摘要：出于经济和环境效益的考虑,核电站的长期运行已成为全球趋势。中国自主研发的三代核电机组“华龙一号”设计寿命达60 a,远超一般风电机组20 a和光伏组件30 a的设计寿命[1]。在全球范围内,日本已将多座核电站寿命延长至60 a[2],而美国核管会（NRC）通过
出于经济和环境效益的考虑,核电站的长期运行已成为全球趋势。中国自主研发的三代核电机组“华龙一号”设计寿命达60 a,远超一般风电机组20 a和光伏组件30 a的设计寿命[1]。在全球范围内,日本已将多座核电站寿命延长至60 a[2],而美国核管会（NRC）通过了核电站二次延续运行的审批,将Surry 1号、2号和Turkey Point 3号、4号等机组的许可证延长至80 a[3]。长期运行计划对核电材料和设备的安全性能提出了更高的要求,因此,必须对相关材料进行精确的性能评估与鉴定,这项工作依赖于标准化的测试方法。
涂料广泛应用于中国大型先进压水堆核电站中,并分为常规涂料和专用涂料。应用于非辐射控制区常规涂料的技术要求与其他工业领域类似,而用于辐射控制区及安全壳内的专用涂料除了具备防腐蚀和装饰功能外,还须承受辐射、设计基准事故以及严重事故等特殊环境条件[4]。因此,在涂层施工前,核电涂料须通过一系列严格检验,包括热传导率测试、火焰延烧性试验、附着力测试等。这些检验通常依据ASTM标准。
相比ISO和ASTM等著名标准组织,中国的国家标准（GB）起步较晚,但经过多年的发展,现已有超过4.4万项国家标准。在材料领域,GB标准大量采纳了ISO或IEC标准,但对ASTM标准的采标较少,这在某种程度上增加了ASTM标准实施的难度。分析和比较中国标准与国际主流标准有助于了解标准体系的现状及发展方向。文献[5]对中国辐射处理行业的标准和法规进行了初步比较,并与国际标准进行了对比。XU等[6]比较了中国、欧洲和ISO关于外墙保温复合系统的代表性标准,深入分析了不同标准体系在结构、范围和性能要求等方面的差异,并对该领域标准化提出了建议。具体到涂料领域,王龙[7]通过对GB标准与国际主流标准的深入比较,指出了中国建筑钢结构防火涂料标准的不足,如涂层厚度的单一性。赵子玲等[8]总结了中国建筑涂料标准的现状与问题,指出了采标率低的问题,并对建筑涂料标准的国际化和行业高质量发展提出了建议。於杰等[9]分类介绍了中国涂料测试标准及其与ISO标准的关联,涉及涂料的液态性能、施工性能、光学性能、力学性能及耐化学性能等方面。然而,这些研究主要集中于标准内容的直接解读,尚未涉及试验验证,而试验验证有助于更深入地理解标准细节,并为标准间的可替代性提供直接依据。此外,热传导率作为涂层的重要性能指标,反映了涂层的隔热性能,其准确测量对于涂层应用意义重大。然而,目前涂层的热传导率测试仍然缺乏专用标准,通常依赖通用标准,相关标准的分析和比对工作亟待加强。
基于此,笔者对可用于核电涂层热传导率测试的GB标准与ASTM标准进行了分析和比较,介绍了不同标准的基本程序及其差异。随后选取了两种典型的核电涂层材料,测试了热传导率,从试验流程和结果方面进一步评估了不同标准之间的可替代性,并提出了相应建议。研究成果可为核电涂层的标准化鉴定提供依据,对涂料体系的标准化测试有一定参考价值。
1. 试验原理及试验装置
GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》与ASTM E1530《用保护的热流计技术评定材料耐传热性能的标准试验方法》均采用热流计法测试涂料的热传导率。两个标准的试验原理和方法基本相同,主要区别是ASTM E1530采用了护热保护装置（热保护炉）,通过减少横向的热损耗来提高测试精度。护热式热流计法的试验装置如图1所示。热流计法的主要工作原理为：在稳定传热过程中,当传热速率等于散热速率的平衡状态时,根据傅里叶一维稳态热传导模型,由通过试样的热流密度、两侧温差和厚度,可计算得到材料的总热阻。对于由涂料涂覆在金属基片上构成的试样,涂料的热传导率可由式（1）计算。
式中：θ为试样总热阻；L基和L涂分别为基材和涂层的厚度；λ基和λ涂分别为基材和涂层的热传导率；S为传热面积,等同于基片的底面积。
图 1 护热式热流计法试验装置示意
通过热流计法测得试样的总热阻后,由于其他参数已知,可以求解得到涂层的热传导率。
GB/T 22588—2008《闪光法测量热扩散系数或导热系数》使用闪光法测试材料的热传导率,其原理是：在程序温度控制下,由激光源在瞬间发射一束光脉冲,均匀照射在试样下表面,使其表层吸收光能后温度瞬时升高,并作为热端将能量以一维热传导的方式向冷端传播。使用红外检测器连续测量上表面中心部位的相应温升,得到温度升高对时间的关系曲线,最终测得的是试样的热扩散率α。闪光法试验装置如图2所示。材料的热传导率可根据式（2）计算得到。
