高温气冷堆氦贮存系统气压试验结霜现象对设备影响的分析

2022-08-03周慧琴

石油和化工设备 2022年7期

周慧琴

（中核能源科技有限公司，北京市海淀区，100193）

1 引言

压力试验是工艺管道安装中最重要的一个环节，是确保整个高温气冷堆正常运行的关键要素。根据试验介质的不同，压力试验分为液压试验、气压试验和液压-气压试验[1]。液压试验以液体为试验介质，液体的可压缩性极小，压力试验时一旦试验液体泄漏，能很快释放出积聚的能量，立即导致容器内压力的大幅急剧下降，因而事故的危险性较小。气压试验比液压试验危险的主要原因在于气体的可压缩性，一旦发生破坏事故，不仅要释放积聚的能量，而且要以最快的速度回复在升压过程中被压缩的体积，后者的破坏远远大于前者，相当于爆炸时的冲击波。虽然，压力试验应优先选择液压，但因结构原因液压试验后无法将残存液体吹干排净，而使用时容器内又不允许残存任何液体的情况下，允许使用气压试验。

在高温气冷堆中，氦供应与贮存子系统是氦辅助系统的重要组成部分，这个系统用来贮存氦气，对管道和设备的气密性有着严格的要求。系统正常运行时介质为气体，使用时容器内不允许残存任何液体，阀门是螺纹的电磁阀，因结构原因若是用水压试验，会有水残留在螺纹连接的电磁阀内，后期很难吹扫出来，液压试验后无法将残存液体吹干排净，通入氦气后，电磁阀中残留的水就是杂质，增加了杂质的风险。所以，该系统的压力试验采用气压试验。

气压试验采用空气作为试验介质具有临时设施用量少、不用设高点放空和低点排放、试压用时少、可与气密性试验一并进行、较少施工程序，以及缩短施工工期等优点。[2]

2 节流效应

气体从高压经小孔节流获得低压的过程称为节流。1 9世纪5 0年代，英国科学家JouleHEThomoson对高压气体经小孔节流获得低压并导致温度变化的现象进行了研究，并称之为焦-汤效应。

从热力学角度分析，气体节流过程属于稳定流动，这是因为在节流过程的瞬间，流体的流动可以看作是一个稳态流动过程，稳态流动体系的能量平衡方程[3]如下：

ΔH+ΔEK+ΔEP=Q+WS

因节流过程进行很快，高压流体与外界的热交换可看做绝热Q=0，该过程不对外作功，WS=0，节流前后流体的位差与速度变化可忽略不计，即ΔEK=0，ΔEP=0，由稳定流动的能量平衡方程得ΔH=0，即节流前后流体的焓值不变，这是节流膨胀的特点。

节流过程是一个等焓过程的热力学过程。理想气体的焓值只是温度的函数，因此理想气体的节流过程会导致压降，但不会产生温度变化。而对于实际气体，焓不仅是温度的函数，还与压力有直接关系，故节流膨胀在导致压力变化的同时也将引起温度变化。节流过程中温度随压力的变化率

μ=(dT/dP)H

称为焦-汤系数，也称节流膨胀系数。节流过程压力总是下降，因此μ值为正时则节流过程为降温过程，μ值为负时则为升温过程。因此，在气压试验过程中，根据焦-汤效应，气体会呈现升温或降温变化。

3 设备的脆性温度

脆性转变温度是指用冲击试验方法测定出的金属材料随着温度下降而发生的塑性明显下降、脆性明显上升的温度。根据国标GB150.2-2011[4]，低合金钢冲击试验中，使用温度不能低于-20℃。若是低于-20℃，则会影响设备的正常运行甚至危及设备安全。随着温度的降低，管道和设备从周围空气吸收热量，导致管道和设备表面温度降低，当温度低于周围空气的露点温度时，空气中的水蒸气便在管道表面结露，若温度低于0℃，其表面会出现结霜现象，设备表面会有结霜，钢材发生脆断的危险性增加。

4 计算结果

氦供应与贮存子系统的设计温度是室温，气压实验也考虑室温20℃，

本系统气压试验的试验温度20℃，气压试验压力公式为：

pT=1.1p[1]

PT表示试验压力（表压，MPa）

P表示设计压力（表压，Mpa）

公式中代入设计压力16.5MPa，计算得试验压力为18.15MPa。为了便于比较和统计学分析，分别计算了试验压力为18.15MPa 、15MPa、14.1 MPa、10 MPa，节流减压后压力为0.101 MPa（1个大气压）、1.6 MPa、7MPa、8.1 MPa、10.2 MPa时的空气温度变化规律。

图1是在过程模拟软件中节流膨胀模型示意图，S1是节流前状态，S2是节流后状态，V1是节流阀。