周慧琴

（中核能源科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100193）

1 引言

壓力試驗(yàn)是工藝管道安裝中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是確保整個(gè)高溫氣冷堆正常運(yùn)行的關(guān)鍵要素。根據(jù)試驗(yàn)介質(zhì)的不同，壓力試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)和液壓-氣壓試驗(yàn)[1]。液壓試驗(yàn)以液體為試驗(yàn)介質(zhì)，液體的可壓縮性極小，壓力試驗(yàn)時(shí)一旦試驗(yàn)液體泄漏，能很快釋放出積聚的能量，立即導(dǎo)致容器內(nèi)壓力的大幅急劇下降，因而事故的危險(xiǎn)性較小。氣壓試驗(yàn)比液壓試驗(yàn)危險(xiǎn)的主要原因在于氣體的可壓縮性，一旦發(fā)生破壞事故，不僅要釋放積聚的能量，而且要以最快的速度回復(fù)在升壓過程中被壓縮的體積，后者的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，相當(dāng)于爆炸時(shí)的沖擊波。雖然，壓力試驗(yàn)應(yīng)優(yōu)先選擇液壓，但因結(jié)構(gòu)原因液壓試驗(yàn)后無法將殘存液體吹干排凈，而使用時(shí)容器內(nèi)又不允許殘存任何液體的情況下，允許使用氣壓試驗(yàn)。

在高溫氣冷堆中，氦供應(yīng)與貯存子系統(tǒng)是氦輔助系統(tǒng)的重要組成部分，這個(gè)系統(tǒng)用來貯存氦氣，對管道和設(shè)備的氣密性有著嚴(yán)格的要求。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)介質(zhì)為氣體，使用時(shí)容器內(nèi)不允許殘存任何液體，閥門是螺紋的電磁閥，因結(jié)構(gòu)原因若是用水壓試驗(yàn)，會有水殘留在螺紋連接的電磁閥內(nèi)，后期很難吹掃出來，液壓試驗(yàn)后無法將殘存液體吹干排凈，通入氦氣后，電磁閥中殘留的水就是雜質(zhì)，增加了雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。所以，該系統(tǒng)的壓力試驗(yàn)采用氣壓試驗(yàn)。

氣壓試驗(yàn)采用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)具有臨時(shí)設(shè)施用量少、不用設(shè)高點(diǎn)放空和低點(diǎn)排放、試壓用時(shí)少、可與氣密性試驗(yàn)一并進(jìn)行、較少施工程序，以及縮短施工工期等優(yōu)點(diǎn)。[2]

2 節(jié)流效應(yīng)

氣體從高壓經(jīng)小孔節(jié)流獲得低壓的過程稱為節(jié)流。1 9世紀(jì)5 0年代，英國科學(xué)家JouleHEThomoson對高壓氣體經(jīng)小孔節(jié)流獲得低壓并導(dǎo)致溫度變化的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并稱之為焦-湯效應(yīng)。

從熱力學(xué)角度分析，氣體節(jié)流過程屬于穩(wěn)定流動，這是因?yàn)樵诠?jié)流過程的瞬間，流體的流動可以看作是一個(gè)穩(wěn)態(tài)流動過程，穩(wěn)態(tài)流動體系的能量平衡方程[3]如下：

ΔH+ΔEK+ΔEP=Q+WS

因節(jié)流過程進(jìn)行很快，高壓流體與外界的熱交換可看做絕熱Q=0，該過程不對外作功，WS=0，節(jié)流前后流體的位差與速度變化可忽略不計(jì)，即ΔEK=0，ΔEP=0，由穩(wěn)定流動的能量平衡方程得ΔH=0，即節(jié)流前后流體的焓值不變，這是節(jié)流膨脹的特點(diǎn)。

節(jié)流過程是一個(gè)等焓過程的熱力學(xué)過程。理想氣體的焓值只是溫度的函數(shù)，因此理想氣體的節(jié)流過程會導(dǎo)致壓降，但不會產(chǎn)生溫度變化。而對于實(shí)際氣體，焓不僅是溫度的函數(shù)，還與壓力有直接關(guān)系，故節(jié)流膨脹在導(dǎo)致壓力變化的同時(shí)也將引起溫度變化。節(jié)流過程中溫度隨壓力的變化率

