淺談理想氣體狀態(tài)方程在密封性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

田科浪　田堯

【摘 要】核電廠以核燃料為動(dòng)力，通過核反應(yīng)將堆芯熱量傳遞給二回路汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為保護(hù)電廠工作人員和外部環(huán)境，需要相關(guān)邊界上的設(shè)備具有較高的密封性，比如起到核電廠第三道安全屏障的安全殼和貫穿安全殼的各種閥門。裝置的密封性主要體現(xiàn)在介質(zhì)水或者空氣的流動(dòng)，而介質(zhì)的流動(dòng)往往與介質(zhì)壓力和溫度等環(huán)境有密切關(guān)系，理想氣體狀態(tài)方程是貫穿其中的最基本理論，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，密封性的好壞體現(xiàn)在一定溫度和壓力情況下介質(zhì)質(zhì)量的絕對變化，往往用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的泄漏率這一直觀參數(shù)體現(xiàn)裝置的密封性好壞。本文結(jié)合核電廠相關(guān)技術(shù)規(guī)范，通過現(xiàn)場實(shí)例分析，介紹了理想氣體狀態(tài)方程在設(shè)備密封性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵字】理想氣體狀態(tài)方程;溫度和壓力;密封性;泄漏率

中圖分類號(hào)： O414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）18-0062-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.031

0 前言

核電廠為保護(hù)公共環(huán)境和人員安全，對某些設(shè)備的密封性有較高的要求，往往用泄漏率這一直觀的數(shù)值體現(xiàn)密封性的好壞，比如安全殼泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，是反應(yīng)堆安全殼密封或泄漏控制的所有部件及其功能的總稱，其作用是保持反應(yīng)堆安全殼的整體完整性，并有效地監(jiān)測與控制安全殼及其相關(guān)部件的密封性，從而保證在正常運(yùn)行期間和事故情況下安全殼的密閉性，真正起到第三道屏障的作用。在泄漏率計(jì)算中，主要通過氣體的絕對質(zhì)量或者體積變化量化泄漏率的大小，其中運(yùn)用最廣泛的即為理想氣體狀態(tài)方程，通過測量裝置或者環(huán)境的溫度、壓力、濕度等熱工參數(shù)，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下介質(zhì)的質(zhì)量變化，得出泄漏率的數(shù)值。在安全殼整體密封性試驗(yàn)、機(jī)械隔離閥密封性試驗(yàn)、電氣貫穿件密封性試驗(yàn)等項(xiàng)目中，理想氣體狀態(tài)方程都扮演著重要的理論作用。

1 理想氣體狀態(tài)方程的概述與應(yīng)用

泄漏率評(píng)價(jià)最常用的兩種方法是運(yùn)用理想氣體定律：“絕對”法，是測定安全殼內(nèi)干空氣的壓力變化，并根據(jù)平均溫度及相對濕度的變化加以校正。根據(jù)理想氣體方程，可寫成PV=NRT，干空氣的質(zhì)量M與分子數(shù)成正比，求以上N的表達(dá)式的對數(shù)導(dǎo)數(shù)。

將上式運(yùn)用到（1）式并僅取級(jí)數(shù)展開式的第一項(xiàng)，則在初始時(shí)間T0及測試時(shí)間T1之間隔內(nèi)氣體質(zhì)量的相對損失為：

因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下忽略體積的變化，故在計(jì)算時(shí)采用的氣體質(zhì)量相對損失的表達(dá)式為：

因此，該法在于測量安全殼內(nèi)氣壓的變化以及平均溫度的變化。

由于干空氣的壓力等于安全殼內(nèi)總絕對壓力減去水蒸氣的分壓力，因此有必要知道平均相對濕度，這可通過測定局部相對濕度加權(quán)計(jì)算而得。平均溫度可通過對部分容積測定足夠數(shù)量的局部溫度經(jīng)加權(quán)計(jì)算而得。

2 核電廠整體密封性評(píng)價(jià)的來源

安全殼的基本功能為：在所有運(yùn)行工況下，確保對環(huán)境保持良好的保護(hù)。但事實(shí)上，該泄漏率限值Fa是不可能直接進(jìn)行測量的，相應(yīng)于在LOCA工況，壓力Pa=4.2bar.g和環(huán)境溫度下進(jìn)行打壓試驗(yàn)期間所得到的容許泄漏率Fe，實(shí)際上，它構(gòu)成了安全殼密封準(zhǔn)則。

失水事故工況不同于試驗(yàn)工況的是：安全殼內(nèi)的溫度值（高峰值，而不是環(huán)境溫度）及安全殼內(nèi)所包容的流體類型（空氣——蒸汽混合物，而不僅僅是空氣）。采用最不利的流動(dòng)速率。即在粗糙介質(zhì)中的湍流，則測試工況最大允許泄漏Fe與失水事故工況的最大允許泄漏率Fa的關(guān)系式可寫為：

Fe=Fa

實(shí)際上，這個(gè)公式相應(yīng)于基本的和最不利的流動(dòng)類型，考慮到由于儀器的原因帶來誤差ΔFm，假若所測得的泄漏率滿足下列條件，則試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)是可以接受的：Fm+ΔFm≤0.75Fe，式中0.75相當(dāng)于安全殼老化所取的安全系數(shù)。

3 理想氣體狀態(tài)方程在安全殼泄漏率計(jì)算中的應(yīng)用

3.1 安全殼整體密封性試驗(yàn)

