浅谈理想气体状态方程在密封性评价中的应用

田科浪　田尧

【摘 要】核电厂以核燃料为动力，通过核反应将堆芯热量传递给二回路汽轮机，带动发电机将热能转换为电能，为保护电厂工作人员和外部环境，需要相关边界上的设备具有较高的密封性，比如起到核电厂第三道安全屏障的安全壳和贯穿安全壳的各种阀门。装置的密封性主要体现在介质水或者空气的流动，而介质的流动往往与介质压力和温度等环境有密切关系，理想气体状态方程是贯穿其中的最基本理论，根据质量守恒原理，密封性的好坏体现在一定温度和压力情况下介质质量的绝对变化，往往用标准状况下的泄漏率这一直观参数体现装置的密封性好坏。本文结合核电厂相关技术规范，通过现场实例分析，介绍了理想气体状态方程在设备密封性评价中的应用。

【关键字】理想气体状态方程;温度和压力;密封性;泄漏率

中图分类号： O414文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0062-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.031

0 前言

核电厂为保护公共环境和人员安全，对某些设备的密封性有较高的要求，往往用泄漏率这一直观的数值体现密封性的好坏，比如安全壳泄漏监测系统，是反应堆安全壳密封或泄漏控制的所有部件及其功能的总称，其作用是保持反应堆安全壳的整体完整性，并有效地监测与控制安全壳及其相关部件的密封性，从而保证在正常运行期间和事故情况下安全壳的密闭性，真正起到第三道屏障的作用。在泄漏率计算中，主要通过气体的绝对质量或者体积变化量化泄漏率的大小，其中运用最广泛的即为理想气体状态方程，通过测量装置或者环境的温度、压力、湿度等热工参数，转换成标准状态下介质的质量变化，得出泄漏率的数值。在安全壳整体密封性试验、机械隔离阀密封性试验、电气贯穿件密封性试验等项目中，理想气体状态方程都扮演着重要的理论作用。

1 理想气体状态方程的概述与应用

泄漏率评价最常用的两种方法是运用理想气体定律：“绝对”法，是测定安全壳内干空气的压力变化，并根据平均温度及相对湿度的变化加以校正。根据理想气体方程，可写成PV=NRT，干空气的质量M与分子数成正比，求以上N的表达式的对数导数。

将上式运用到（1）式并仅取级数展开式的第一项，则在初始时间T0及测试时间T1之间隔内气体质量的相对损失为：

因为在大多数情况下忽略体积的变化，故在计算时采用的气体质量相对损失的表达式为：

因此，该法在于测量安全壳内气压的变化以及平均温度的变化。

由于干空气的压力等于安全壳内总绝对压力减去水蒸气的分压力，因此有必要知道平均相对湿度，这可通过测定局部相对湿度加权计算而得。平均温度可通过对部分容积测定足够数量的局部温度经加权计算而得。

2 核电厂整体密封性评价的来源

安全壳的基本功能为：在所有运行工况下，确保对环境保持良好的保护。但事实上，该泄漏率限值Fa是不可能直接进行测量的，相应于在LOCA工况，压力Pa=4.2bar.g和环境温度下进行打压试验期间所得到的容许泄漏率Fe，实际上，它构成了安全壳密封准则。

失水事故工况不同于试验工况的是：安全壳内的温度值（高峰值，而不是环境温度）及安全壳内所包容的流体类型（空气——蒸汽混合物，而不仅仅是空气）。采用最不利的流动速率。即在粗糙介质中的湍流，则测试工况最大允许泄漏Fe与失水事故工况的最大允许泄漏率Fa的关系式可写为：

Fe=Fa

实际上，这个公式相应于基本的和最不利的流动类型，考虑到由于仪器的原因带来误差ΔFm，假若所测得的泄漏率满足下列条件，则试验结果认是可以接受的：Fm+ΔFm≤0.75Fe，式中0.75相当于安全壳老化所取的安全系数。

