王夢影， 張明， 王燕燕， 張守杰， 李建維， 葛董修

（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）

放射性水濾芯性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是檢驗(yàn)濾芯產(chǎn)品合格性的約束文件， 其合理制定是評(píng)價(jià)濾芯產(chǎn)品質(zhì)量的前提。 國內(nèi)外尚無核電放射性水濾芯性能試驗(yàn)專用標(biāo)準(zhǔn)［1］， 其性能檢驗(yàn)一般參考普通工業(yè)濾芯的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 但這些標(biāo)準(zhǔn)與核電檢驗(yàn)需求并不完全匹配。

本文結(jié)合核電放射性水濾芯的性能需求， 分析國內(nèi)外現(xiàn)行各類工業(yè)濾芯性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的差異性，為放射性水濾芯性能試驗(yàn)專用標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 核電放射性水濾芯性能驗(yàn)證需求

濾芯是核電站水處理系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備。在核反應(yīng)堆一回路化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）中，清除懸浮雜質(zhì)， 維持水質(zhì)化學(xué)及放射性指標(biāo)， 以降低回路部件腐蝕； 在蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)（APG）、廢液處理系統(tǒng)（TEU）、 放射性廢水回收系統(tǒng)（SRE）等工藝系統(tǒng)中， 過濾降低水質(zhì)酸堿度和放射性， 以滿足當(dāng)?shù)卦试S排放的環(huán)保要求［2］。

由于核電行業(yè)的特殊性， 核電站對(duì)濾芯有更為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求和運(yùn)行要求。 以南方沿海某壓水堆核電站為例， 1、 2 號(hào)機(jī)組各工藝系統(tǒng)中共計(jì)38 臺(tái)濾芯， 其功能位置的差異決定了其設(shè)計(jì)參數(shù)各不相同， 如表1 所示， 明確規(guī)定了濾芯的尺寸、 過濾效率、 過濾精度和壓降等參數(shù)［3］。 表2 為濾芯所處運(yùn)行環(huán)境要求， 可見其水環(huán)境復(fù)雜， 具有高溫、 高壓、流量多變、 化學(xué)成分含量高、 高輻照的特點(diǎn)［3］。

表1 核電站水過濾器濾芯技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of water filter element in nuclear power station

表2 核電站水過濾器濾芯運(yùn)行環(huán)境Tab. 2 Operating environment of water filter element in nuclear power station

濾芯的設(shè)計(jì)要求與特殊運(yùn)行環(huán)境決定了其性能檢驗(yàn)的特殊性。 濾芯在投入使用前應(yīng)對(duì)其過濾效率、 過濾精度、 抗破裂等性能進(jìn)行檢驗(yàn)， 以保證濾芯滿足設(shè)計(jì)要求。 物理環(huán)境要求濾芯具有耐高溫、耐高壓、 抗流動(dòng)疲勞性能。 化學(xué)環(huán)境要求濾芯應(yīng)具有一定的耐化學(xué)性； 同時(shí)， 濾芯本身清潔度應(yīng)達(dá)標(biāo)， 玻璃纖維濾材的脫落顆粒物與析出硅元素不應(yīng)超過水質(zhì)規(guī)定限值， 避免造成水質(zhì)二次污染。 處于核島放射性區(qū)域的濾芯還應(yīng)具有足夠的耐輻照性。

2 國內(nèi)外濾芯性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析

國內(nèi)外均無完善的核電放射性水濾芯性能試驗(yàn)專用標(biāo)準(zhǔn)， 其檢驗(yàn)主要參考液壓行業(yè)濾芯標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)行液壓行業(yè)濾芯的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有國內(nèi)GB／T 標(biāo)準(zhǔn)與國際ISO 標(biāo)準(zhǔn)， GB／T 標(biāo)準(zhǔn)是ISO 標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)譯， 在技術(shù)原理上具有同等效力， 如GB／T 14041.1 等同于ISO 2942， GB／T 17486 等同于ISO 3968 等。

