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

1、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(guò)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，比方起到核電廠第三道平安屏障的平安殼和貫穿平安殼的各種閥門(mén)。裝置的密封性主要表達(dá)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根本理論，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，密封性的好壞表達(dá)在一定溫度和壓力情況下介質(zhì)質(zhì)量的絕對(duì)變化，往往用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的泄漏率這一直觀參數(shù)表達(dá)裝置的密封性好壞。本文結(jié)合核電廠相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析，介紹了理想

2、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)：2095-2457202118-0062-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.18.0310前言核電廠為保護(hù)公共環(huán)境和人員平安，對(duì)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)值表達(dá)密封性的好壞，比方平安殼泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是反應(yīng)堆平安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)堆平安殼的整體完整性，并有效地監(jiān)測(cè)與控制平安殼及其相關(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平安殼的密閉性，真正

3、起到第三道屏障的作用。在泄漏率計(jì)算中，主要通過(guò)氣體的絕對(duì)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(guò)測(cè)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。在平安殼整體密封性試驗(yàn)、機(jī)械隔離閥密封性試驗(yàn)、電氣貫穿件密封性試驗(yàn)等工程中，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(duì)法，是測(cè)定平安殼內(nèi)干空氣的壓力變化，并根據(jù)平均溫度及相對(duì)濕度的變化加以校正。根據(jù)理想氣體方程，可寫(xiě)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(duì)數(shù)導(dǎo)數(shù)。將

4、上式運(yùn)用到1式并僅取級(jí)數(shù)展開(kāi)式的第一項(xiàng)，那么在初始時(shí)間T0及測(cè)試時(shí)間T1之間隔內(nèi)氣體質(zhì)量的相對(duì)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(duì)損失的表達(dá)式為：因此，該法在于測(cè)量平安殼內(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平安殼內(nèi)總絕對(duì)壓力減去水蒸氣的分壓力，因此有必要知道平均相對(duì)濕度，這可通過(guò)測(cè)定局部相對(duì)濕度加權(quán)計(jì)算而得。平均溫度可通過(guò)對(duì)局部容積測(cè)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(lái)源平安殼的根本功能為：在所有運(yùn)行工況下，確保對(duì)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(cè)量的，相應(yīng)于在LOCA工況，壓力Pa=4.

5、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)成了平安殼密封準(zhǔn)那么。失水事故工況不同于試驗(yàn)工況的是：平安殼內(nèi)的溫度值頂峰值，而不是環(huán)境溫度及平安殼內(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，那么測(cè)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(xiě)為：Fe=Fa實(shí)際上，這個(gè)公式相應(yīng)于根本的和最不利的流動(dòng)類型，考慮到由于儀器的原因帶來(lái)誤差Fm，假假設(shè)所測(cè)得的泄漏率滿足以下條件，那么試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)是可以接受的：Fm+Fm0.75Fe，式中0.75相當(dāng)于平安殼老化所取的平安系數(shù)。3理想氣體狀態(tài)方程在平安殼泄漏

6、率計(jì)算中的應(yīng)用3.1平安殼整體密封性試驗(yàn)在平安殼的壽期內(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。為具體確定平安殼在試驗(yàn)條件下的泄漏率，我們需要測(cè)量：平安殼內(nèi)的總的壓力、平安殼內(nèi)的平均溫度、平安殼內(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)平安殼中枯燥空氣質(zhì)量的相對(duì)改變。按理想氣體方程，枯燥空氣的質(zhì)量：M=P-HV/RT，由于單層平安殼內(nèi)枯燥空氣質(zhì)量的變化一般很小，同時(shí)V/V00，因此對(duì)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)平安殼中枯燥空氣質(zhì)量的相對(duì)改變，可轉(zhuǎn)變?yōu)榍蟾鱾€(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)的P/H/T單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)

7、變化一般地，V=常數(shù)，然后再線性合成疊加。這就是計(jì)算單層平安殼泄漏率的計(jì)算方法。3.2平安殼日常泄漏率計(jì)算平安殼日常泄漏率系統(tǒng)監(jiān)測(cè)密封性的變化以及協(xié)助查找漏源。平安殼泄漏率的測(cè)量本質(zhì)上監(jiān)測(cè)平安殼內(nèi)氣體的質(zhì)量變化，從而可有效地監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆廠房在正常運(yùn)行時(shí)平安殼內(nèi)氣體泄漏情況。上式中QSAR可以經(jīng)過(guò)測(cè)量得到，而對(duì)m/t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=ft曲線的斜率。由于泄漏率與P有關(guān)，所以泄漏率的比較只有與壓力對(duì)應(yīng)起來(lái)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)行期間平安殼泄漏的情況的經(jīng)驗(yàn)積累，要將泄漏率換算成60hpa正壓下的泄漏率

8、QL60。4理想氣體狀態(tài)方程在閥門(mén)密封性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用4.1閥門(mén)密封性試驗(yàn)所有貫穿件試驗(yàn)結(jié)果總和不超過(guò)平安殼整體泄漏率的50%.驗(yàn)證平安殼機(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(lái)確定測(cè)量采用某種方法。測(cè)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)從平安殼內(nèi)到平安殼外，且內(nèi)外壓差應(yīng)等于平安殼設(shè)計(jì)壓力p=4.2bar.g。泄漏率測(cè)量分為流量法和壓降法，流量法主要用浮子流量計(jì)測(cè)量泄漏率，分為1A法、1B法、2C法。也可用壓降法來(lái)獲得單個(gè)貫穿件閥門(mén)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/h4.2電氣貫穿件密封性監(jiān)測(cè)電纜

9、貫穿件是用來(lái)保證電纜導(dǎo)線穿過(guò)平安殼時(shí)的邊界性和密封性。電纜貫穿件安裝在鋼襯套管內(nèi)它與平安殼鋼內(nèi)襯焊接。在平安殼墻壁內(nèi)外兩側(cè)通過(guò)兩個(gè)鋼板密封，電纜通過(guò)密封裝置穿過(guò)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。在平安殼墻壁外側(cè)鋼板上，裝充壓和測(cè)壓裝置。貫穿件內(nèi)維持大約2.5巴的氮?dú)?。電氣設(shè)備的貫穿件：對(duì)于所有的貫穿件為整個(gè)平安殼允許泄漏率的1%。通過(guò)讀取安裝在每一個(gè)電纜貫穿件上的現(xiàn)場(chǎng)壓力表的讀數(shù)來(lái)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110-6Ncm3氮/秒，可用通過(guò)壓降法計(jì)算泄漏率。5總結(jié)本文通過(guò)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(lái)源著手，梳理上下游關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(wèn)題具體分析，比方泄漏率測(cè)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(cè)量裝置，而壓降法較費(fèi)時(shí)，需要提供裝置