核电厂安全壳试验前进行湿度调节的分析

吴希盼，李志勇

（中国核电工程有限公司，北京 100089）

1 安全壳密封性试验

国内核电厂安全壳整体密封性试验通常采用绝对压力法，数据处理采用质量点法。在安全壳完全封闭后，通过压空系统（或临时空压机）向安全壳内注入空气，当安全壳内压力达到试验压力后，停止充气。安全壳内的干空气质量将随着时间推移逐渐减少。通过安全壳内空气的压力、温度和水蒸气分压力参数根据理想气体方程（1-2）计算某测定时刻的安全壳内干空气质量点，根据式（1-1）计算干空气质量的变化率，即可得到安全壳整体泄漏率的估计值。

L：安全壳整体泄漏率估计值；

W：安全壳内干空气质量，kg。

V：安全壳的自由容积，m3；

R：干空气气体常数，8.31J/（mol·K）；

P：安全壳内空气的绝压，kPa；

Pv：安全壳内水蒸气分压力，kPa；

T：安全壳内温度，K。

由于试验条件下在内层安全壳整体泄漏率测量期间P、Pv、T和W变化很小，所以由式（1-2）可得：

下标0表示内层安全壳整体泄漏率测量期间的第一组数据。

由式（1-4）可以看出，P、Pv、T的每个测量值都对试验结果的计算有直接影响。

安全壳内空气的绝压P可通过高精度压力表直接测得；温度T通过在安全壳内布置的温度传感器测得。通过湿度传感器测得的相对湿度H根据马格纳斯公式（1-3）可计算得出安全壳内水蒸气分压力Pv。

H：安全壳内相对湿度，%RH；

E0：0 ℃饱和水蒸气压，取6.107 8 hPa；

t：湿度传感器处的干球温度，℃；

α：常数，取7.5；

b：常数，取237.3。

2 相对湿度与绝对湿度

相对湿度是指湿空气中的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比。绝对湿度就是每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，以g/m3表示。单位体积的空气中能够含有的水蒸气是有极限的，当该体积空气中所含水蒸气超过这个限值，水蒸气就会凝结。这个极限又与温度相关，通常情况下，温度越高，单位体积的空气中能够含有的水蒸气（即最大绝对湿度）越多。

安全壳试验期间，安全壳内温度通常在20~35 ℃，在这个温度下，空气最大绝对湿度如表1所示。

表1 温度与最大绝对湿度对应表

3 湿度传感器失效

安全壳试验采用的湿度传感器的核心元件为高分子薄膜型的湿敏电容，该电容具有感湿特性的电介质，介电常数随相对湿度的变化而变化。传感器通常包括：①上部电极，主要用于保护传感器核心材料不受灰尘等影响，并使水蒸气通过；②下部电极，主要起到支撑传感器的作用；③活性聚合物薄膜，作用是吸收水蒸气。水蒸气的吸收量主要取决于周围环境的相对湿度，当水蒸气通过上部电极，到达活性聚合物薄膜，会改变传感器电介质特性，使电容值发生变化，通过测量电路测得电容值从而得出相对湿度值。

当安全壳内相对湿度达到100 %RH，即空气中水蒸气含量达到极限值，此时若温度下降或水蒸气继续增加，安全壳内的水蒸气就会凝结。凝结的水珠附着在湿度传感器探头上，造成传感器活性聚合物薄膜的水蒸气吸收量直接达到最大值，且短时间内无法恢复，使湿度传感器读数失效。

当传感器失效时，应将该失效传感器的数据从数据组中全部剔除，并且将该传感器的体积权重系数进行重新分配给留下的附近的传感器，从安全壳整体密封性试验开始取得的每一个数据组的安全壳干空气质量和相应的泄漏率都应该利用重新分配的体积权重系数重新进行计算。

体积权重系数进行重新分配时，应遵循最优路径原则，即气体温度、湿度交换对流的最短路径，而不是空间上的最短路径。如下图1所示，若A点为失效的传感器，虽然B点距离A点最近，但是由于AB之间的墙体会导致两点之间空气温度、湿度交换对流不充分，C点与A点之间的温度、湿度参数比B点与A点之间更加接近。因此，C点才是A点的最优路径。

图1 最优路径示意图

4 相对湿度的调节

相对湿度=实际含水量/最大含水量，而最大含水量与温度成正相关。因此，在安全壳试验期间，对相对湿度进行调节有两种方式：①调节安全壳内空气温度；②调节安全壳内空气的实际含水量。