2.1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)范圍

2.2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異性

2.2.1 結(jié)構(gòu)完整性

結(jié)構(gòu)完整性是濾芯必備的基本性能， 也是檢驗(yàn)濾芯抗破裂強(qiáng)度、 抗流動(dòng)疲勞性等試驗(yàn)的前提條件與驗(yàn)收準(zhǔn)則之一。 該試驗(yàn)采用浸沒增壓觀測初始冒泡點(diǎn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在以下3 個(gè)方面具有差異： ①增壓過程； ②試驗(yàn)液體； ③驗(yàn)收準(zhǔn)則。 GB／T 14041.1中明確了增壓頻率， 增壓頻率是濾芯受力均勻的保證， 而EN 13443－2 與NF X 45 301 中未對(duì)增壓過程進(jìn)行具體表述， 在評(píng)判濾芯冒泡點(diǎn)位置時(shí)可信度較低。 該試驗(yàn)中試驗(yàn)液體的選擇與相應(yīng)液體下的初始冒泡壓力是試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。 試驗(yàn)液體的表面張力是冒泡壓力的影響因素， 不同類別的液體在不同的溫度下表面張力不同。 GB／T 14041.1 給出了2 種試驗(yàn)液體的選擇方案， 分別為異丙醇和濾芯運(yùn)行介質(zhì)， 因試驗(yàn)液體類別不一， 無法給出初始冒泡壓力的定量表達(dá)。 EN 13443－2 與NF X 45 301 采用異丙醇做試驗(yàn)液體， 并給出了初始冒泡壓力的公式表達(dá)， 相較于國標(biāo)更明確。 冒泡點(diǎn)位置是考核濾芯結(jié)構(gòu)完整性的另一準(zhǔn)則， GB／T 14041.1 中規(guī)定記錄冒泡點(diǎn)位置， 如濾材、 端蓋等， 而歐洲標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)則沒有此要求， 不夠完善。

表3 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋范圍Tab. 3 Coverage of standards

異丙醇屬于易揮發(fā)、 易燃、 易爆的致癌物， 核電放射性水濾芯尺寸范圍廣， 大尺寸濾芯若采用異丙醇作為浸泡液， 需要量大， 操作性差， 安全性低。 故在制定核電放射性水濾芯結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， 在參考國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢的同時(shí)， 8＂及以下濾芯建議采用異丙醇作為試驗(yàn)液體， 8＂以上濾芯建議采用運(yùn)行系統(tǒng)化學(xué)水作為試驗(yàn)液體。

2.2.2 壓降－流量特性

壓降－流量特性試驗(yàn)是濾芯基本性能試驗(yàn)之一。自1998 年至今， 國內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)在壓降－流量特性試驗(yàn)原理上未作過多調(diào)整， 沿用“殼體－整體－濾芯”的順序， 流量先增后減的試驗(yàn)過程。 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異之處在于試驗(yàn)液體選擇。 GB／T 17486 為液壓過濾器檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 采用液壓油作為試驗(yàn)液體， 規(guī)定油液黏度值代替試驗(yàn)溫度； EN 13443－2 與NF X 45 302 為普通工業(yè)水濾芯檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 采用水作為試驗(yàn)液體， 并直接規(guī)定了試驗(yàn)溫度。 液壓油與水黏度不同， 且黏度受溫度影響， 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用與濾芯工作介質(zhì)一致的液體作為試驗(yàn)液體， 由此得到的壓降－流量特性更具可靠度， 對(duì)潔凈壓降和極限壓降的判斷更準(zhǔn)確。 對(duì)于核電放射性水濾芯， 由于其長期處于低黏度的化學(xué)水環(huán)境中， 且運(yùn)行流體溫度明確， 在進(jìn)行該性能試驗(yàn)時(shí)， EN 13443－2 與NF X 45 302 更具有適用性。

2.2.3 過濾效率、 納污容量和過濾精度

過濾效率與納污容量試驗(yàn)是濾芯最重要的性能試驗(yàn)。 在該試驗(yàn)中， 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異在于試驗(yàn)臺(tái)回路的建設(shè)。 GB／T 18853 中設(shè)置單個(gè)污染物注入回路， 試驗(yàn)污染油液濃度固定， 分多次循環(huán)通過試驗(yàn)回路； EN 13443－2 與NF X 45 303 中均設(shè)置高、低濃度的顆粒－水混合液雙回路， 分別一次通過試驗(yàn)管路。 單回路試驗(yàn)中， 試驗(yàn)污染油液黏度高， 流速低， 相較于雙回路雙流量試驗(yàn)時(shí)間長。

由于試驗(yàn)液體通過方式不同， 相應(yīng)的納污容量計(jì)算方法有所不同。 GB／T 18853 中， 由于試驗(yàn)液體通過之后即排出， 因此在計(jì)算納污容量時(shí)， 減去下游排出污染物質(zhì)量； NF X 45 303 中以注入高、低濃度污染物試驗(yàn)液體的質(zhì)量總和作為納污容量；而在EN 13443－2 中， 除上游原始注入污染物質(zhì)量外， 考慮了扣除管路中存留的污染物質(zhì)量， 對(duì)納污容量的測定更準(zhǔn)確。

