核岛水过滤器滤芯性能鉴定试验研究设计和验证

张 明，王燕燕，张富美，罗立清，孙阳阳，刘 幸

(1.中广核研究院有限公司系统工程与改造中心，广东 深圳 518124；2.阳江核电有限公司工程改造部，广东 阳江 529941)

为保证核电厂的稳定运行，反应堆一回路系统和重要工艺系统中的水质必须满足电厂水化学要求。核岛水过滤器是核电厂水质净化的重要设备，起到了去除腐蚀产物、固体颗粒物、破碎树脂颗粒以及其他机械杂质的作用[1]。所以水过滤器性能的优劣直接影响系统水质，从而影响整个核电厂的性能。

当前，国内所有在运在建核电机组的核岛水过滤器滤芯均被国外垄断，滤芯材料为玻璃纤维。而在滤芯国产化研发过程中，也面临着国内核岛水过滤器滤芯鉴定标准空白、鉴定能力缺乏等一系列困难。本文依托承担的国家能源局战略备件库“压水堆核电站核岛水过滤器产品试验回路建设”项目，开展了核岛水过滤器滤芯性能鉴定试验研究设计和验证工作，为打破国外技术垄断、保障滤芯研发、掌握滤芯鉴定能力提供了保障。

本文通过对国内外过滤器滤芯的鉴定标准进行比对分析，完成了核岛水过滤器滤芯主要性能测试方法的设计和试验台架建设，并开展了各项性能鉴定试验验证，最终开发出一种能满足核电厂要求的核岛水过滤器滤芯。

1 核岛水过滤器滤芯性能鉴定试验分析

1.1 鉴定试验内容分析

核岛水过滤器滤芯需要在研制完成后经过一系列性能鉴定试验并且合格后才能在核电站使用。目前，国内没有专门针对核电厂核岛水过滤器滤芯的鉴定标准，水滤芯的鉴定主要参考液压滤芯标准进行，参考标准主要为：ISO 2942：2018、ISO 3968：2017、ISO 16889：2008、ISO 3724：2007、ISO 2941：2009。而国外，法国水滤芯鉴定主要采用AFNOR NFX301—311系列标准，欧盟水滤芯鉴定主要采用BS EN 13443—2—2006标准。其中，法国AFNOR系列标准与欧盟标准BS EN 13443—2—2006中的检测方法基本一致。而目前国内外滤芯鉴定标准中均未有滤芯耐辐照性能鉴定的相关描述。

鉴于以上国内外鉴定标准现状，本文在研究核岛水过滤器滤芯性能鉴定试验项目和内容时列出了如表1所示核岛水过滤器滤芯需要开展的主要试验项目，旨在开发出一种能满足核电厂系统要求的核岛水过滤器滤芯。

表1 过滤器滤芯性能鉴定试验内容Table 1 test content of filter element performance

1.2 鉴定标准分析

结构完整性、流量压差、过滤效率和纳污容量、抗疲劳性、抗破裂强度、耐辐照性是过滤器滤芯的主要性能参数，不同介质的过滤器滤芯鉴定试验主要是围绕这6个性能进行评价。对适用于过滤器鉴定的ISO标准和NFX标准[2-6]所采用的试验液体、试验流量、污染物注入浓度、判定标准等参数进行比较，结果如表2所示。

表2 过滤器滤芯性能鉴定标准对比Table 2 test standard comparison of filter element performance

对核岛水过滤器滤芯而言，其试验介质为水时才能客观测试出其性能，因为水比油的粘度小，水介质条件下的污染物粉尘要比液压油介质条件下的粉尘更容易沉降，试验难度更大，试验结果更易失真，试验结果的准确性要求也更高。根据表2可知，NFX系列标准的试验介质为水，且在试验温度、试验要求、判定标准等方面均比ISO标准要求更严格，因而采用NFX系列标准开展鉴定试验更能客观反映核岛水过滤器滤芯的真实性能。

2 核岛水过滤器滤芯鉴定试验装置设计

2.1 结构完整性试验装置

结构完整性试验装置设计由试验系统、辅助系统、试验工装、电气控制系统、压缩空气系统等组成。试验装置采用异丙醇作为试验液体，待测滤芯完全浸没在试验液体中，用压缩空气作为气源，压缩空气经压力调节装置调节后进入空气过滤器净化，然后进入滤芯内部，逐渐增大滤芯内部的压力，直至滤芯表面出现一连串气泡。结构完整性试验装置的设计原理图如图1所示。

