核电厂水滤芯过滤精度和效率评测法

吴小波，李生勇，刘宇腾，于晓雷，郑之寿

（1.华龙国际核电技术有限公司，北京海淀 100036；2.安泰环境工程技术有限公司，北京海淀 100081）

0 引言

核电厂核岛辅助系统中设置的水过滤器的作用，是除去反应堆运行过程中冷却剂内产生的固体腐蚀产物和裂变产物、截留破碎树脂颗粒和其他机械杂质，以满足工艺系统对水质的要求，维护设备的正常运转。过滤精度和过滤效率是过滤器性能的关键参数，核电厂对过滤精度的要求，最初只有5 μm、25 μm、100 μm 等。但随着核电厂对一回路水质要求的不断提高，有些重要的放射性水处理系统已经改用过滤精度为0.45 μm 和1 μm 的滤芯，有些核电厂甚至计划使用过滤精度为0.2 μm 和0.1 μm 的滤芯。

核电厂核岛辅助系统中设置的水过滤器滤芯过滤效率一般要求在98%以上，材料主要为玻璃纤维。玻璃纤维材料的水过滤器滤芯在核电厂长期使用过程中存在很多缺点，为此研发新型不同材料的高精度水过滤器滤芯是有必要的。

1 水滤芯过滤性能检测中的问题

目前国内对于核电厂用水过滤器液固分离的过滤效率和纳污容量的性能检测试验，在NB/T 20486—2018 中，要求采用GB/T 18853—2015 的规定，并采用符合GB/T 6682—2008 的三级水来配制试验液。目前国外对水过滤器滤芯的过滤效率和纳污容量的性能检测标准有法标NF X 45-303-2000，德标DIN EN 13443-2-2007 等。

上述国外标准所采用的检测设备与GB/T 18853—2015 中的检测设备基本相同，但上述国内外标准均没有给出过滤精度＜1 μm 的水过滤器滤芯的过滤效率性能检测方法。通过调研发现，目前国内外已发布的液压行业和水过滤行业标准，仅有对过滤精度＞1 μm 的水过滤器滤芯进行过滤效率的检测方法。进一步调研核电厂核岛辅助系统中设置的水过滤器滤芯主要供货商，对于过滤精度＜1 μm 的水过滤器滤芯的过滤效率性能检测方法，有的公司采用的是检测滤芯对空气中的尘埃颗粒的过滤性能，以此来替代水过滤器滤芯的过滤性能检测，但没有说明气固分离检测与液固分离检测之间的关联以及区别情况；有的公司则因为保密等原因，拒绝透露其检测方法。

因此，对于新研发不同材料的高精度水过滤器滤芯较大的难点，是过滤精度＜1 μm 的过滤效率的性能检测方法。

2 亚微米级水滤芯过滤精度和效率评测

出于新研发核电厂不同材料的高精度水过滤器滤芯项目的实际需求，项目组进行了一系列探索试验。采用的试验用具主要包括“不锈钢”金属纤维烧结毡作为高精度水过滤器滤芯、液固分离综合性能试验台和颗粒计数器，以及其他满足GB/T 18853—2015 的设备。试验的基本原理是用配置好的均匀混合原料液，利用液固分离综合性能试验台测试滤材，用颗粒计数器检测各对应过滤精度的滤前颗粒数和滤后液体中的颗粒数，从而获得滤材的过滤比和过滤效率。

对于此次新研发的特定的“不锈钢”金属纤维烧结毡滤芯、特定的此种高精度滤芯加工方法以及采用GB/T 18853—2015 试验设备和条件，利用试验装置对各不同型号的“不锈钢”金属纤维烧结毡滤芯进行过滤性能测试，实测了对于不同粒径（2 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm 等5 种规格）的颗粒，其滤前和滤后的颗粒数量，进而可以计算出对各滤材以及各过滤精度所对应的过滤效率。

经过研发项目组大量的试验，以及对试验结果经仔细对比和研究后发现：在此次新研发的特定的“不锈钢”金属纤维烧结毡作为滤芯材料、特定的此种高精度滤芯加工方法以及采用GB/T 18853—2015 试验设备和条件下，若以新研发滤芯的过滤精度为横坐标，以滤芯“孔径/过滤精度”的比值为纵坐标绘制曲线，可以看出对于不同的过滤效率，该曲线均呈现明显的趋势，即随着过滤精度的提高，“孔径/过滤精度”的比值也会变大，如图1 所示。

图1 实测水过滤器滤芯过滤效率

采用样条插值法对曲线进行回归处理，得到拟合方程，并限定拟合方程适用范围为0.1 μm≤X（滤芯的过滤精度）≤30 μm，项目组采用拟合方程对4 μm 和30 μm 的过滤精度进行了预测，得到的预测值和试验值相差在5%的范围内。

为进一步讨论该方法的合理性，项目组人员组织了“核电厂高精度水滤芯过滤效率检测技术”专家评审会，评审会专家来自于高校、滤芯生产厂家、核电厂等，项目组汇报了核电厂高精度水滤芯过滤性能检测方法的研究情况，提出了“核电厂亚微米级水过滤器滤芯过滤精度和效率评测法”，与会专家经过讨论形成意见如下：该方法通过评价特定条件下给定孔径的滤材，在亚微米区间是否可以满足所要求的过滤精度和过滤效率，解决了当前试验设备难以直接检测水过滤器亚微米级精度的过滤效率问题；该方法为亚微米级过滤精度滤材的选择提供了依据，建议进行工程试验应用。

项目组运用上述预测模型，预测了上述特定条件下，过滤精度为0.45 μm 和0.1 μm、过滤效率为98%的水过滤器滤芯需要的孔径，为项目组研发不同材料的高精度水过滤器滤芯，在没有直接试验检测的方法情况下提供了指导和评测方法。如图2所示，为预测曲线向亚微米区间的延展图。

图2 预测曲线向亚微米区间的延展

3 结语

综合特定条件下大量的试验数据，以新研发水过滤器滤芯的过滤精度为横坐标，以水过滤器滤芯“孔径/过滤精度”为纵坐标绘制曲线，对于不同的过滤效率，该曲线均呈现明显的趋势，根据趋势提出了“核电厂亚微米级水过滤器滤芯过滤精度和效率评测法”，为不同单位或人员在没有直接试验检测的方法情况下，研发其他材料的高精度水过滤器滤芯提供了指导和借鉴。