本發(fā)明涉及一種核設(shè)備實驗領(lǐng)域，具體涉及一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

對比全球已發(fā)生的三次嚴(yán)重事故可以發(fā)現(xiàn)，將堆芯熔融物滯留在壓力容器內(nèi)，保證反應(yīng)堆壓力容器的完整性，可以極大地緩解嚴(yán)重事故的進(jìn)一步發(fā)展和惡化。在對現(xiàn)有先進(jìn)反應(yīng)堆熔融物堆內(nèi)滯留策略的消化吸收基礎(chǔ)上，中核集團(tuán)提出了設(shè)置堆腔注水冷卻系統(tǒng)，通過能動和非能動兩種方式冷卻壓力容器下封頭，將堆芯熔融物包容在壓力容器下腔室內(nèi)，維持壓力容器完整性。因此，嚴(yán)重事故條件下壓力容器下封頭外表面流動傳熱特性以及臨界熱流密度是熔融物堆內(nèi)滯留成功與否的決定性因素。

為了掌握下封頭外表面流動傳熱特性以及獲得壓力容器下封頭外表面臨界熱流密度限值，迫切需要一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)及方法，滿足較低設(shè)計壓力設(shè)備的泄漏檢測小區(qū)需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有技術(shù)不能作為實驗室或工業(yè)應(yīng)用的池式蒸發(fā)條件下水位保持裝置，無法滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求的問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)，包括補(bǔ)水系統(tǒng)、儲水系統(tǒng)、水位維持系統(tǒng)和發(fā)熱實驗裝置，所述補(bǔ)水系統(tǒng)通過補(bǔ)水管道與儲水系統(tǒng)連接為其補(bǔ)水；儲水系統(tǒng)通過送水管道與水位維持系統(tǒng)連接以維持其水位不變，并在送水管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥和流量計，所述水位維持系統(tǒng)通過連通管道與發(fā)熱實驗裝置連接穩(wěn)定供水，并在所述連通管道上設(shè)置連通截止閥；所述發(fā)熱實驗裝置包括打壓實驗容器，所述打壓實驗容器內(nèi)設(shè)置有發(fā)熱部件，打壓實驗容器的入口位置設(shè)置壓力變送器，以實時監(jiān)測發(fā)熱部件所處的壓力值，在打壓實驗容器的出口位置安裝排出管道，所述排出管道末端設(shè)置有排出截止閥；

所述的排出管道的尾端設(shè)置成向上傾斜的管道，與豎直方向傾斜夾角的角度范圍：20～60°，向上傾斜管道的長度小于等于5m。

進(jìn)一步的，所述補(bǔ)水系統(tǒng)通包括補(bǔ)水截止閥、補(bǔ)水泵和補(bǔ)水管道，所述儲水箱頂部通過補(bǔ)水管道相連接，補(bǔ)水管道上設(shè)置補(bǔ)水泵和補(bǔ)水截止閥。

進(jìn)一步的，所述的儲水系統(tǒng)包括有儲水箱，所述的儲水箱側(cè)面安裝有儲水箱液位計，在儲水箱靠近頂部的位置安裝有儲水箱溢流閥。

進(jìn)一步的，所述水位維持系統(tǒng)包括有水位維持箱，所述的水位維持箱側(cè)面安裝水位維持箱液位計，在水位維持箱靠近頂部的位置安裝水位維持箱溢流閥。

進(jìn)一步的，所述的儲水箱、水位維持箱和連通管道底部均設(shè)置有排污閥，所述的排污閥用于清洗時排污；所述的連通管道靠近打壓實驗容器入口的位置設(shè)置的排污閥，該處設(shè)置的排污閥用于排水。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗方法，其特征在于，包括步驟：

步驟1：所述排出管道的直徑D_排出，根據(jù)打壓實驗容器出口的當(dāng)量直徑De_{打壓實驗件}確定，D_排出＝De_{打壓實驗件}；

設(shè)打壓實驗容器入口的標(biāo)高為0m，設(shè)打壓實驗容器泄漏檢測所需的絕對壓力范圍是P1～P2Pa，設(shè)P1<P2，設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫镻0Pa，根據(jù)壓力P1查詢物性表可以得到單相水密度為ρl kg/m3，則水位維持箱底面的標(biāo)高LMB_{水位維持箱}可由下式計算：