μ=(dT/dP)H

稱為焦-湯系數(shù)，也稱節(jié)流膨脹系數(shù)。節(jié)流過程壓力總是下降，因此μ值為正時(shí)則節(jié)流過程為降溫過程，μ值為負(fù)時(shí)則為升溫過程。因此，在氣壓試驗(yàn)過程中，根據(jù)焦-湯效應(yīng)，氣體會呈現(xiàn)升溫或降溫變化。

3 設(shè)備的脆性溫度

脆性轉(zhuǎn)變溫度是指用沖擊試驗(yàn)方法測定出的金屬材料隨著溫度下降而發(fā)生的塑性明顯下降、脆性明顯上升的溫度。根據(jù)國標(biāo)GB150.2-2011[4]，低合金鋼沖擊試驗(yàn)中，使用溫度不能低于-20℃。若是低于-20℃，則會影響設(shè)備的正常運(yùn)行甚至危及設(shè)備安全。隨著溫度的降低，管道和設(shè)備從周圍空氣吸收熱量，導(dǎo)致管道和設(shè)備表面溫度降低，當(dāng)溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣便在管道表面結(jié)露，若溫度低于0℃，其表面會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，設(shè)備表面會有結(jié)霜，鋼材發(fā)生脆斷的危險(xiǎn)性增加。

4 計(jì)算結(jié)果

氦供應(yīng)與貯存子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度是室溫，氣壓實(shí)驗(yàn)也考慮室溫20℃，

本系統(tǒng)氣壓試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度20℃，氣壓試驗(yàn)壓力公式為：

pT=1.1p[1]

PT表示試驗(yàn)壓力（表壓，MPa）

P表示設(shè)計(jì)壓力（表壓，Mpa）

公式中代入設(shè)計(jì)壓力16.5MPa，計(jì)算得試驗(yàn)壓力為18.15MPa。為了便于比較和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分別計(jì)算了試驗(yàn)壓力為18.15MPa 、15MPa、14.1 MPa、10 MPa，節(jié)流減壓后壓力為0.101 MPa（1個(gè)大氣壓）、1.6 MPa、7MPa、8.1 MPa、10.2 MPa時(shí)的空氣溫度變化規(guī)律。

圖1是在過程模擬軟件中節(jié)流膨脹模型示意圖，S1是節(jié)流前狀態(tài)，S2是節(jié)流后狀態(tài)，V1是節(jié)流閥。

圖1 節(jié)流膨脹示意圖

圖2 T-P圖（18.15MPa）

根據(jù)高溫氣冷堆常用的工況，運(yùn)用過程模擬軟件PRO II進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合PR方程，計(jì)算得出不同工況下，空氣的溫度隨壓力變化的規(guī)律如下圖所示：

圖3 T-P圖（15MPa）

圖4 T-P圖（14.1MPa）

由圖2至圖5的計(jì)算結(jié)果可知，空氣流經(jīng)減壓閥是一個(gè)節(jié)流降溫的過程，試驗(yàn)壓力18.15MPa，溫度降至最低時(shí)為-19.2℃，試驗(yàn)壓力15MPa，溫度降至最低時(shí)為-14.5℃，試驗(yàn)壓力14.1MPa，溫度降至最低時(shí)為-12.9℃，試驗(yàn)壓力10MPa，溫度降至最低時(shí)為-5.1℃。

圖5 T-P圖（10MPa）

5 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在室溫20℃條件下，高溫氣冷堆的氣壓實(shí)驗(yàn)過程中，由于節(jié)流效應(yīng)的影響，當(dāng)試驗(yàn)壓力是設(shè)計(jì)壓力的1.1倍，降壓至氦凈化正常列的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，設(shè)備和管道會出現(xiàn)結(jié)霜的情況，但不會對設(shè)備的使用溫度有影響。

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)壓力最高為15MPa，由圖2可知，在試驗(yàn)過程中，由于節(jié)流膨脹導(dǎo)致的空氣溫度的變化，最低溫度是-14.5℃，高于脆性轉(zhuǎn)變溫度[3]，不影響設(shè)備的安全性能。

結(jié)合設(shè)備和管道規(guī)范規(guī)定，為了避免壓力試驗(yàn)導(dǎo)致災(zāi)難性后果，考慮到結(jié)霜情況，使用較高溫度的壓力試驗(yàn)氣體。