图1 结构完整性试验装置原理图Fig.1 Schematic of structural integrity test device

2.2 流量压差关系试验装置

流量压差关系试验装置设计由试验循环系统、净化系统、辅助系统、实时温控系统、电气控制系统等组成。试验装置采用水作为试验液体，试验液体经去污过滤器去除杂质后由流量调节器调节到规定试验流量，进入待测滤芯后返回水箱。待测滤芯两端压差由压差计测量记录。流量压差关系试验装置的设计原理图如图2所示。

图2 流量压差关系试验装置原理图Fig.2 Schematic of flow-pressure relationship test device

2.3 过滤效率与纳污容量试验装置

过滤器效率与纳污容量试验装置设计由试验循环系统、污染物注入系统、试验辅助系统、在线污染检测系统、实时温控系统、电气控制系统等组成。试验装置采用水作为试验液体，采用MTD粉尘作为污染物，采用16通道颗粒计数器进行计数。试验液体经主泵进入待测滤芯，待测滤芯两端连接颗粒计数器对滤芯进出口的污染物颗粒数进行计数，同时待测滤芯两端的压差计对滤芯的压差进行测量。过滤效率与纳污容量试验装置的设计原理图如图3所示。

图3 过滤效率与纳污容量试验装置原理图Fig.3 Schematic of filtration efficiency and sewage capacity test device

2.4 抗疲劳和抗破裂试验装置

抗流动疲劳试验和抗破裂强度试验的试验介质相同、功能相近，主要设备可以共用，因此将这两个试验装置进行了合并设计。抗疲劳和抗破裂试验装置设计由试验循环系统、污染物注入系统、试验辅助系统、实时温控系统、电气控制系统等组成。试验装置采用水作为主要试验液体。污染物注入系统用于向试验管路中加注颗粒粉尘以达到被测滤芯的最大压差。试验辅助系统设计用于水箱充、排液，平衡试验中水箱体积。试验准备期间，设计用电磁阀控制向试验水箱输水达到设定值，试验过程中用电磁阀排出试验水箱中的水到下水道中，平衡水箱液位。抗疲劳和抗破裂试验装置的设计原理图如图4所示。

图4 抗疲劳和抗破裂试验装置原理图Fig.4 schematic of anti-fatigue and anti-fracture test device

3 性能鉴定试验方法及步骤

3.1 结构完整性试验

调节实验室温度，确保室内温度在15～25 ℃，测量该环境温度下异丙醇的表面张力；将滤芯浸入异丙醇中，在至少50 kPa的局部真空中浸泡15 min；将滤芯置于预先装满异丙醇的起泡试验装置中，使滤芯轴线与液体表面平行；调节液位的高度至滤芯上方(10±2)mm，确保温度介于15～25 ℃；每次增加50 Pa，逐步增加滤芯内部的气体压力，同时滤芯在每次增压时完全自转，当出现一连串的气泡时停止增压，记录此时的压力和液体温度；重复以上操作两次，每次浸润15 min。将测得的压力值换算为20 ℃下的修正值，计算修正值的算术平均值，如果相对误差大于5%，则需要重新试验。计算所得的起泡点压力值应高于厂家提供的起泡点设计压力值。

3.2 流量压差关系试验

调节实验室温度，确保室内温度在21～25 ℃；将不含滤芯的过滤器壳体安装好，设定流量为1.2倍额定流量，使管线水流动，温度稳定在(23±2)℃，保持压力读数稳定；将流量调整到0.2倍额定流量，记录过滤器壳体入口压力、出口压力、温度值；将流量值逐渐增加，每次增加0.2倍额定流量，记录过滤器壳体入口压力、出口压力，直到达到1.2倍额定流量；在过滤器壳体中安装滤芯，并重复上述流程；对每个流量值，过滤器整体压差减去过滤器壳体压差，计算得到滤芯压差。若清洁滤芯在测试流量下的压差值小于清洁滤芯的设计压差值(25 kPa)，则滤芯的流量压差关系合格。