排出管道(15)豎直段的頂部標(biāo)高LMT_排出，可由下式確定：

連通管道的直徑D_連通根據(jù)打壓實驗容器出口的當(dāng)量直徑De_{打壓實驗件}確定，D_連通＝De_{打壓實驗件}；

保持儲水箱底面標(biāo)高為LMB_儲水箱可由下式計算：

送水管道的直徑D_送水＝D_連通；

補(bǔ)水管道的直徑D_補(bǔ)水根據(jù)連通管道直徑確定，D_補(bǔ)水＝D_連通；而當(dāng)D_連通小于50mm時，為保證補(bǔ)水效率，補(bǔ)水管道直徑D_補(bǔ)水＝50mm；

步驟2：水位維持箱的高度為h_{水位維持箱}，由下式計算：

為保證壓力的精確控制，水位維持箱的橫截面需保持不變，其橫截面積S_{水位維持箱}設(shè)置為5～15倍的打壓實驗容器橫截面積S_{打壓實驗件}，即S_{水位維持箱}＝(5～15)×S_{打壓實驗件}；

步驟3：打開排出截止閥，關(guān)閉連通截止閥和調(diào)節(jié)閥，打開水位維持箱溢流閥、儲水箱溢流閥和補(bǔ)水截止閥，啟動補(bǔ)水泵，通過補(bǔ)水管道給儲水箱補(bǔ)水；通過儲水箱液位計，監(jiān)控儲水箱水位，當(dāng)儲水箱水位達(dá)到儲水箱高度85％時，關(guān)閉補(bǔ)水泵，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥，停止補(bǔ)水；

打開連通截止閥，打開調(diào)節(jié)閥，通過壓力變送器，監(jiān)控打壓實驗容器壓力，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)開度注水，保持打壓實驗容器的壓力上升，上升速率小于5％/分鐘，5％指的是待檢測設(shè)備所需達(dá)到的最高的檢測壓力，即P2，的5％。

當(dāng)打壓實驗容器壓力達(dá)到P1時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，完成裝置連通、注水；

步驟4：在較低壓力條件下改變打壓實驗容器壓力進(jìn)行設(shè)備泄漏檢測實驗。

進(jìn)一步的，在所述的步驟3對實驗系統(tǒng)進(jìn)行注水前，對所述儲水箱和水位維持箱進(jìn)行清洗，通過對應(yīng)的排污閥排污，清洗完成后關(guān)閉對應(yīng)的排污閥。

進(jìn)一步的，所述的步驟4在較低壓力條件下改變打壓實驗容器壓力進(jìn)行設(shè)備泄漏檢測實驗；提升打壓實驗容器的壓力：通過壓力變送器，監(jiān)控打壓實驗容器壓力，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度注水，保持打壓實驗容器的壓力上升，上升速率小于1％/分鐘，1％指的是待檢測設(shè)備所需達(dá)到的檢測壓力的1％。當(dāng)打壓實驗容器壓力達(dá)到所需壓力值時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，完成打壓實驗容器的壓力提升。完成壓力的提升或者降低后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，監(jiān)測打壓實驗容器的壓力，當(dāng)打壓實驗容器壓力在半個小時內(nèi)降低的壓力值，低于5％最高待檢壓力值時，可以認(rèn)為設(shè)備無泄漏。

進(jìn)一步的，所述的步驟4在較低壓力條件下改變打壓實驗容器壓力進(jìn)行設(shè)備泄漏檢測實驗；降低打壓實驗容器的壓力：通過壓力變送器，監(jiān)控打壓實驗容器壓力；打開打壓實驗容器入口處的排污閥，降低打壓實驗容器的淹沒水位，降低打壓實驗容器的壓力；由于回路中存在橫截面積較大的水位維持箱，因此打壓實驗容器的壓力變化速率較低；當(dāng)打壓實驗容器壓力降低到所需壓力值時，關(guān)閉排污閥，完成打壓實驗件的壓力降低。

