核級濾芯動態循環試驗臺架設計及測試方法探討＊

崔滿滿，楊 超，桂璐廷

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

0 前言

為了保證核電站的正常運行，回路中設置了一系列不同規格的、具有不同功能的水過濾濾芯來過濾水中以膠體形式存在的腐蝕產物和懸浮顆粒物［1］，此類濾芯常采用玻璃纖維來制備濾材。玻璃纖維濾材具有高效低阻、高納污容量、耐酸等優良特性［2］，在過濾行業有著廣泛應用，但在核電站以硼鋰溶液為主的水質工況下，玻璃纖維濾材仍會因介質腐蝕而析出二氧化硅等物質。對于核電站回路而言，二氧化硅是一種有害雜質，當其在回路中的濃度較高時極易沉結在燃料包殼上，加重對鋯合金材料的腐蝕，嚴重影響核電站的安全運行［3］。因此在玻璃纖維濾芯正式投入使用前，需對其以二氧化硅為主的雜質析出行為進行評價，從而預估其在實際工況中的使用情況。

濾芯的析出行為主要有2種評價方法，分為實驗室常用的靜態浸泡試驗［4］和核電行業常用的熱態試驗［5］。靜態浸泡法是研發過程中的主要測試手段，方法為將濾材浸泡于硼鋰溶液中并設定溫度保溫，定期更換浸泡液并測試其中的雜質濃度。熱態實驗，也就是動態循環試驗則是通過搭建循環流動臺架將濾芯處于動態加熱的浸泡環境中，并定期從回路取浸泡液進行雜質濃度測定。與靜態浸泡法相比，動態循環試驗由于需要借助臺架，操作成本更高，且維護難度大，但因為是針對濾芯進行模擬實際工況的流動測試，更能體現濾芯在實際工況中的運行特性。

本文在介紹動態循環試驗臺架設計及測試方法的基礎上，結合自身的設計臺架，提出了一些技術建議和需要注意的問題，以期為核電行業動態循環測試的優化提供參考。

1 動態循環臺架設計

動態循環試驗系統主要包括機架、控制裝置和安裝在機架上的循環管路系統。循環管路系統見圖1，由液體流通管路系統及管路中的動力系統、溫控系統、流量控制系統及待測濾芯放置腔等組成。

1.1 動力系統

由于動態循環實驗要求設備連續運行的時間較長，為了確保動力系統能夠長期穩定運行，試驗泵的選擇十分重要。泵根據工作原理可分為動力式泵、容積式泵和其他類型泵（如噴射泵、電磁泵等）。

動力式泵又叫葉輪式泵或葉片式泵，是依靠旋轉的葉輪部件帶動液體高速回轉，把機械能連續地傳遞給液體，隨后通過壓出室將機械能轉換為壓力能，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動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行排出［5］，根據工作元件的運動形式又可分為往復泵和回轉泵。表1中對目前市面上使用較多的幾類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，對應臺架所用試驗介質，適用于低粘度介質的動力式泵相對符合臺架要求，其中根據臺架運行流量最終選擇離心泵作為試驗用泵。

在選擇了合適的試驗泵之后，臺架運行過程中試驗泵的維護和檢測也十分重要，管路的選材應優選耐蝕性強的不銹鋼材料，并設置凈化過濾器，避免在長期運行過程中由銹蝕造成的污染物混入試驗系統導致實驗中斷。

1.2 溫控系統

動態循環試驗臺架的溶液溫度直接影響著濾芯的二氧化硅析出程度，因此對管路的溫度必須進行嚴格管控，確保考察結論的可靠性。動態循環臺架溫控系統的設置與實驗液體的注入方法有關。多數臺架會設置儲液罐，則加熱器設置于儲液罐內，對儲液罐中的試驗介質進行集中升溫后將介質通入回路。部分動態循環臺架不采用儲液罐，選擇直接將實驗液體通過加液口注入管路，此時加熱器通常設置在管路前段上，使通過的試驗介質迅速升溫達到設定溫度，這對加熱器的均勻性和效率要求很高。由于管路所需實驗介質量較大，最終選擇設置儲罐并將加熱器設置于儲罐中。

