通道顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。試驗(yàn)液體經(jīng)主泵進(jìn)入待測(cè)濾芯,待測(cè)濾芯兩端連接顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)濾芯進(jìn)出口的污染物顆粒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),同時(shí)待測(cè)濾芯兩端的壓差計(jì)對(duì)濾芯的壓差進(jìn)行測(cè)量。過(guò)濾效率與納污容量試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。
圖3 過(guò)濾效率與納污容量試驗(yàn)裝置原理圖Fig.3 Schematic of filtration efficiency and sewage capacity test device
抗流動(dòng)疲勞試驗(yàn)和抗破裂強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)相同、功能相近,主要設(shè)備可以共用,因此將這兩個(gè)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了合并設(shè)計(jì)。抗疲勞和抗破裂試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)由試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)、污染物注入系統(tǒng)、試驗(yàn)輔助系統(tǒng)、實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)裝置采用水作為主要試驗(yàn)液體。污染物注入系統(tǒng)用于向試驗(yàn)管路中加注顆粒粉塵以達(dá)到被測(cè)濾芯的最大壓差。試驗(yàn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于水箱充、排液,平衡試驗(yàn)中水箱體積。試驗(yàn)準(zhǔn)備期間,設(shè)計(jì)用電磁閥控制向試驗(yàn)水箱輸水達(dá)到設(shè)定值,試驗(yàn)過(guò)程中用電磁閥排出試驗(yàn)水箱中的水到下水道中,平衡水箱液位。抗疲勞和抗破裂試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。
圖4 抗疲勞和抗破裂試驗(yàn)裝置原理圖Fig.4 schematic of anti-fatigue and anti-fracture test device
調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度,確保室內(nèi)溫度在15~25 ℃,測(cè)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(yàn)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(shí)濾芯在每次增壓時(shí)完全自轉(zhuǎn),當(dāng)出現(xiàn)一連串的氣泡時(shí)停止增壓,記錄此時(shí)的壓力和液體溫度;重復(fù)以上操作兩次,每次浸潤(rùn)15 min。將測(cè)得的壓力值換算為20 ℃下的修正值,計(jì)算修正值的算術(shù)平均值,如果相對(duì)誤差大于5%,則需要重新試驗(yàn)。計(jì)算所得的起泡點(diǎn)壓力值應(yīng)高于廠家提供的起泡點(diǎn)設(shè)計(jì)壓力值。
調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度,確保室內(nèi)溫度在21~25 ℃;將不含濾芯的過(guò)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(dòng),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(guò)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(guò)濾器殼體入口壓力、出口壓力,直到達(dá)到1.2倍額定流量;在過(guò)濾器殼體中安裝濾芯,并重復(fù)上述流程;對(duì)每個(gè)流量值,過(guò)濾器整體壓差減去過(guò)濾器殼體壓差,計(jì)算得到濾芯壓差。若清潔濾芯在測(cè)試流量下的壓差值小于清潔濾芯的設(shè)計(jì)壓差值(25 kPa),則濾芯的流量壓差關(guān)系合格。
調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度,確保室內(nèi)溫度在21~25 ℃;準(zhǔn)備加注管路和試驗(yàn)管路,啟動(dòng)循環(huán)泵和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng),調(diào)節(jié)流量值為試驗(yàn)流量值±2%,調(diào)節(jié)溫度為(23±2)℃,使液體循環(huán)通過(guò)試驗(yàn)管路中的除污過(guò)濾器,直至污染等級(jí)達(dá)到規(guī)定值,并至少保持15 min,記錄只有過(guò)濾器殼體時(shí)的壓差;開(kāi)始試驗(yàn):?jiǎn)?dòng)計(jì)時(shí)器和1號(hào)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(shí),污染物濃度為100 mg/L的加注管路持續(xù)加注15 min,多個(gè)時(shí)段交替進(jìn)行,在污染物濃度為5 mg/L的時(shí)段內(nèi),使過(guò)濾器上游和下游的取樣裝置和自動(dòng)計(jì)數(shù)器每30 s取樣一次,污染物濃度為100 mg/L的時(shí)段內(nèi),中斷上游計(jì)數(shù),繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),直至濾芯壓差達(dá)到250 kPa。