式中：α为涂层的热扩散率；C为涂层的比热,由差示扫描量热法测得；ρ为涂层的密度。
图 2 闪光法试验装置示意
以上参数均特异于涂层的温度。热流计法试验装置为DRL-II型导热系数测试仪,而闪光法试验装置为LFA467HT型闪射法导热仪。
2. 试验材料与方案
以无机富锌涂料和高固体分环氧涂料作为研究对象,根据ASTM E1530（护热式热流计法）、GB/T 10295—2008（普通热流计法）和GB/T 22588—2008（闪光法）3个标准分别对无机富锌涂料、高固体分环氧涂料在30,90,150 ℃条件下进行热传导率测试,并对试验结果进行分析,旨在评估3个标准之间的等效性及适用性。对于ASTM E1530及GB/T 10295—2008标准,由于涂料的热传导率较低,为减小试验误差,将两种涂料喷涂在金属基片上进行测试；对于GB/T 22588—2008标准,则直接使用片状涂层进行测试。不同标准测试方法的试样参数如表1所示。对于每种试验条件,在每个温度下均测试至少3个平行试样,测试结果取平行试样的平均值。
Table 1. 不同标准测试方法的试样参数
3. 测试结果及分析
依据不同标准对涂层的热传导率测试结果如图3,4所示。由图3可知,对于无机锌涂层,GB/T 10295—2008普通热流计法测得的涂层热传导率与ASTM E1530护热式热流计法的测试结果更为接近,而闪光法测得的数据与热流计法的测试结果存在较大差异。由图4可知,对于环氧涂层,3种测试方法所得的数据较为接近,但闪光法测得的结果偏大。以下是对测试结果的具体分析。
图 3 无机富锌涂层热传导率测试数据
图 4 环氧涂层热传导率测试数据
GB/T 22588—2008闪光法测得的无机锌热传导率和热流计法差别较大,测试时由激光源在瞬间向试样下表面发射一束光脉冲作为热源,为达到理想的测试精度,需满足以下条件：（1）热量在试样内是一维热流；（2）试样表面没有热损失；（3）激光脉冲能量被试样正面均匀吸收；（4）激光脉冲宽度足够小；（5）激光脉冲能量的吸收仅在下表面很小的厚度内发生；（6）试样是均匀不透光的；（7）温度保持恒定。根据无机锌涂层的特性,在满足上述条件下,条件（2）和（5）可能存在偏差。由于无机锌涂层的热传导率较高,且试样厚度较薄（仅1 mm）,热传导过程中可能存在较大的热损失；同时,由于试样厚度较薄,难以将热量吸收区域限制在下表面很小的厚度内。此外,无机锌涂层的比热较小,热量的吸收和存储能力不如环氧涂层。因此,多个因素可能导致闪光法测得的无机锌涂层热传导率偏大。
GB/T 10295—2008普通热流计法测得数据与ASTM E1530护热式热流法测得数据较为接近,两者均采用热流计法测试涂层的热传导率。两个标准试验原理和方法基本相同,区别在于ASTM E1530标准在测试区域周边增加了热保护炉,如果加热到试样的测试温度,就能减小试样与周边环境的温度差,从而减少横向的热损失,以提高测试精度。理论上,ASTM E1530标准测试方法应更为准确,但考虑到以下因素：（1）试验中的ASTM E1530测试试样基材厚度为12.7 mm,而涂层厚度仅约为0.1 mm,涂层厚度的测量误差会导致最终测得热传导率的误差；（2）在GB/T 10295—2008标准的测试过程中,虽然未使用护热装置,但试样的整体厚度仅为3 mm,远小于试样的横向直径50 mm,因此横向热损失较小。此外,试验选择铝合金作为涂层的基材,其热传导率较大,热阻可以忽略不计。在实际测试中,涂层的热阻占总热阻的95%以上,能够有效避免由于基材热阻过大而导致的测试误差。因此,认为两种方法的涂层热传导率试验结果准确性相当。
4. 结语
根据GB标准和ASTM标准中3种不同的热传导率测试方法对核电涂料开展试验,比较分析了不同测试方法的差异性。总体来说,GB/T 22588—2008闪光法与热流计法对无机锌涂层的测试结果差异较大,可能存在较大的试验误差,无法替代ASTM E1530标准中的方法。GB/T 10295—2008普通热流计法与ASTM E1530护热式热流计法的测试结果接近,但仍有30%~50%的偏差。在给定的试验条件下,不同方法对环氧涂层测得的热传导率较为接近,但闪光法测得结果偏大。考虑到现行标准并非针对涂层材料,对涂层测试中的关键变量（如基材类型、基材厚度、涂层厚度等）缺乏明确规定,建议针对核电涂料制定国家标准,规范试样的制作要求,以提高测试精度,避免因测试条件不同而引起测试结果差异。
文章来源——材料与测试网
来源：做个梦给你1128