出于經(jīng)濟和環(huán)境效益的考慮,核電站的長期運行已成為全球趨勢。中國自主研發(fā)的三代核電機組“華龍一號”設計壽命達60 a,遠超一般風電機組20 a和光伏組件30 a的設計壽命[1]。在全球范圍內(nèi),日本已將多座核電站壽命延長至60 a[2],而美國核管會（NRC）通過了核電站二次延續(xù)運行的審批,將Surry 1號、2號和Turkey Point 3號、4號等機組的許可證延長至80 a[3]。長期運行計劃對核電材料和設備的安全性能提出了更高的要求,因此,必須對相關材料進行精確的性能評估與鑒定,這項工作依賴于標準化的測試方法。 

涂料廣泛應用于中國大型先進壓水堆核電站中,并分為常規(guī)涂料和專用涂料。應用于非輻射控制區(qū)常規(guī)涂料的技術要求與其他工業(yè)領域類似,而用于輻射控制區(qū)及安全殼內(nèi)的專用涂料除了具備防腐蝕和裝飾功能外,還須承受輻射、設計基準事故以及嚴重事故等特殊環(huán)境條件[4]。因此,在涂層施工前,核電涂料須通過一系列嚴格檢驗,包括熱傳導率測試、火焰延燒性試驗、附著力測試等。這些檢驗通常依據(jù)ASTM標準。 

相比ISO和ASTM等著名標準組織,中國的國家標準（GB）起步較晚,但經(jīng)過多年的發(fā)展,現(xiàn)已有超過4.4萬項國家標準。在材料領域,GB標準大量采納了ISO或IEC標準,但對ASTM標準的采標較少,這在某種程度上增加了ASTM標準實施的難度。分析和比較中國標準與國際主流標準有助于了解標準體系的現(xiàn)狀及發(fā)展方向。文獻[5]對中國輻射處理行業(yè)的標準和法規(guī)進行了初步比較,并與國際標準進行了對比。XU等[6]比較了中國、歐洲和ISO關于外墻保溫復合系統(tǒng)的代表性標準,深入分析了不同標準體系在結構、范圍和性能要求等方面的差異,并對該領域標準化提出了建議。具體到涂料領域,王龍[7]通過對GB標準與國際主流標準的深入比較,指出了中國建筑鋼結構防火涂料標準的不足,如涂層厚度的單一性。趙子玲等[8]總結了中國建筑涂料標準的現(xiàn)狀與問題,指出了采標率低的問題,并對建筑涂料標準的國際化和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提出了建議。於杰等[9]分類介紹了中國涂料測試標準及其與ISO標準的關聯(lián),涉及涂料的液態(tài)性能、施工性能、光學性能、力學性能及耐化學性能等方面。然而,這些研究主要集中于標準內(nèi)容的直接解讀,尚未涉及試驗驗證,而試驗驗證有助于更深入地理解標準細節(jié),并為標準間的可替代性提供直接依據(jù)。此外,熱傳導率作為涂層的重要性能指標,反映了涂層的隔熱性能,其準確測量對于涂層應用意義重大。然而,目前涂層的熱傳導率測試仍然缺乏專用標準,通常依賴通用標準,相關標準的分析和比對工作亟待加強。 

基于此,筆者對可用于核電涂層熱傳導率測試的GB標準與ASTM標準進行了分析和比較,介紹了不同標準的基本程序及其差異。隨后選取了兩種典型的核電涂層材料,測試了熱傳導率,從試驗流程和結果方面進一步評估了不同標準之間的可替代性,并提出了相應建議。研究成果可為核電涂層的標準化鑒定提供依據(jù),對涂料體系的標準化測試有一定參考價值。 

1.   試驗原理及試驗裝置

GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定 熱流計法》與ASTM E1530《用保護的熱流計技術評定材料耐傳熱性能的標準試驗方法》均采用熱流計法測試涂料的熱傳導率。兩個標準的試驗原理和方法基本相同,主要區(qū)別是ASTM E1530采用了護熱保護裝置（熱保護爐）,通過減少橫向的熱損耗來提高測試精度。護熱式熱流計法的試驗裝置如圖1所示。熱流計法的主要工作原理為：在穩(wěn)定傳熱過程中,當傳熱速率等于散熱速率的平衡狀態(tài)時,根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導模型,由通過試樣的熱流密度、兩側(cè)溫差和厚度,可計算得到材料的總熱阻。對于由涂料涂覆在金屬基片上構成的試樣,涂料的熱傳導率可由式（1）計算。 

式中：θ為試樣總熱阻；L基和L涂分別為基材和涂層的厚度；λ基和λ涂分別為基材和涂層的熱傳導率；S為傳熱面積,等同于基片的底面積。 

圖  1  護熱式熱流計法試驗裝置示意

通過熱流計法測得試樣的總熱阻后,由于其他參數(shù)已知,可以求解得到涂層的熱傳導率。 

GB/T 22588—2008《閃光法測量熱擴散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》使用閃光法測試材料的熱傳導率,其原理是：在程序溫度控制下,由激光源在瞬間發(fā)射一束光脈沖,均勻照射在試樣下表面,使其表層吸收光能后溫度瞬時升高,并作為熱端將能量以一維熱傳導的方式向冷端傳播。使用紅外檢測器連續(xù)測量上表面中心部位的相應溫升,得到溫度升高對時間的關系曲線,最終測得的是試樣的熱擴散率α。閃光法試驗裝置如圖2所示。材料的熱傳導率可根據(jù)式（2）計算得到。 

