核级滤芯动态循环试验台架设计及测试方法探讨＊

2021-10-28崔满满桂璐廷

玻璃纤维 2021年5期

崔满满，杨超，桂璐廷

（1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233； 2.南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 210012）

0 前言

为了保证核电站的正常运行，回路中设置了一系列不同规格的、具有不同功能的水过滤滤芯来过滤水中以胶体形式存在的腐蚀产物和悬浮颗粒物［1］，此类滤芯常采用玻璃纤维来制备滤材。玻璃纤维滤材具有高效低阻、高纳污容量、耐酸等优良特性［2］，在过滤行业有着广泛应用，但在核电站以硼锂溶液为主的水质工况下，玻璃纤维滤材仍会因介质腐蚀而析出二氧化硅等物质。对于核电站回路而言，二氧化硅是一种有害杂质，当其在回路中的浓度较高时极易沉结在燃料包壳上，加重对锆合金材料的腐蚀，严重影响核电站的安全运行［3］。因此在玻璃纤维滤芯正式投入使用前，需对其以二氧化硅为主的杂质析出行为进行评价，从而预估其在实际工况中的使用情况。

滤芯的析出行为主要有2种评价方法，分为实验室常用的静态浸泡试验［4］和核电行业常用的热态试验［5］。静态浸泡法是研发过程中的主要测试手段，方法为将滤材浸泡于硼锂溶液中并设定温度保温，定期更换浸泡液并测试其中的杂质浓度。热态实验，也就是动态循环试验则是通过搭建循环流动台架将滤芯处于动态加热的浸泡环境中，并定期从回路取浸泡液进行杂质浓度测定。与静态浸泡法相比，动态循环试验由于需要借助台架，操作成本更高，且维护难度大，但因为是针对滤芯进行模拟实际工况的流动测试，更能体现滤芯在实际工况中的运行特性。

本文在介绍动态循环试验台架设计及测试方法的基础上，结合自身的设计台架，提出了一些技术建议和需要注意的问题，以期为核电行业动态循环测试的优化提供参考。

1 动态循环台架设计

动态循环试验系统主要包括机架、控制装置和安装在机架上的循环管路系统。循环管路系统见图1，由液体流通管路系统及管路中的动力系统、温控系统、流量控制系统及待测滤芯放置腔等组成。

1.1 动力系统

由于动态循环实验要求设备连续运行的时间较长，为了确保动力系统能够长期稳定运行，试验泵的选择十分重要。泵根据工作原理可分为动力式泵、容积式泵和其他类型泵（如喷射泵、电磁泵等）。

动力式泵又叫叶轮式泵或叶片式泵，是依靠旋转的叶轮部件带动液体高速回转，把机械能连续地传递给液体，随后通过压出室将机械能转换为压力能，又可分为离心泵、轴流泵、混流泵和旋涡泵等。容积式泵则是依靠部件运动造成装载工作空间容积的周期性变化，把能量周期性地传递给液体，使压力增加至液体被强行排出［5］，根据工作元件的运动形式又可分为往复泵和回转泵。表1中对目前市面上使用较多的几类泵的适用范围和特性做出了比较，可供参考。

从表1可以看到，对应台架所用试验介质，适用于低粘度介质的动力式泵相对符合台架要求，其中根据台架运行流量最终选择离心泵作为试验用泵。

在选择了合适的试验泵之后，台架运行过程中试验泵的维护和检测也十分重要，管路的选材应优选耐蚀性强的不锈钢材料，并设置净化过滤器，避免在长期运行过程中由锈蚀造成的污染物混入试验系统导致实验中断。

1.2 温控系统

动态循环试验台架的溶液温度直接影响着滤芯的二氧化硅析出程度，因此对管路的温度必须进行严格管控，确保考察结论的可靠性。动态循环台架温控系统的设置与实验液体的注入方法有关。多数台架会设置储液罐，则加热器设置于储液罐内，对储液罐中的试验介质进行集中升温后将介质通入回路。部分动态循环台架不采用储液罐，选择直接将实验液体通过加液口注入管路，此时加热器通常设置在管路前段上，使通过的试验介质迅速升温达到设定温度，这对加热器的均匀性和效率要求很高。由于管路所需实验介质量较大，最终选择设置储罐并将加热器设置于储罐中。

1.3 流量控制系统

为了保证体系中的流量稳定性，需要设置流量计监控流量。流量计按照结构原理大致可分为差压流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计、质量流量计等。通常对于较小的管道尺寸，一般选用转子、涡轮和质量流量计，对于大的管道直径一般用电磁流量计和超声波流量计［6］。

转子流量计是工业上和实验室常用的一种流量计，具有结构简单、直观、压力损失小、维修方便等特点。转子流量计适用于测量通过管道直径 D＜150 mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量［7］。缺点在于转子流量计采用玻璃锥管，其耐压力低，有较大的破损风险，同时也会因为自身析出二氧化硅而影响对介质中滤芯析出物浓度的测定。

涡轮流量计属于速度式流量计，它在流体经过时，通过使叶轮旋转感受流体平均流速，从而推导出流量或总量。涡轮流量计具有精度高、重复性好、结构简单、运动部件少、耐高压、测量范围宽、体积小、质量轻、压力损失小、维修方便等优点［8］，缺点则在于难以长期维持校准特性，这对于其在长期运行台架中的工作不利。

目前市面上常用的流量计得到的流量测量值大多是流体的体积流量，这往往不能满足人们的要求，通常还需要设法获得流体的质量流量。随着现代技术发展，出现了可以直接测量质量流量的流量计。质量流量计采用的是感应式测量，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量的结果，是一种较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表［9］。最终自主设计台架选择质量流量计作为流量监测装置，其外观如图2所示。

图2 质量流量计

1.4 管路系统

台架的管路系统是达成参数控制的重要部分，除了前文提到的管材选择及管道设计必须考察的管路承压能否与动力系统匹配以外，还应注意在对所有管接头和管道布局时需消除流动死区，确保整个试验管路中呈紊流状态，避免滤芯析出的杂质在管路系统内滞留影响测试结果。为避免形成颗粒捕集区和聚集区并形成旋风分离区和空腔，管道长度尽可能短［10］。为确保取样溶液稳定、压力值精准，管路中的取样阀门、压力表均置于管内液体紊流处，避免放于弯头、空腔处。

2 动态循环试验方法

针对滤芯杂质析出情况的动态循环试验目前并未形成统一的测试标准及方法，其大体步骤如图3所示。

图3 动态循环试验流程示意图

单从测试方法来说，动态循环试验还存在着一些需要明确的指标，比如台架的设定流量、取样的时间间隔等，试验参数的设置应经反复考察敲定，力求表达滤芯的真实特性。

2.1 流量选择

动态循环台架设计过程中应尽量模拟实际工况流量，因为流量偏低会减小水流对滤芯的冲击及造成的损伤，滤芯的析出速率或将有所减缓，从而影响测试结果的可靠性。但试验台架受泵及管材限制通常难以达到核电回路相当参数，同时超大流量对稳流装置要求较高，台架设计时应对流量设定有所取舍。

2.2 取样间隔

滤芯在长期浸泡过程中的杂质析出规律大致表现为前期析出较快且有波动，后期速率逐渐稳定并有所减缓至基本不析出。基于此点，通常会选择前期密集取样，析出速率放慢后适当延长取样间隔的测试方法。但取样间隔的调整需要经过谨慎考虑，至少应满足一段时间的数据稳定才能进行切换，避免对后续滤芯在实际工况下的性能预测造成影响。