總體來看， 核電放射性水濾芯參考EN 13443-2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)更具有操作性， 但其污染物注入濃度需進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)， 因污染物濃度較低則導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間過長， 濃度過高則在水中易沉降， 無法形成管路中的均勻流體介質(zhì)。

濾芯過濾精度分為絕對(duì)過濾精度和相對(duì)過濾精度。 絕對(duì)過濾精度旨在測定能夠通過過濾器的最大顆粒直徑， 相對(duì)過濾精度是指在設(shè)計(jì)顆粒直徑和最大壓力降條件下， 過濾器達(dá)到至少99.8% 的過濾效率時(shí)的顆粒直徑。 核電站作為終端用戶， 更注重所購濾芯的過濾效率是否達(dá)標(biāo)， 即相對(duì)過濾精度。國內(nèi)液壓過濾器相對(duì)過濾精度試驗(yàn)依托GB／T 17486 進(jìn)行， 與歐洲標(biāo)準(zhǔn)相同， 未列專用標(biāo)準(zhǔn)。 NF X 45 304 檢驗(yàn)濾芯絕對(duì)過濾精度， 并非核電站需要的濾芯技術(shù)要求。

2.2.4 抗流動(dòng)疲勞性和抗破裂強(qiáng)度

核反應(yīng)堆一回路化學(xué)和容積控制系統(tǒng)等處的濾芯， 系統(tǒng)壓力高達(dá)18.8 MPa， 且具有流量波動(dòng)， 故有必要進(jìn)行抗流動(dòng)疲勞性試驗(yàn)和抗破裂強(qiáng)度試驗(yàn)，該試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于測試系統(tǒng)回路壓差建立方式。在抗流動(dòng)疲勞性試驗(yàn)中， GB／T 17488 采用顆粒物混合液建立壓差， EN 13443－2 與NF X 45 309 采用甘油或水建立200 kPa 壓差， 二者黏度不同。 在對(duì)16＂濾芯按照NF X 45 309 開展試驗(yàn)時(shí)， 發(fā)現(xiàn)即使試驗(yàn)液體中的甘油占比達(dá)到100%， 額定流量下的濾芯壓差仍無法達(dá)到200 kPa， 可見EN 13443－2與NF X 45 309 標(biāo)準(zhǔn)并不適用于核電站， 但2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的循環(huán)頻次與核電水系統(tǒng)的流量波動(dòng)工況相似， 可選擇性參考。

在抗破裂強(qiáng)度試驗(yàn)中， GB／T 14041.3 直接將顆粒污染物注入試驗(yàn)油液， 由于油液黏度高， 便于形成穩(wěn)定混合物； 而核電放射性水濾芯試驗(yàn)若直接在水中注入顆粒物， 易造成顆粒物沉降， 無法形成均勻試驗(yàn)液， 故不推薦按照此方法進(jìn)行。 EN 13443－2與NF X 45 310 中， 制備顆粒污染物的水混合液，并增加了污染物注入回路， 更適用于核電水環(huán)境。

2.2.5 耐化學(xué)性和清潔度

核電化學(xué)水環(huán)境與濾芯材質(zhì)相互作用。 化學(xué)水水質(zhì)要求濾芯具有一定的耐化學(xué)能力， 同時(shí)，濾芯本身的清潔度與析出物也應(yīng)達(dá)標(biāo)， 不對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)產(chǎn)生二次污染。 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用靜態(tài)浸泡方法進(jìn)行試驗(yàn)， GB／T 14041.2 中采用加速試驗(yàn)方法， 明確了浸泡時(shí)間（不小于72 h）和浸泡溫度（工作溫度＋15 ℃）； NF X 45 307 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)液體、沖洗液體未做出明確規(guī)定， 且推薦的6 h 浸沒時(shí)長相較于國標(biāo)更短。 核電放射性水濾芯日常水環(huán)境浸泡時(shí)間遠(yuǎn)高于72 h， 適用于加速試驗(yàn)， 以縮短試驗(yàn)時(shí)長， 同時(shí)， 采用與運(yùn)行環(huán)境一致的水作為試驗(yàn)浸泡液， 則在試驗(yàn)后無需對(duì)濾芯進(jìn)行沖洗即可進(jìn)行下一試驗(yàn)。