完成壓力的提升或者降低后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，監(jiān)測打壓實驗容器的壓力，當(dāng)打壓實驗容器壓力在半個小時內(nèi)降低的壓力值，低于5％最高待檢壓力值時，可以認(rèn)為設(shè)備無泄漏，否則打壓實驗容器為泄露。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明基于連通器原理，結(jié)合水位檢測、壓力檢測以及流量檢測，通過一系列閥門的聯(lián)合調(diào)節(jié)，可以在池式蒸發(fā)條件下平穩(wěn)保持發(fā)熱部件的水位，并精細(xì)維持發(fā)熱部件所處的壓力環(huán)境。還可以在較低壓力條件下精確維持壓力環(huán)境，便于針對較低設(shè)計壓力的設(shè)備開展打壓實驗，可開展絕對壓力0.1～10MPa的打壓實驗，壓力維持穩(wěn)定，維持壓力環(huán)境無需泵，滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求。通過本發(fā)明技術(shù)方案可以用于檢測較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏情況。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)的原理示意圖；

附圖中標(biāo)記及對應(yīng)的零部件名稱：

1.儲水箱溢流閥；2.儲水箱；3.儲水箱液位計；4.調(diào)節(jié)閥；5.流量計；6.送水管道；7.水位維持箱；8.水位維持箱液位計；9.排污閥；10.水位維持箱溢流閥；11.連通截止閥；12.連通管道；13.壓力變送器；14.發(fā)熱部件；15.排出管道；16.排出截止閥；17.補(bǔ)水截止閥；18.補(bǔ)水泵；19.補(bǔ)水管道；20.打壓實驗容器。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)，包括儲水箱2、水位維持箱7、背壓水箱20和打壓實驗容器20，所述的儲水箱2側(cè)面安裝有儲水箱液位計3，在儲水箱2靠近頂部的位置安裝有儲水箱溢流閥1；所述的水位維持箱7側(cè)面安裝水位維持箱液位計8，在水位維持箱7靠近頂部的位置安裝水位維持箱溢流閥10；背壓水箱20側(cè)面安裝背壓水箱液位計21，在背壓水箱20靠近頂部的位置安裝背壓水箱溢流閥22；打壓實驗容器20內(nèi)設(shè)置有發(fā)熱部件14；儲水箱2的底部與水位維持箱7的頂部通過送水管道6連接，在送水管道6上安裝調(diào)節(jié)閥4和流量計5；水位維持箱7的底部與打壓實驗容器20入口通過連通管道12連接，在連通管道12上安裝連通截止閥11；打壓實驗容器20的入口位置設(shè)置壓力變送器13，以實時監(jiān)測發(fā)熱部件14所處的壓力值，在打壓實驗容器20的出口位置安裝排出管道15，排出管道15分為豎直放置部分和尾端部分，將打壓實驗容器20的出口與排出管道15豎直部分連接，儲水箱2頂部通過補(bǔ)水管道19相連接，補(bǔ)水管道19上設(shè)置補(bǔ)水泵18和補(bǔ)水截止閥17。

儲水箱2、水位維持箱7和背壓水箱20底部設(shè)置有排污閥9，連通管道12靠近打壓實驗容器20入口的位置也安裝有排污閥9，排污閥9用于清洗時排污。排出管道15的尾端設(shè)置成向上傾斜的管道，與豎直方向傾斜夾角的角度范圍：20～60°，向上傾斜管道的長度小于等于5m。

一種在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)，可以在較低壓力條件下精確維持壓力環(huán)境，便于針對較低設(shè)計壓力的設(shè)備開展打壓試驗，可開展絕對壓力0.1～10.0MPa的打壓試驗，壓力維持穩(wěn)定，維持壓力環(huán)境無需使用泵，可滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求。

本發(fā)明在在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)的工作條件：水介質(zhì)或蒸汽介質(zhì)，常壓～10MPa，常溫～300℃。

安裝條件：在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)可安裝于實驗回路，操作簡便，性能穩(wěn)定，壓力維持穩(wěn)定，維持壓力環(huán)境無需泵，經(jīng)濟(jì)性較好。

應(yīng)用對象：在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)可作為實驗室用的池式蒸發(fā)條件下水位保持裝置，可以在較低壓力條件下精確維持壓力環(huán)境，便于針對較低設(shè)計壓力的設(shè)備開展打壓試驗，滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求。