在安全殼的壽期內(nèi)，要進(jìn)行密封性試驗(yàn)，目的就是要保證它可以在事故甚至地震等等自然災(zāi)害情況下具有良好的密封性。

為具體確定安全殼在試驗(yàn)條件下的泄漏率，我們需要測量：安全殼內(nèi)的總的壓力、安全殼內(nèi)的平均溫度、安全殼內(nèi)的平均濕度（水蒸氣分壓）。

泄漏率計(jì)算是計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)安全殼中干燥空氣質(zhì)量的相對改變。按理想氣體方程，干燥空氣的質(zhì)量：M=（P-H）V/RT，由于單層安全殼內(nèi)干燥空氣質(zhì)量的變化一般很小，同時(shí)△V/V0≈0，因此對公式取微分，并在兩端同除初始值M0得：

由上述公式可以看出，求單位時(shí)間內(nèi)安全殼中干燥空氣質(zhì)量的相對改變，可轉(zhuǎn)變?yōu)榍蟾鱾€(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測參數(shù)的（P/H/T）單位時(shí)間內(nèi)的相對變化（一般地，V=常數(shù)），然后再線性合成（疊加）。這就是計(jì)算單層安全殼泄漏率的計(jì)算方法。

3.2 安全殼日常泄漏率計(jì)算

安全殼日常泄漏率系統(tǒng)監(jiān)測密封性的變化以及協(xié)助查找漏源。安全殼泄漏率的測量本質(zhì)上監(jiān)測安全殼內(nèi)氣體的質(zhì)量變化，從而可有效地監(jiān)測反應(yīng)堆廠房在正常運(yùn)行時(shí)安全殼內(nèi)氣體泄漏情況。

上式中QSAR可以經(jīng)過測量得到，而對Δm/Δt的計(jì)算可轉(zhuǎn)化為濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積變化DVH的求解，QLD就是DVH=f（t）曲線的斜率。

由于泄漏率與ΔP有關(guān)，所以泄漏率的比較只有與壓力對應(yīng)起來才有意義，另外還應(yīng)消除寄生泄漏率的影響。為了使泄漏率的定義更加準(zhǔn)確，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行期間安全殼泄漏的情況的經(jīng)驗(yàn)積累，要將泄漏率換算成60hpa正壓下的泄漏率QL60。

4 理想氣體狀態(tài)方程在閥門密封性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

4.1 閥門密封性試驗(yàn)

所有貫穿件試驗(yàn)結(jié)果總和不超過安全殼整體泄漏率的50%.驗(yàn)證安全殼機(jī)械貫穿件隔離閥的密封性，根據(jù)貫穿件內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)來確定測量采用某種方法。

測量可以用水法也可以用氣法進(jìn)行隔離閥密封試驗(yàn)——試驗(yàn)采用局部加壓方式，其加壓方向只要有可能都應(yīng)從安全殼內(nèi)到安全殼外，且內(nèi)外壓差應(yīng)等于安全殼設(shè)計(jì)壓力（p=4.2bar.g）。泄漏率測量分為流量法和壓降法，流量法主要用浮子流量計(jì)測量泄漏率，分為1A法、1B法、2C法。也可用壓降法來獲得單個(gè)貫穿件閥門泄漏率的結(jié)果分析如果初始及最終溫度相同，泄漏率（Q）如下計(jì)算：Q= （Ncm3/h）

4.2 電氣貫穿件密封性監(jiān)測

電纜貫穿件是用來保證電纜導(dǎo)線穿過安全殼時(shí)的邊界性和密封性。電纜貫穿件安裝在鋼襯套管內(nèi)（它與安全殼鋼內(nèi)襯焊接）。在安全殼墻壁內(nèi)外兩側(cè)通過兩個(gè)鋼板密封，電纜通過密封裝置穿過這兩塊鋼板，這一鋼襯套管與電纜貫穿件鋼襯筒焊接在一起。在安全殼墻壁外側(cè)鋼板上，裝充壓和測壓裝置。貫穿件內(nèi)維持大約2.5巴的氮?dú)狻?/p>

電氣設(shè)備的貫穿件：對于所有的貫穿件為整個(gè)安全殼允許泄漏率的1%。通過讀取安裝在每一個(gè)電纜貫穿件上的現(xiàn)場壓力表的讀數(shù)來檢查電纜貫穿件的密封性。供貨商規(guī)定的電纜貫穿件漏率是1×10-6Ncm3氮/秒，可用通過壓降法計(jì)算泄漏率。

5 總結(jié)

本文通過具體的試驗(yàn)實(shí)例，介紹了核電廠幾類設(shè)備密封性評(píng)價(jià)的方法，主要側(cè)重于理論分析和計(jì)算，從泄漏率限值的來源著手，梳理上下游關(guān)系，現(xiàn)場試驗(yàn)是復(fù)雜多變的，由于受到各種外部環(huán)境影響，試驗(yàn)過程和結(jié)果可能會(huì)與理論情況有一定偏離，這時(shí)候需要具體問題具體分析，比如泄漏率測量中常用的流量法和壓降法，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，流量法更加直觀和快捷，但需要精密的流量測量裝置，而壓降法較費(fèi)時(shí)，需要提供裝置有效容積，但測量裝置相對簡單，現(xiàn)場實(shí)際采用哪種方法需要根據(jù)環(huán)境和試驗(yàn)條件綜合考慮。泄漏率的大小體現(xiàn)在介質(zhì)體積或者質(zhì)量的絕對變化，理想氣體狀態(tài)方程在其中發(fā)揮著重要的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]內(nèi)部文件：SEXTEN2安全殼泄漏率監(jiān)測.

[2]內(nèi)部文件：安全殼機(jī)械隔離法密封性評(píng)估.

[3]RCC-G 86版[S].