清潔度試驗(yàn)中， 歐洲標(biāo)準(zhǔn)與法國標(biāo)準(zhǔn)的被測濾芯下游取樣方法不同， EN 13443－2 中在下游取樣閥門處一次性收集取樣（標(biāo)準(zhǔn)7.6.4.e）， NF X 45 306 中記錄污染物出口時(shí)段， 分時(shí)段多次取樣（標(biāo)準(zhǔn)6.2.3）。 取樣方法差異直接影響顆粒計(jì)數(shù)結(jié)果，對(duì)于較為清潔的濾芯， 一次取樣可全部收集脫落物， 對(duì)于清潔度較差的濾芯， 一次性取樣不能保證收集全部顆粒物， 分時(shí)段取樣更便于計(jì)數(shù)。

2.2.6 耐高溫性

我國與歐洲均尚未制定濾芯耐高溫性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， NF X 45 308 中給出了4 種工況下的耐高溫性能試驗(yàn)方法， 分別為高溫環(huán)境耐受性試驗(yàn)、 升溫過程耐受性試驗(yàn)、 高溫侵入耐受性試驗(yàn)、 冷熱交替耐受性試驗(yàn)。 核電TEU、 RCV 等系統(tǒng)水長期保持70℃以上， 高溫環(huán)境較為穩(wěn)定， 很少出現(xiàn)緩慢或瞬時(shí)的高溫侵入工況與冷熱交替工況， 與NF X 45 308 中Part A 相匹配。

3 核電放射性水濾芯性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定方向

由以上研究分析可知， 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于核電放射性水濾芯性能需求具有一定的參考性， 但也存在不足之處。 在制定核電放射性水濾芯性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， 以可參考標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本， 并根據(jù)核電場景需求進(jìn)行條款優(yōu)化。 本節(jié)給出了對(duì)可參考條款的優(yōu)化建議以及空白標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵參數(shù)。

3.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)修訂方案

核電放射性水濾芯8 項(xiàng)性能驗(yàn)證GB、 NB 等標(biāo)準(zhǔn)在制定修訂時(shí)的推薦參考標(biāo)準(zhǔn)與條款優(yōu)化方向如表4 所示。

表4 核電放射性水濾芯性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)修訂方向Tab. 4 Revision directions of performance test standards for nuclear power radioactive water filter element

3.2 硅析出量和耐輻照性測定方案

3.2.1 硅析出量測定方案

核電放射性水濾芯硅元素析出量測定方法基本程序?yàn)椋?①待測濾芯浸泡； ②試驗(yàn)水質(zhì)取樣； ③取樣水質(zhì)硅元素檢測。 在程序①中， 選擇核電各系統(tǒng)水質(zhì)作為浸泡試驗(yàn)液， 試驗(yàn)液的化學(xué)元素成分及含量、 pH 值均應(yīng)明確。 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證， 按照如圖1 所示的浸泡時(shí)長和浸泡溫度得出的結(jié)果可靠。 在程序②中， NB／T 20436［20］給出了壓水堆核電廠水化學(xué)建議取樣頻率。 在程序③中， 采用GB／T 12149［21］中的分光光度法進(jìn)行硅元素測定。 水濾芯的硅析出量應(yīng)不大于核電廠化學(xué)與放射性化學(xué)技術(shù)規(guī)范限定值， 則驗(yàn)證濾芯的硅析出量合格。

圖1 加速試驗(yàn)工況Fig. 1 Accelerated test condition

3.2.2 耐輻照性測定方案

NB／T 20486［22］中給出濾芯制作材料的耐輻照要求， 不能代表完整濾芯設(shè)備的耐輻照能力， 且未明確耐輻照試驗(yàn)方法的程序。 結(jié)合核電站實(shí)際輻照場景， 核電放射性水濾芯耐輻照測定應(yīng)明確試驗(yàn)工況、 操作方法、 驗(yàn)收準(zhǔn)則。 試驗(yàn)工況應(yīng)保證1×104～1×105Gy［2］且不少于實(shí)際運(yùn)行場景的累積吸收劑量； 輻照劑量率以1 000 Gy／h［23］為宜； 輻照應(yīng)連續(xù)。 在對(duì)濾芯進(jìn)行輻照試驗(yàn)前， 應(yīng)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)； 輻照時(shí)每隔10 h 調(diào)整位置， 保證輻照均勻； 輻照后對(duì)濾芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)、 過濾效率和納污容量試驗(yàn)、 抗破裂強(qiáng)度試驗(yàn)。 濾芯同時(shí)滿足輻照前后性能檢測各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)， 表明耐輻照性合格。

4 結(jié)論

通過對(duì)國內(nèi)外工業(yè)濾芯性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的分析，針對(duì)核電放射性水濾芯更為嚴(yán)格的性能要求， 給出了核電特殊化學(xué)水質(zhì)與輻射環(huán)境中的性能檢驗(yàn)方法， 供核電放射性水濾芯性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)參考。