3.3 过滤效率与纳污容量试验

调节实验室温度，确保室内温度在21～25 ℃；准备加注管路和试验管路，启动循环泵和温度调节系统，调节流量值为试验流量值±2%，调节温度为(23±2)℃，使液体循环通过试验管路中的除污过滤器，直至污染等级达到规定值，并至少保持15 min，记录只有过滤器壳体时的压差；开始试验：启动计时器和1号管路注入泵，污染物浓度为5 mg/L的加注管路持续加注半小时，污染物浓度为100 mg/L的加注管路持续加注15 min，多个时段交替进行，在污染物浓度为5 mg/L的时段内，使过滤器上游和下游的取样装置和自动计数器每30 s取样一次，污染物浓度为100 mg/L的时段内，中断上游计数，继续进行试验，直至滤芯压差达到250 kPa。根据加注管路的浓度和流量，以及试验持续时间计算过滤器的截留能力，测定的滤芯过滤效率应不低于滤芯的过滤效率设计值(98%)。过滤器截流能力计算公式如公式(1)。

CR=Qi1Ci1T1+Qi2Ci2T2

(1)

式中：CR——滤芯截流能力；

Qi1——低浓度污染物加注流量；

Ci1——低浓度污染物，5 mg/L；

T1——低浓度污染物阶段的持续时间；

Qi2——高浓度污染物加注流量；

Ci2——高浓度污染物，100 mg/L；

T2——高浓度污染物阶段的持续时间。

3.4 抗疲劳试验

调节实验室温度，确保室内温度在21～25 ℃；调节好抗疲劳试验装置参数，将滤芯安装在试验壳体内，调节温度至(23±2) ℃，调节流量，使滤芯静压差为200 kPa；将试验流量从0变化到规定值(0.2 MPa所对应的流量)，再从规定值变化到0，变化频率为0.05 Hz，经过500次循环后停止试验。在试验规定流量下滤芯压差下降幅度与初始压差相比不超过10%、滤芯无明显瑕疵，则滤芯的抗流动疲劳合格。

3.5 抗破裂试验

调节实验室温度，确保室内温度在21～25 ℃；按3.1节先进行结构完整性试验；调节好抗破裂试验装置参数，调节液体温度至(23±2) ℃，调节流速至规定值；将微滤水流量调整到60 m3/h，采用压差表测量过滤器上下游压差，向试验回路中注入污染物直至过滤器上下游压差达到0.25 MPa，停止注入污染物，保持循环30 min。过滤器进出口压差在0.25 MPa时可以保持30 min，不出现压差骤降，且滤芯无瑕疵，则滤芯的抗破裂强度合格。

3.6 耐辐照性试验

先将待测滤芯按照3.1节要求进行结构完整性试验，并记录其泡点压力值。然后将试验滤芯送往辐照实验室按照辐照剂量要求进行照射，辐照射线为60Coγ射线。照射完成后，观察试验样品的外观变化，有无破损现象。然后按照3.1节要求对辐照后的滤芯开展结构完整性试验，并记录泡点压力值。滤芯辐照后无明显瑕疵，外观无变化，且辐照前后泡点压力值的变化比在15%以内，则滤芯耐辐照性能合格。

4 性能鉴定试验结果

在遵循滤芯各项性能鉴定试验要求的前提下，对自主研制的同一批次相同精度和规格的核岛水过滤器滤芯开展上述6项鉴定试验，各项试验的鉴定结果如下。

4.1 结构完整性试验

采用1号、2号滤芯分别进行结构完整性试验。试验结果如表3所示，其中1号滤芯起泡点位置如图5所示，2号滤芯起泡点位置如图6所示。

表3 核岛水过滤器滤芯结构完整性试验结果Table 3 Structural integrity test result of nuclear island water filter element