式中：α為涂層的熱擴散率；C為涂層的比熱,由差示掃描量熱法測得；ρ為涂層的密度。 

圖  2  閃光法試驗裝置示意

以上參數(shù)均特異于涂層的溫度。熱流計法試驗裝置為DRL-II型導熱系數(shù)測試儀,而閃光法試驗裝置為LFA467HT型閃射法導熱儀。 

2.   試驗材料與方案

以無機富鋅涂料和高固體分環(huán)氧涂料作為研究對象,根據(jù)ASTM E1530（護熱式熱流計法）、GB/T 10295—2008（普通熱流計法）和GB/T 22588—2008（閃光法）3個標準分別對無機富鋅涂料、高固體分環(huán)氧涂料在30,90,150 ℃條件下進行熱傳導率測試,并對試驗結果進行分析,旨在評估3個標準之間的等效性及適用性。對于ASTM E1530及GB/T 10295—2008標準,由于涂料的熱傳導率較低,為減小試驗誤差,將兩種涂料噴涂在金屬基片上進行測試；對于GB/T 22588—2008標準,則直接使用片狀涂層進行測試。不同標準測試方法的試樣參數(shù)如表1所示。對于每種試驗條件,在每個溫度下均測試至少3個平行試樣,測試結果取平行試樣的平均值。 

3.   測試結果及分析

依據(jù)不同標準對涂層的熱傳導率測試結果如圖3,4所示。由圖3可知,對于無機鋅涂層,GB/T 10295—2008普通熱流計法測得的涂層熱傳導率與ASTM E1530護熱式熱流計法的測試結果更為接近,而閃光法測得的數(shù)據(jù)與熱流計法的測試結果存在較大差異。由圖4可知,對于環(huán)氧涂層,3種測試方法所得的數(shù)據(jù)較為接近,但閃光法測得的結果偏大。以下是對測試結果的具體分析。 

圖  3  無機富鋅涂層熱傳導率測試數(shù)據(jù)

圖  4  環(huán)氧涂層熱傳導率測試數(shù)據(jù)

GB/T 22588—2008閃光法測得的無機鋅熱傳導率和熱流計法差別較大,測試時由激光源在瞬間向試樣下表面發(fā)射一束光脈沖作為熱源,為達到理想的測試精度,需滿足以下條件：（1）熱量在試樣內(nèi)是一維熱流；（2）試樣表面沒有熱損失；（3）激光脈沖能量被試樣正面均勻吸收；（4）激光脈沖寬度足夠小；（5）激光脈沖能量的吸收僅在下表面很小的厚度內(nèi)發(fā)生；（6）試樣是均勻不透光的；（7）溫度保持恒定。根據(jù)無機鋅涂層的特性,在滿足上述條件下,條件（2）和（5）可能存在偏差。由于無機鋅涂層的熱傳導率較高,且試樣厚度較薄（僅1 mm）,熱傳導過程中可能存在較大的熱損失；同時,由于試樣厚度較薄,難以將熱量吸收區(qū)域限制在下表面很小的厚度內(nèi)。此外,無機鋅涂層的比熱較小,熱量的吸收和存儲能力不如環(huán)氧涂層。因此,多個因素可能導致閃光法測得的無機鋅涂層熱傳導率偏大。 

GB/T 10295—2008普通熱流計法測得數(shù)據(jù)與ASTM E1530護熱式熱流法測得數(shù)據(jù)較為接近,兩者均采用熱流計法測試涂層的熱傳導率。兩個標準試驗原理和方法基本相同,區(qū)別在于ASTM E1530標準在測試區(qū)域周邊增加了熱保護爐,如果加熱到試樣的測試溫度,就能減小試樣與周邊環(huán)境的溫度差,從而減少橫向的熱損失,以提高測試精度。理論上,ASTM E1530標準測試方法應更為準確,但考慮到以下因素：（1）試驗中的ASTM E1530測試試樣基材厚度為12.7 mm,而涂層厚度僅約為0.1 mm,涂層厚度的測量誤差會導致最終測得熱傳導率的誤差；（2）在GB/T 10295—2008標準的測試過程中,雖然未使用護熱裝置,但試樣的整體厚度僅為3 mm,遠小于試樣的橫向直徑50 mm,因此橫向熱損失較小。此外,試驗選擇鋁合金作為涂層的基材,其熱傳導率較大,熱阻可以忽略不計。在實際測試中,涂層的熱阻占總熱阻的95%以上,能夠有效避免由于基材熱阻過大而導致的測試誤差。因此,認為兩種方法的涂層熱傳導率試驗結果準確性相當。 

4.   結語

根據(jù)GB標準和ASTM標準中3種不同的熱傳導率測試方法對核電涂料開展試驗,比較分析了不同測試方法的差異性。總體來說,GB/T 22588—2008閃光法與熱流計法對無機鋅涂層的測試結果差異較大,可能存在較大的試驗誤差,無法替代ASTM E1530標準中的方法。GB/T 10295—2008普通熱流計法與ASTM E1530護熱式熱流計法的測試結果接近,但仍有30%~50%的偏差。在給定的試驗條件下,不同方法對環(huán)氧涂層測得的熱傳導率較為接近,但閃光法測得結果偏大。考慮到現(xiàn)行標準并非針對涂層材料,對涂層測試中的關鍵變量（如基材類型、基材厚度、涂層厚度等）缺乏明確規(guī)定,建議針對核電涂料制定國家標準,規(guī)范試樣的制作要求,以提高測試精度,避免因測試條件不同而引起測試結果差異。

文章來源——材料與測試網(wǎng)