1.3 流量控制系統

為了保證體系中的流量穩定性，需要設置流量計監控流量。流量計按照結構原理大致可分為差壓流量計、浮子流量計、容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計、質量流量計等。通常對于較小的管道尺寸，一般選用轉子、渦輪和質量流量計，對于大的管道直徑一般用電磁流量計和超聲波流量計［6］。

轉子流量計是工業上和實驗室常用的一種流量計，具有結構簡單、直觀、壓力損失小、維修方便等特點。轉子流量計適用于測量通過管道直徑 D＜150 mm的小流量，也可以測量腐蝕性介質的流量［7］。缺點在于轉子流量計采用玻璃錐管，其耐壓力低，有較大的破損風險，同時也會因為自身析出二氧化硅而影響對介質中濾芯析出物濃度的測定。

渦輪流量計屬于速度式流量計，它在流體經過時，通過使葉輪旋轉感受流體平均流速，從而推導出流量或總量。渦輪流量計具有精度高、重復性好、結構簡單、運動部件少、耐高壓、測量范圍寬、體積小、質量輕、壓力損失小、維修方便等優點［8］，缺點則在于難以長期維持校準特性，這對于其在長期運行臺架中的工作不利。

目前市面上常用的流量計得到的流量測量值大多是流體的體積流量，這往往不能滿足人們的要求，通常還需要設法獲得流體的質量流量。隨著現代技術發展，出現了可以直接測量質量流量的流量計。質量流量計采用的是感應式測量，所以不會因為氣體溫度、壓力的變化從而影響到測量的結果，是一種較為準確、快速、可靠、高效、穩定、靈活的流量測量儀表［9］。最終自主設計臺架選擇質量流量計作為流量監測裝置，其外觀如圖2所示。

圖2 質量流量計

1.4 管路系統

臺架的管路系統是達成參數控制的重要部分，除了前文提到的管材選擇及管道設計必須考察的管路承壓能否與動力系統匹配以外，還應注意在對所有管接頭和管道布局時需消除流動死區，確保整個試驗管路中呈紊流狀態，避免濾芯析出的雜質在管路系統內滯留影響測試結果。為避免形成顆粒捕集區和聚集區并形成旋風分離區和空腔，管道長度盡可能短［10］。為確保取樣溶液穩定、壓力值精準，管路中的取樣閥門、壓力表均置于管內液體紊流處，避免放于彎頭、空腔處。

2 動態循環試驗方法

針對濾芯雜質析出情況的動態循環試驗目前并未形成統一的測試標準及方法，其大體步驟如圖3所示。

圖3 動態循環試驗流程示意圖

單從測試方法來說，動態循環試驗還存在著一些需要明確的指標，比如臺架的設定流量、取樣的時間間隔等，試驗參數的設置應經反復考察敲定，力求表達濾芯的真實特性。

2.1 流量選擇

動態循環臺架設計過程中應盡量模擬實際工況流量，因為流量偏低會減小水流對濾芯的沖擊及造成的損傷，濾芯的析出速率或將有所減緩，從而影響測試結果的可靠性。但試驗臺架受泵及管材限制通常難以達到核電回路相當參數，同時超大流量對穩流裝置要求較高，臺架設計時應對流量設定有所取舍。

2.2 取樣間隔

濾芯在長期浸泡過程中的雜質析出規律大致表現為前期析出較快且有波動，后期速率逐漸穩定并有所減緩至基本不析出?；诖它c，通常會選擇前期密集取樣，析出速率放慢后適當延長取樣間隔的測試方法。但取樣間隔的調整需要經過謹慎考慮，至少應滿足一段時間的數據穩定才能進行切換，避免對后續濾芯在實際工況下的性能預測造成影響。

3 結論

（1）基于核電站對于水過濾器濾芯的性能要求，結合核電站實際應用工況及濾芯本身特性自主設計了動態循環實驗臺架。

（2）依托動態循環臺架介紹了具體測試方法并對測試參數提出了相關建議。

（3）本文設計的濾芯動態循環臺架仍然需要在運行之中不斷優化，為了確保濾芯在核電站回路中的穩定運行，臺架設計及其測試方法需要同時具備實用性和可行性，只有建立了獨立的濾芯能力驗證體系，才能真正擺脫國外濾芯的卡脖子問題，實現核電全面國產化。