高溫氣冷堆氦貯存系統(tǒng)氣壓試驗結(jié)霜現(xiàn)象對設備影響的分析

周慧琴

（中核能源科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100193）

1 引言

壓力試驗是工藝管道安裝中最重要的一個環(huán)節(jié)，是確保整個高溫氣冷堆正常運行的關鍵要素。根據(jù)試驗介質(zhì)的不同，壓力試驗分為液壓試驗、氣壓試驗和液壓-氣壓試驗[1]。液壓試驗以液體為試驗介質(zhì)，液體的可壓縮性極小，壓力試驗時一旦試驗液體泄漏，能很快釋放出積聚的能量，立即導致容器內(nèi)壓力的大幅急劇下降，因而事故的危險性較小。氣壓試驗比液壓試驗危險的主要原因在于氣體的可壓縮性，一旦發(fā)生破壞事故，不僅要釋放積聚的能量，而且要以最快的速度回復在升壓過程中被壓縮的體積，后者的破壞遠遠大于前者，相當于爆炸時的沖擊波。雖然，壓力試驗應優(yōu)先選擇液壓，但因結(jié)構原因液壓試驗后無法將殘存液體吹干排凈，而使用時容器內(nèi)又不允許殘存任何液體的情況下，允許使用氣壓試驗。

在高溫氣冷堆中，氦供應與貯存子系統(tǒng)是氦輔助系統(tǒng)的重要組成部分，這個系統(tǒng)用來貯存氦氣，對管道和設備的氣密性有著嚴格的要求。系統(tǒng)正常運行時介質(zhì)為氣體，使用時容器內(nèi)不允許殘存任何液體，閥門是螺紋的電磁閥，因結(jié)構原因若是用水壓試驗，會有水殘留在螺紋連接的電磁閥內(nèi)，后期很難吹掃出來，液壓試驗后無法將殘存液體吹干排凈，通入氦氣后，電磁閥中殘留的水就是雜質(zhì)，增加了雜質(zhì)的風險。所以，該系統(tǒng)的壓力試驗采用氣壓試驗。

氣壓試驗采用空氣作為試驗介質(zhì)具有臨時設施用量少、不用設高點放空和低點排放、試壓用時少、可與氣密性試驗一并進行、較少施工程序，以及縮短施工工期等優(yōu)點。[2]

2 節(jié)流效應

氣體從高壓經(jīng)小孔節(jié)流獲得低壓的過程稱為節(jié)流。1 9世紀5 0年代，英國科學家JouleHEThomoson對高壓氣體經(jīng)小孔節(jié)流獲得低壓并導致溫度變化的現(xiàn)象進行了研究，并稱之為焦-湯效應。

從熱力學角度分析，氣體節(jié)流過程屬于穩(wěn)定流動，這是因為在節(jié)流過程的瞬間，流體的流動可以看作是一個穩(wěn)態(tài)流動過程，穩(wěn)態(tài)流動體系的能量平衡方程[3]如下：

ΔH+ΔEK+ΔEP=Q+WS

因節(jié)流過程進行很快，高壓流體與外界的熱交換可看做絕熱Q=0，該過程不對外作功，WS=0，節(jié)流前后流體的位差與速度變化可忽略不計，即ΔEK=0，ΔEP=0，由穩(wěn)定流動的能量平衡方程得ΔH=0，即節(jié)流前后流體的焓值不變，這是節(jié)流膨脹的特點。

節(jié)流過程是一個等焓過程的熱力學過程。理想氣體的焓值只是溫度的函數(shù)，因此理想氣體的節(jié)流過程會導致壓降，但不會產(chǎn)生溫度變化。而對于實際氣體，焓不僅是溫度的函數(shù)，還與壓力有直接關系，故節(jié)流膨脹在導致壓力變化的同時也將引起溫度變化。節(jié)流過程中溫度隨壓力的變化率

μ=(dT/dP)H

稱為焦-湯系數(shù)，也稱節(jié)流膨脹系數(shù)。節(jié)流過程壓力總是下降，因此μ值為正時則節(jié)流過程為降溫過程，μ值為負時則為升溫過程。因此，在氣壓試驗過程中，根據(jù)焦-湯效應，氣體會呈現(xiàn)升溫或降溫變化。

3 設備的脆性溫度

脆性轉(zhuǎn)變溫度是指用沖擊試驗方法測定出的金屬材料隨著溫度下降而發(fā)生的塑性明顯下降、脆性明顯上升的溫度。根據(jù)國標GB150.2-2011[4]，低合金鋼沖擊試驗中，使用溫度不能低于-20℃。若是低于-20℃，則會影響設備的正常運行甚至危及設備安全。隨著溫度的降低，管道和設備從周圍空氣吸收熱量，導致管道和設備表面溫度降低，當溫度低于周圍空氣的露點溫度時，空氣中的水蒸氣便在管道表面結(jié)露，若溫度低于0℃，其表面會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，設備表面會有結(jié)霜，鋼材發(fā)生脆斷的危險性增加。

4 計算結(jié)果

氦供應與貯存子系統(tǒng)的設計溫度是室溫，氣壓實驗也考慮室溫20℃，

本系統(tǒng)氣壓試驗的試驗溫度20℃，氣壓試驗壓力公式為：

pT=1.1p[1]

PT表示試驗壓力（表壓，MPa）

P表示設計壓力（表壓，Mpa）

公式中代入設計壓力16.5MPa，計算得試驗壓力為18.15MPa。為了便于比較和統(tǒng)計學分析，分別計算了試驗壓力為18.15MPa 、15MPa、14.1 MPa、10 MPa，節(jié)流減壓后壓力為0.101 MPa（1個大氣壓）、1.6 MPa、7MPa、8.1 MPa、10.2 MPa時的空氣溫度變化規(guī)律。

圖1是在過程模擬軟件中節(jié)流膨脹模型示意圖，S1是節(jié)流前狀態(tài)，S2是節(jié)流后狀態(tài)，V1是節(jié)流閥。

圖1 節(jié)流膨脹示意圖

圖2 T-P圖（18.15MPa）

根據(jù)高溫氣冷堆常用的工況，運用過程模擬軟件PRO II進行計算，結(jié)合PR方程，計算得出不同工況下，空氣的溫度隨壓力變化的規(guī)律如下圖所示：

圖3 T-P圖（15MPa）

圖4 T-P圖（14.1MPa）

由圖2至圖5的計算結(jié)果可知，空氣流經(jīng)減壓閥是一個節(jié)流降溫的過程，試驗壓力18.15MPa，溫度降至最低時為-19.2℃，試驗壓力15MPa，溫度降至最低時為-14.5℃，試驗壓力14.1MPa，溫度降至最低時為-12.9℃，試驗壓力10MPa，溫度降至最低時為-5.1℃。

圖5 T-P圖（10MPa）

5 結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果可知，在室溫20℃條件下，高溫氣冷堆的氣壓實驗過程中，由于節(jié)流效應的影響，當試驗壓力是設計壓力的1.1倍，降壓至氦凈化正常列的設計壓力時，設備和管道會出現(xiàn)結(jié)霜的情況，但不會對設備的使用溫度有影響。

根據(jù)實際試驗壓力最高為15MPa，由圖2可知，在試驗過程中，由于節(jié)流膨脹導致的空氣溫度的變化，最低溫度是-14.5℃，高于脆性轉(zhuǎn)變溫度[3]，不影響設備的安全性能。

結(jié)合設備和管道規(guī)范規(guī)定，為了避免壓力試驗導致災難性后果，考慮到結(jié)霜情況，使用較高溫度的壓力試驗氣體。