根據(jù)加注管路的濃度和流量,以及試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間計(jì)算過(guò)濾器的截留能力,測(cè)定的濾芯過(guò)濾效率應(yīng)不低于濾芯的過(guò)濾效率設(shè)計(jì)值(98%)。過(guò)濾器截流能力計(jì)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(shí)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(shí)間。
調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度,確保室內(nèi)溫度在21~25 ℃;調(diào)節(jié)好抗疲勞試驗(yàn)裝置參數(shù),將濾芯安裝在試驗(yàn)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(yàn)流量從0變化到規(guī)定值(0.2 MPa所對(duì)應(yīng)的流量),再?gòu)囊?guī)定值變化到0,變化頻率為0.05 Hz,經(jīng)過(guò)500次循環(huán)后停止試驗(yàn)。在試驗(yàn)規(guī)定流量下濾芯壓差下降幅度與初始?jí)翰钕啾炔怀^(guò)10%、濾芯無(wú)明顯瑕疵,則濾芯的抗流動(dòng)疲勞合格。
調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室溫度,確保室內(nèi)溫度在21~25 ℃;按3.1節(jié)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn);調(diào)節(jié)好抗破裂試驗(yàn)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(cè)量過(guò)濾器上下游壓差,向試驗(yàn)回路中注入污染物直至過(guò)濾器上下游壓差達(dá)到0.25 MPa,停止注入污染物,保持循環(huán)30 min。過(guò)濾器進(jìn)出口壓差在0.25 MPa時(shí)可以保持30 min,不出現(xiàn)壓差驟降,且濾芯無(wú)瑕疵,則濾芯的抗破裂強(qiáng)度合格。
先將待測(cè)濾芯按照3.1節(jié)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn),并記錄其泡點(diǎn)壓力值。然后將試驗(yàn)濾芯送往輻照實(shí)驗(yàn)室按照輻照劑量要求進(jìn)行照射,輻照射線為60Coγ射線。照射完成后,觀察試驗(yàn)樣品的外觀變化,有無(wú)破損現(xiàn)象。然后按照3.1節(jié)要求對(duì)輻照后的濾芯開(kāi)展結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn),并記錄泡點(diǎn)壓力值。濾芯輻照后無(wú)明顯瑕疵,外觀無(wú)變化,且輻照前后泡點(diǎn)壓力值的變化比在15%以內(nèi),則濾芯耐輻照性能合格。
在遵循濾芯各項(xiàng)性能鑒定試驗(yàn)要求的前提下,對(duì)自主研制的同一批次相同精度和規(guī)格的核島水過(guò)濾器濾芯開(kāi)展上述6項(xiàng)鑒定試驗(yàn),各項(xiàng)試驗(yàn)的鑒定結(jié)果如下。
采用1號(hào)、2號(hào)濾芯分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,其中1號(hào)濾芯起泡點(diǎn)位置如圖5所示,2號(hào)濾芯起泡點(diǎn)位置如圖6所示。
表3 核島水過(guò)濾器濾芯結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Structural integrity test result of nuclear island water filter element
圖5 1號(hào)濾芯起泡點(diǎn)位置Fig.5 No.1 filter bubble point position
圖6 2號(hào)濾芯起泡點(diǎn)位置Fig.6 No.2 filter bubble point position
采用1號(hào)、2號(hào)濾芯分別進(jìn)行流量壓差關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,其中1號(hào)濾芯的流量壓差關(guān)系變化曲線如圖7所示,2號(hào)濾芯的流量壓差關(guān)系變化曲線如圖8所示。
圖7 1號(hào)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(hào)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(guò)濾器濾芯流量壓差關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果Table 4 flow-pressure relationship test result of nuclear island water filter element