安全壳内空气的温度受环境温度影响最大。此外，由于试验期间会向安全壳内注入压缩空气，机械能转化成热能，会导致安全壳内空气温度升高；当停止充气后，由于安全壳本体的微量泄漏以及通过安全壳向外部传热，安全壳内空气温度会逐渐降低。在安全壳试验期间，由于安全壳内的高压力导致岛内物项燃点降低，如果通过人为提高安全壳内空气温度，不仅难度大、工作量大，经济性低，也不利于安全管控。

影响安全壳内空气实际含水量的因素包括：安全壳封闭前的空气含水量、注入安全壳的压缩空气的含水量以及安全壳内液态水的蒸发。因此，对安全壳内空气相对湿度的调节可通过下列方法。

4.1 安全壳封闭前的调节

安全壳封闭前，壳内空气的含水量直接受当地气象影响。因此，安全壳封闭时间应适当避开阴雨天气。但是，我国南方夏季多雨，同时又受现场施工进度影响，安全壳试验的时间通常无法进行大幅调节。

安全壳封闭前还可通过通风换气的手段对壳内空气含水量进行调节。保持至少一道闸门开启状态，通过安全壳通风换气系统或者压空系统或临时空压机向安全壳内注入干燥空气，以干燥空气置换原湿空气。如图2所示。

图2 安全壳通风换气示意图

以某核电厂两台机组为例，其中1台机组在安全壳封闭前通过临时空压机进行通风换气约2小时，另一台机组在安全壳封闭前未进行通风换气，如表2。

表2 两台机组试验过程中相对湿度对比表

通过表2对比可看出，通风换气可以有效地对安全壳内空气的相对湿度进行调节。在安全壳封闭前，通常将壳内相对湿度控制在75 %RH以内，基本可保障整个试验期间壳内空气相对湿度在较好状态。

4.2 气源含水量的控制

安全壳试验用气量大，为7 000~13 000 m3/h，若用厂区正式压空供气，会对整个供气管网造成影响。因此安全壳试验的气源通常选用临时空压机。试验期间，安全壳完全封闭，注入的压缩空气中的水蒸气会直接增加安全壳内空气的绝对湿度。根据《核电厂安全壳密封性试验》（NB/T20018-2010）要求，安全壳试验使用的气源含水量必须低于1 g/m3。

安全壳试验期间，安全壳内温度通常在20~35 ℃，在这个温度下，空气最大含水量为20~40 g/m3。某核电机组采用的临时空压机在出气口位置安装干燥机后，经对现场生产的压缩空气采样检验，其露点为-50℃，即含水量约0.06 g/m3，远小于壳内空气的最大含水量，可忽略不计。

4.3 安全壳内液态水的控制

安全壳打压期间，安全壳内可能存在的液态水包括：系统管线内的液体泄漏、核岛内设置的水坑中的水、地面残存水等，这些液态水在试验期间的蒸发都会增加安全壳内空气的绝对湿度。

在试验准备阶段，应对安全壳内进行清理清洁，一方面是为了清除易燃易爆品，防止试验期间因高压导致燃点降低而造成的火灾风险，另一方面也是为了清除灰尘杂物，防止其进入开口系统或设备，形成异物。除此之外，也要彻底清理地面的残留液体，减少因液态水蒸发对壳内空气绝对湿度的影响。

试验前，安全壳内的系统和设备应根据试验需求进行状态在线，在线情况应经核实确认，可以防止试验期间的异常泄漏，同时也可以防止管线内的液体泄漏至安全壳内。核岛内设置有较多的水池或水坑，比如输水排气系统的疏水坑、换料水箱等。这些水坑中的水通常很难在安全壳试验前进行彻底清除，但是可以在试验前采取一些措施。降低液体蒸发的手段主要包括：①降低液体温度；②降低液体表面空气流动速度；③减少液体表面积。降低液体温度和减少表面积的手段，在安全壳试验中不易实现，因此可以考虑降低液体表面空气流动速度。比如在水坑口安装临时盖板，这样，一方面通过减少液体表面的空气流动来减少蒸发，同时也降低了蒸发的水蒸气向安全壳内空气的扩散。加装的临时盖板应注意不能采用易燃材料，同时应给水坑预留通气孔，防止承压损坏。

5 总结

通过在安全壳封闭前进行通风换气、降低向安全壳内注入的压缩空气中的含水量以及减少安全壳内液态水的蒸发，可以有效地将试验期间的岛内空气湿度控制在一个较好的状态，防止湿度传感器的失效，有利于试验的顺利进行和试验数据处理的有效性。