3 理想气体状态方程在安全壳泄漏率计算中的应用

3.1 安全壳整体密封性试验

在安全壳的寿期内，要进行密封性试验，目的就是要保证它可以在事故甚至地震等等自然灾害情况下具有良好的密封性。

为具体确定安全壳在试验条件下的泄漏率，我们需要测量：安全壳内的总的压力、安全壳内的平均温度、安全壳内的平均湿度（水蒸气分压）。

泄漏率计算是计算单位时间内安全壳中干燥空气质量的相对改变。按理想气体方程，干燥空气的质量：M=（P-H）V/RT，由于单层安全壳内干燥空气质量的变化一般很小，同时△V/V0≈0，因此对公式取微分，并在两端同除初始值M0得：

由上述公式可以看出，求单位时间内安全壳中干燥空气质量的相对改变，可转变为求各个实时监测参数的（P/H/T）单位时间内的相对变化（一般地，V=常数），然后再线性合成（叠加）。这就是计算单层安全壳泄漏率的计算方法。

3.2 安全壳日常泄漏率计算

安全壳日常泄漏率系统监测密封性的变化以及协助查找漏源。安全壳泄漏率的测量本质上监测安全壳内气体的质量变化，从而可有效地监测反应堆厂房在正常运行时安全壳内气体泄漏情况。

上式中QSAR可以经过测量得到，而对Δm/Δt的计算可转化为湿空气标准体积变化DVH的求解，QLD就是DVH=f（t）曲线的斜率。

由于泄漏率与ΔP有关，所以泄漏率的比较只有与压力对应起来才有意义，另外还应消除寄生泄漏率的影响。为了使泄漏率的定义更加准确，根据机组运行期间安全壳泄漏的情况的经验积累，要将泄漏率换算成60hpa正压下的泄漏率QL60。

4 理想气体状态方程在阀门密封性评价中的应用

4.1 阀门密封性试验

所有贯穿件试验结果总和不超过安全壳整体泄漏率的50%.验证安全壳机械贯穿件隔离阀的密封性，根据贯穿件内流动的介质来确定测量采用某种方法。

测量可以用水法也可以用气法进行隔离阀密封试验——试验采用局部加压方式，其加压方向只要有可能都应从安全壳内到安全壳外，且内外压差应等于安全壳设计压力（p=4.2bar.g）。泄漏率测量分为流量法和压降法，流量法主要用浮子流量计测量泄漏率，分为1A法、1B法、2C法。也可用压降法来获得单个贯穿件阀门泄漏率的结果分析如果初始及最终温度相同，泄漏率（Q）如下计算：Q= （Ncm3/h）

4.2 电气贯穿件密封性监测

电缆贯穿件是用来保证电缆导线穿过安全壳时的边界性和密封性。电缆贯穿件安装在钢衬套管内（它与安全壳钢内衬焊接）。在安全壳墙壁内外两侧通过两个钢板密封，电缆通过密封装置穿过这两块钢板，这一钢衬套管与电缆贯穿件钢衬筒焊接在一起。在安全壳墙壁外侧钢板上，装充压和測压装置。贯穿件内维持大约2.5巴的氮气。

电气设备的贯穿件：对于所有的贯穿件为整个安全壳允许泄漏率的1%。通过读取安装在每一个电缆贯穿件上的现场压力表的读数来检查电缆贯穿件的密封性。供货商规定的电缆贯穿件漏率是1×10-6Ncm3氮/秒，可用通过压降法计算泄漏率。

5 总结

本文通过具体的试验实例，介绍了核电厂几类设备密封性评价的方法，主要侧重于理论分析和计算，从泄漏率限值的来源着手，梳理上下游关系，现场试验是复杂多变的，由于受到各种外部环境影响，试验过程和结果可能会与理论情况有一定偏离，这时候需要具体问题具体分析，比如泄漏率测量中常用的流量法和压降法，两者各有优缺点，流量法更加直观和快捷，但需要精密的流量测量装置，而压降法较费时，需要提供装置有效容积，但测量装置相对简单，现场实际采用哪种方法需要根据环境和试验条件综合考虑。泄漏率的大小体现在介质体积或者质量的绝对变化，理想气体状态方程在其中发挥着重要的作用。

【参考文献】

[1]内部文件：SEXTEN2安全壳泄漏率监测.

[2]内部文件：安全壳机械隔离法密封性评估.

[3]RCC-G 86版[S].