采用3號(hào)、4號(hào)濾芯分別進(jìn)行1 000 L/min和200 L/min兩種流量下的過(guò)濾效率與納污容量試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程主要分為低濃度污染物加注時(shí)段(5 mg/L)和高濃度污染物加注時(shí)段(100 mg/L)兩個(gè)時(shí)段,這兩個(gè)時(shí)段交替進(jìn)行,其中過(guò)濾效率的測(cè)試是在低濃度污染加注時(shí)段進(jìn)行,而高濃度污染物加注時(shí)段主要是為了加快濾芯的納污速率,該時(shí)段由于污染物濃度高,不符合顆粒計(jì)數(shù)器的檢測(cè)要求,需要將顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行隔離,并停止計(jì)數(shù),因而最終的試驗(yàn)曲線會(huì)出現(xiàn)中斷顯示。
試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。3號(hào)濾芯過(guò)濾效率隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示、過(guò)濾效率隨顆粒尺寸的變化曲線如圖10所示。4號(hào)濾芯過(guò)濾效率隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示、過(guò)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(shí)間段為高濃度時(shí)段,該時(shí)段內(nèi)停止濾芯過(guò)濾效率的測(cè)試。而圖12中出現(xiàn)了過(guò)濾效率隨顆粒物尺寸增加先上升后下降的現(xiàn)象,分析認(rèn)為這主要是由于在持續(xù)大流量工況下,試驗(yàn)進(jìn)行到后期濾芯納污量已接近設(shè)計(jì)值,在經(jīng)受大量污染物的沖擊后,濾紙局部會(huì)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(guò)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(guò)濾性能。
圖9 3號(hào)濾芯過(guò)濾效率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.9 No.3 filter filtration efficiency versus time curve
圖10 3號(hào)濾芯過(guò)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(hào)濾芯過(guò)濾效率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.11 No.4 filter filtration efficiency versus time curve
圖12 4號(hào)濾芯過(guò)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(guò)濾器濾芯過(guò)濾效率與納污容量試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Filtration efficiency and sewage capacity test result of nuclear island water filter element
采用5號(hào)濾芯進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。5號(hào)濾芯試驗(yàn)初始階段壓差隨流量變化曲線如圖13所示,5號(hào)濾芯試驗(yàn)結(jié)束階段壓差隨流量變化曲線如圖14所示。
圖13 5號(hào)濾芯試驗(yàn)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(hào)濾芯試驗(yàn)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(guò)濾器濾芯抗疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 6 anti-fatigue test result of nuclear island water filter element
采用6號(hào)濾芯進(jìn)行抗破裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。6號(hào)濾芯壓差隨時(shí)間的變化如圖15所示。
圖15 6號(hào)濾芯壓差隨時(shí)間變化圖Fig.15 No.6 filter pressure difference versus time curve
表7 核島水過(guò)濾器濾芯抗破裂試驗(yàn)結(jié)果Table 7 anti-break test result of nuclear island water filter element
采用7號(hào)濾芯進(jìn)行耐輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。
表8 核島水過(guò)濾器濾芯耐輻照試驗(yàn)結(jié)果Table 8 radiation resistance test result of nuclear island water filter element
本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外過(guò)濾器濾芯性能鑒定標(biāo)準(zhǔn)的分析研究,開(kāi)展了核島水過(guò)濾器濾芯結(jié)構(gòu)完整性、流量壓差關(guān)系、過(guò)濾效率納污容量、抗疲勞、抗破裂、耐輻照性等6項(xiàng)主要性能鑒定試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)建設(shè)了濾芯鑒定試驗(yàn)臺(tái)架,成功測(cè)試了自主研制濾芯的主要性能參數(shù),各項(xiàng)測(cè)試性能參數(shù)能夠滿足核電廠核島系統(tǒng)運(yùn)行要求。