淺談理想氣體狀態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，帶動發電機將熱能轉換為電能，為保護電廠工作人員和外部環境，需要相關邊界上的設備具有較高的密封性，比如起到核電廠第三道安全屏障的安全殼和貫穿安全殼的各種閥門。裝置的密封性主要體現在介質水或者空氣的流動，而介質的流動往往與介質壓力和溫度等環境有密切關系，理想氣體狀態方程是貫穿其中的最基本理論，根據質量守恒原理，密封性的好壞體現在一定溫度和壓力情況下介質質量的絕對變化，往往用標準狀況下的泄漏率這一直觀參數體現裝置的密封性好壞。本文結合核電廠相關技術規范，通過現場實例分析，介紹了理想氣體狀態方程在設備密封性評價中的應用。

【關鍵字】理想氣體狀態方程;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： 2095-2457（2019）18-0062-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.031

0 前言

核電廠為保護公共環境和人員安全，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值體現密封性的好壞，比如安全殼泄漏監測系統，是反應堆安全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安全殼的整體完整性，并有效地監測與控制安全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安全殼的密閉性，真正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方程，通過測量裝置或者環境的溫度、壓力、濕度等熱工參數，轉換成標準狀態下介質的質量變化，得出泄漏率的數值。在安全殼整體密封性試驗、機械隔離閥密封性試驗、電氣貫穿件密封性試驗等項目中，理想氣體狀態方程都扮演著重要的理論作用。

1 理想氣體狀態方程的概述與應用

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，是測定安全殼內干空氣的壓力變化，并根據平均溫度及相對濕度的變化加以校正。根據理想氣體方程，可寫成PV=NRT，干空氣的質量M與分子數成正比，求以上N的表達式的對數導數。

將上式運用到（1）式并僅取級數展開式的第一項，則在初始時間T0及測試時間T1之間隔內氣體質量的相對損失為：

因為在大多數情況下忽略體積的變化，故在計算時采用的氣體質量相對損失的表達式為：

因此，該法在于測量安全殼內氣壓的變化以及平均溫度的變化。

由于干空氣的壓力等于安全殼內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計算而得。平均溫度可通過對部分容積測定足夠數量的局部溫度經加權計算而得。

2 核電廠整體密封性評價的來源

安全殼的基本功能為：在所有運行工況下，確保對環境保持良好的保護。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=4.2bar.g和環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，它構成了安全殼密封準則。

失水事故工況不同于試驗工況的是：安全殼內的溫度值（高峰值，而不是環境溫度）及安全殼內所包容的流體類型（空氣——蒸汽混合物，而不僅僅是空氣）。采用最不利的流動速率。即在粗糙介質中的湍流，則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，這個公式相應于基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ΔFm，假若所測得的泄漏率滿足下列條件，則試驗結果認是可以接受的：Fm+ΔFm≤0.75Fe，式中0.75相當于安全殼老化所取的安全系數。

3 理想氣體狀態方程在安全殼泄漏率計算中的應用

3.1 安全殼整體密封性試驗

在安全殼的壽期內，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。

為具體確定安全殼在試驗條件下的泄漏率，我們需要測量：安全殼內的總的壓力、安全殼內的平均溫度、安全殼內的平均濕度（水蒸氣分壓）。

泄漏率計算是計算單位時間內安全殼中干燥空氣質量的相對改變。按理想氣體方程，干燥空氣的質量：M=（P-H）V/RT，由于單層安全殼內干燥空氣質量的變化一般很小，同時△V/V0≈0，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，求單位時間內安全殼中干燥空氣質量的相對改變，可轉變為求各個實時監測參數的（P/H/T）單位時間內的相對變化（一般地，V=常數），然后再線性合成（疊加）。這就是計算單層安全殼泄漏率的計算方法。

3.2 安全殼日常泄漏率計算

安全殼日常泄漏率系統監測密封性的變化以及協助查找漏源。安全殼泄漏率的測量本質上監測安全殼內氣體的質量變化，從而可有效地監測反應堆廠房在正常運行時安全殼內氣體泄漏情況。

上式中QSAR可以經過測量得到，而對Δm/Δt的計算可轉化為濕空氣標準體積變化DVH的求解，QLD就是DVH=f（t）曲線的斜率。

由于泄漏率與ΔP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，根據機組運行期間安全殼泄漏的情況的經驗積累，要將泄漏率換算成60hpa正壓下的泄漏率QL60。

4 理想氣體狀態方程在閥門密封性評價中的應用

4.1 閥門密封性試驗

所有貫穿件試驗結果總和不超過安全殼整體泄漏率的50%.驗證安全殼機械貫穿件隔離閥的密封性，根據貫穿件內流動的介質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安全殼內到安全殼外，且內外壓差應等于安全殼設計壓力（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果分析如果初始及最終溫度相同，泄漏率（Q）如下計算：Q= （Ncm3/h）

4.2 電氣貫穿件密封性監測

電纜貫穿件是用來保證電纜導線穿過安全殼時的邊界性和密封性。電纜貫穿件安裝在鋼襯套管內（它與安全殼鋼內襯焊接）。在安全殼墻壁內外兩側通過兩個鋼板密封，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。在安全殼墻壁外側鋼板上，裝充壓和測壓裝置。貫穿件內維持大約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安全殼允許泄漏率的1%。通過讀取安裝在每一個電纜貫穿件上的現場壓力表的讀數來檢查電纜貫穿件的密封性。供貨商規定的電纜貫穿件漏率是1×10-6Ncm3氮/秒，可用通過壓降法計算泄漏率。

5 總結

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，現場試驗是復雜多變的，由于受到各種外部環境影響，試驗過程和結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，比如泄漏率測量中常用的流量法和壓降法，兩者各有優缺點，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，需要提供裝置有效容積，但測量裝置相對簡單，現場實際采用哪種方法需要根據環境和試驗條件綜合考慮。泄漏率的大小體現在介質體積或者質量的絕對變化，理想氣體狀態方程在其中發揮著重要的作用。

【參考文獻】

[1]內部文件：SEXTEN2安全殼泄漏率監測.

[2]內部文件：安全殼機械隔離法密封性評估.

[3]RCC-G 86版[S].