淺談理想氣體狀態(tài)方程在密封性評價中的應用

1、淺談理想氣體狀態(tài)方程在密封性評價中的應用田科浪田堯【摘要】核電廠以核燃料為動力，通過核反應將堆芯熱量傳遞給二回路汽輪機，帶動發(fā)電機將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為保護電廠工作人員和外部環(huán)境，需要相關邊界上的設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。裝置的密封性主要表達在介質(zhì)水或者空氣的流動，而介質(zhì)的流動往往與介質(zhì)壓力和溫度等環(huán)境有密切關系，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，往往用標準狀況下的泄漏率這一直觀參數(shù)表達裝置的密封性好壞。本文結(jié)合核電廠相關技術(shù)標準，通過現(xiàn)場實例分析，介紹了理想

2、氣體狀態(tài)方程在設備密封性評價中的應用?！娟P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：O414文獻標識碼：A文章編號：2095-2457202118-0062-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.18.0310前言核電廠為保護公共環(huán)境和人員平安，對某些設備的密封性有較高的要求，往往用泄漏率這一直觀的數(shù)值表達密封性的好壞，比方平安殼泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，是反應堆平安殼密封或泄漏控制的所有部件及其功能的總稱，其作用是保持反應堆平安殼的整體完整性，并有效地監(jiān)測與控制平安殼及其相關部件的密封性，從而保證在正常運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)換成標準狀態(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、機械隔離閥密封性試驗、電氣貫穿件密封性試驗等工程中，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)方程的概述與應用泄漏率評價最常用的兩種方法是運用理想氣體定律：“絕對法，是測定平安殼內(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的表達式的對數(shù)導數(shù)。將

4、上式運用到1式并僅取級數(shù)展開式的第一項，那么在初始時間T0及測試時間T1之間隔內(nèi)氣體質(zhì)量的相對損失為：因為在大多數(shù)情況下忽略體積的變化，故在計算時采用的氣體質(zhì)量相對損失的表達式為：因此，該法在于測量平安殼內(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)計算而得。平均溫度可通過對局部容積測定足夠數(shù)量的局部溫度經(jīng)加權(quán)計算而得。2核電廠整體密封性評價的來源平安殼的根本功能為：在所有運行工況下，確保對環(huán)境保持良好的保護。但事實上，該泄漏率限值Fa是不可能直接進行測量的，相應于在LOCA工況，壓力Pa=4.

5、2bar.g和環(huán)境溫度下進行打壓試驗期間所得到的容許泄漏率Fe，實際上，它構(gòu)成了平安殼密封準那么。失水事故工況不同于試驗工況的是：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。采用最不利的流動速率。即在粗糙介質(zhì)中的湍流，那么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的關系式可寫為：Fe=Fa實際上，這個公式相應于根本的和最不利的流動類型，考慮到由于儀器的原因帶來誤差Fm，假假設所測得的泄漏率滿足以下條件，那么試驗結(jié)果認是可以接受的：Fm+Fm0.75Fe，式中0.75相當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、率計算中的應用3.1平安殼整體密封性試驗在平安殼的壽期內(nèi)，要進行密封性試驗，目的就是要保證它可以在事故甚至地震等等自然災害情況下具有良好的密封性。為具體確定平安殼在試驗條件下的泄漏率，我們需要測量：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。泄漏率計算是計算單位時間內(nèi)平安殼中枯燥空氣質(zhì)量的相對改變。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V/V00，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，求單位時間內(nèi)平安殼中枯燥空氣質(zhì)量的相對改變，可轉(zhuǎn)變?yōu)榍蟾鱾€實時監(jiān)測參數(shù)的P/H/T單位時間內(nèi)的相對

7、變化一般地，V=常數(shù)，然后再線性合成疊加。這就是計算單層平安殼泄漏率的計算方法。3.2平安殼日常泄漏率計算平安殼日常泄漏率系統(tǒng)監(jiān)測密封性的變化以及協(xié)助查找漏源。平安殼泄漏率的測量本質(zhì)上監(jiān)測平安殼內(nèi)氣體的質(zhì)量變化，從而可有效地監(jiān)測反應堆廠房在正常運行時平安殼內(nèi)氣體泄漏情況。上式中QSAR可以經(jīng)過測量得到，而對m/t的計算可轉(zhuǎn)化為濕空氣標準體積變化DVH的求解，QLD就是DVH=ft曲線的斜率。由于泄漏率與P有關，所以泄漏率的比較只有與壓力對應起來才有意義，另外還應消除寄生泄漏率的影響。為了使泄漏率的定義更加準確，根據(jù)機組運行期間平安殼泄漏的情況的經(jīng)驗積累，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)方程在閥門密封性評價中的應用4.1閥門密封性試驗所有貫穿件試驗結(jié)果總和不超過平安殼整體泄漏率的50%.驗證平安殼機械貫穿件隔離閥的密封性，根據(jù)貫穿件內(nèi)流動的介質(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行隔離閥密封試驗試驗采用局部加壓方式，其加壓方向只要有可能都應從平安殼內(nèi)到平安殼外，且內(nèi)外壓差應等于平安殼設計壓力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測量泄漏率，分為1A法、1B法、2C法。也可用壓降法來獲得單個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如下計算：Q=Ncm3/h4.2電氣貫穿件密封性監(jiān)測電纜

9、貫穿件是用來保證電纜導線穿過平安殼時的邊界性和密封性。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)通過兩個鋼板密封，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。在平安殼墻壁外側(cè)鋼板上，裝充壓和測壓裝置。貫穿件內(nèi)維持大約2.5巴的氮氣。電氣設備的貫穿件：對于所有的貫穿件為整個平安殼允許泄漏率的1%。通過讀取安裝在每一個電纜貫穿件上的現(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110-6Ncm3氮/秒，可用通過壓降法計算泄漏率。5總結(jié)本文通過具體的試驗實例，介紹了核電廠幾類設備密封性評價的方法，主要側(cè)重于理論分析和計算，從泄漏率限值的來源著手，梳理上下游關系，現(xiàn)場試驗是復雜多變的，由于受到各種外部環(huán)境影響，試驗過程和結(jié)果可能會與理論情況有一定偏離，這時候需要具體問題具體分析，比方泄漏率測量中常用的流量法和壓降法，兩者各有優(yōu)缺點，流量法更加直觀和快捷，但需要精密的流量測量裝置，而壓降法較費時，需要提供裝置