图5 1号滤芯起泡点位置Fig.5 No.1 filter bubble point position

图6 2号滤芯起泡点位置Fig.6 No.2 filter bubble point position

4.2 流量压差关系试验

采用1号、2号滤芯分别进行流量压差关系试验。试验结果如表4所示，其中1号滤芯的流量压差关系变化曲线如图7所示，2号滤芯的流量压差关系变化曲线如图8所示。

图7 1号滤芯流量压差关系变化曲线图Fig.7 Curve of No.1 filter flow-pressure relationship

图8 2号滤芯流量压差关系变化曲线图Fig.8 Curve of No.2 filter flow-pressure relationship

表4 核岛水过滤器滤芯流量压差关系试验结果Table 4 flow-pressure relationship test result of nuclear island water filter element

4.3 过滤效率与纳污容量试验

采用3号、4号滤芯分别进行1 000 L/min和200 L/min两种流量下的过滤效率与纳污容量试验。试验过程主要分为低浓度污染物加注时段(5 mg/L)和高浓度污染物加注时段(100 mg/L)两个时段，这两个时段交替进行，其中过滤效率的测试是在低浓度污染加注时段进行，而高浓度污染物加注时段主要是为了加快滤芯的纳污速率，该时段由于污染物浓度高，不符合颗粒计数器的检测要求，需要将颗粒计数器进行隔离，并停止计数，因而最终的试验曲线会出现中断显示。

试验结果如表5所示。3号滤芯过滤效率随时间的变化曲线如图9所示、过滤效率随颗粒尺寸的变化曲线如图10所示。4号滤芯过滤效率随时间的变化曲线如图11所示、过滤效率随颗粒尺寸的变化曲线如图12所示。其中图9和图11中曲线中断的时间段为高浓度时段，该时段内停止滤芯过滤效率的测试。而图12中出现了过滤效率随颗粒物尺寸增加先上升后下降的现象，分析认为这主要是由于在持续大流量工况下，试验进行到后期滤芯纳污量已接近设计值，在经受大量污染物的冲击后，滤纸局部会出现轻微的损伤，使得少量较大尺寸的污染物未被有效拦截，从而导致滤芯的过滤效率出现了微弱下降，这种现象并不影响滤芯的整体过滤性能。

图9 3号滤芯过滤效率随时间变化曲线图Fig.9 No.3 filter filtration efficiency versus time curve

图10 3号滤芯过滤效率随颗粒变化曲线图Fig.10 No.3 filter filtration efficiency versus particle size curve

图11 4号滤芯过滤效率随时间变化曲线图Fig.11 No.4 filter filtration efficiency versus time curve

图12 4号滤芯过滤效率随颗粒变化曲线图Fig.12 No.4 filter filtration efficiency versus particle size curve

表5 核岛水过滤器滤芯过滤效率与纳污容量试验结果Table 5 Filtration efficiency and sewage capacity test result of nuclear island water filter element

4.4 抗疲劳试验

采用5号滤芯进行抗疲劳试验。试验结果如表6所示。5号滤芯试验初始阶段压差随流量变化曲线如图13所示，5号滤芯试验结束阶段压差随流量变化曲线如图14所示。

图13 5号滤芯试验初始阶段流量压差变化图Fig.13 No.5 filter flow-pressure relationship curve at initial stage

图14 5号滤芯试验结束阶段压差流量变化Fig.14 No.5 filter flow-pressure relationship curve at end stage

表6 核岛水过滤器滤芯抗疲劳试验结果Table 6 anti-fatigue test result of nuclear island water filter element

4.5 抗破裂试验

采用6号滤芯进行抗破裂试验。试验结果如表7所示。6号滤芯压差随时间的变化如图15所示。

图15 6号滤芯压差随时间变化图Fig.15 No.6 filter pressure difference versus time curve

表7 核岛水过滤器滤芯抗破裂试验结果Table 7 anti-break test result of nuclear island water filter element

4.6 耐辐照性试验

采用7号滤芯进行耐辐照试验。试验结果如表8所示。

表8 核岛水过滤器滤芯耐辐照试验结果Table 8 radiation resistance test result of nuclear island water filter element

5 结论

本文通过对国内外过滤器滤芯性能鉴定标准的分析研究，开展了核岛水过滤器滤芯结构完整性、流量压差关系、过滤效率纳污容量、抗疲劳、抗破裂、耐辐照性等6项主要性能鉴定试验设计，设计建设了滤芯鉴定试验台架，成功测试了自主研制滤芯的主要性能参数，各项测试性能参数能够满足核电厂核岛系统运行要求。