浅谈理想气体状态方程在密封性评价中的应用

1、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，比方起到核电厂第三道平安屏障的平安壳和贯穿平安壳的各种阀门。装置的密封性主要表达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根本理论，根据质量守恒原理，密封性的好坏表达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表达装置的密封性好坏。本文结合核电厂相关技术标准，通过现场实例分析，介绍了理想

2、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：2095-2457202118-0062-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.18.0310前言核电厂为保护公共环境和人员平安，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表达密封性的好坏，比方平安壳泄漏监测系统，是反应堆平安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平安壳的整体完整性，并有效地监测与控制平安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平安壳的密闭性，真正

3、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。在平安壳整体密封性试验、机械隔离阀密封性试验、电气贯穿件密封性试验等工程中，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，是测定平安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

4、上式运用到1式并仅取级数展开式的第一项，那么在初始时间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，该法在于测量平安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平安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。平均温度可通过对局部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平安壳的根本功能为：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.

5、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，它构成了平安壳密封准那么。失水事故工况不同于试验工况的是：平安壳内的温度值顶峰值，而不是环境温度及平安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，那么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，这个公式相应于根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Fm，假假设所测得的泄漏率满足以下条件，那么试验结果认是可以接受的：Fm+Fm0.75Fe，式中0.75相当于平安壳老化所取的平安系数。3理想气体状态方程在平安壳泄漏

6、率计算中的应用3.1平安壳整体密封性试验在平安壳的寿期内，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。为具体确定平安壳在试验条件下的泄漏率，我们需要测量：平安壳内的总的压力、平安壳内的平均温度、平安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平安壳中枯燥空气质量的相对改变。按理想气体方程，枯燥空气的质量：M=P-HV/RT，由于单层平安壳内枯燥空气质量的变化一般很小，同时V/V00，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，求单位时间内平安壳中枯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

7、变化一般地，V=常数，然后再线性合成叠加。这就是计算单层平安壳泄漏率的计算方法。3.2平安壳日常泄漏率计算平安壳日常泄漏率系统监测密封性的变化以及协助查找漏源。平安壳泄漏率的测量本质上监测平安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平安壳内气体泄漏情况。上式中QSAR可以经过测量得到，而对m/t的计算可转化为湿空气标准体积变化DVH的求解，QLD就是DVH=ft曲线的斜率。由于泄漏率与P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，根据机组运行期间平安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

8、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平安壳整体泄漏率的50%.验证平安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平安壳内到平安壳外，且内外压差应等于平安壳设计压力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/h4.2电气贯穿件密封性监测电缆

9、贯穿件是用来保证电缆导线穿过平安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平安壳钢内衬焊接。在平安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。在平安壳墙壁外侧钢板上，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平安壳允许泄漏率的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110-6Ncm3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，比方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