實施例2

如圖1所示，一種利用上述實驗系統(tǒng)在精細(xì)壓力環(huán)境維持條件下較低壓力的設(shè)備泄漏檢測實驗方法，滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求。

將實施例1中的一種在壓力環(huán)境維持條件下較低壓力的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)安裝、連接和固定

首先根據(jù)需要安裝和固定打壓實驗容器20，在打壓實驗容器20的入口位置設(shè)置壓力變送器13，以實時監(jiān)測打壓實驗容器20所處的壓力值。在打壓實驗容器20的出口位置安裝排出管道12，此時可不利用背壓水箱20、背壓水箱液位計21、背壓水箱溢流閥22、背壓水箱連接管23。將打壓實驗容器20的出口與排出管道15豎直部分連接。在排出管道15上安裝排出截止閥16，將排出截止閥16設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。

排出管道15的直徑D_排出可根據(jù)打壓實驗容器20出口的當(dāng)量直徑De_{打壓實驗件}確定，D_排出＝De_{打壓實驗件}。

設(shè)打壓實驗容器20入口的標(biāo)高為0m。假設(shè)打壓實驗容器20泄漏檢測所需的絕對壓力范圍是P1～P2Pa，假設(shè)P1<P2。假設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫镻0Pa(一般情況下P0≈101325Pa。)根據(jù)壓力P1，查詢物性表可以得到單相水密度為ρl kg/m3。則水位維持箱7底面的標(biāo)高LMB_{水位維持箱}可由下式計算：

排出管道15豎直段的頂部標(biāo)高LMT_排出，可由下式確定：

安裝和固定水位維持箱7，保持水位維持箱7底面的標(biāo)高為LMB_{水位維持箱}。然后在水位維持箱7側(cè)面安裝水位維持箱液位計8，在水位維持箱7底部安裝排污閥9，在水位維持箱7靠近頂部的位置安裝水位維持箱溢流閥10。水位維持箱液位計8用于實時監(jiān)測水位維持箱7內(nèi)的液位，排污閥9用于水位維持箱7清洗時排污，水位維持箱溢流閥10用于在水位過高時排水保護(hù)設(shè)備。水位維持箱7安裝完成后，需進(jìn)行清洗，清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9，關(guān)閉水位維持箱溢流閥10。

水位維持箱7的底部與打壓實驗容器20入口通過連通管道12連接，在連通管道12上安裝連通截止閥11，將連通截止閥11設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。在連通管道12靠近打壓實驗容器20入口的位置，安裝排污閥9。管道清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9。連通管道12的長度應(yīng)盡量縮短，連通管道12的直徑D_連通根據(jù)打壓實驗容器20出口的當(dāng)量直徑De_{打壓實驗件}確定，D_連通＝De_{打壓實驗件}。

安裝和固定儲水箱2，保持儲水箱2底面標(biāo)高為LMB_儲水箱可由下式計算：

然后在儲水箱2側(cè)面安裝儲水箱液位計3，在儲水箱3底部安裝排污閥9，在儲水箱2靠近頂部的位置安裝儲水箱溢流閥1。儲水箱液位計3用于實時監(jiān)測儲水箱2內(nèi)的液位，排污閥9用于儲水箱2清洗時排污，儲水箱2溢流閥用于在水位過高時排水保護(hù)設(shè)備。儲水箱2安裝完成后，需進(jìn)行清洗，清洗時打開排污閥9排污，清洗完成后關(guān)閉排污閥9，關(guān)閉儲水箱溢流閥1。

儲水箱1的底部與水位維持箱7的頂部通過送水管道6連接，在送水管道6上安裝調(diào)節(jié)閥4和流量計5，將調(diào)節(jié)閥4設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。送水管道6的長度應(yīng)盡量縮短，送水管道6的直徑D_送水＝D_連通。

在裝置合適位置設(shè)置補(bǔ)水泵18。補(bǔ)水泵18入口與水源通過補(bǔ)水管道19相連接，補(bǔ)水泵17出口與儲水箱2頂部通過補(bǔ)水管道19相連接，補(bǔ)水管道19上設(shè)置補(bǔ)水截止閥18，將補(bǔ)水截止閥18設(shè)置為全關(guān)狀態(tài)。補(bǔ)水管道19的直徑D_補(bǔ)水可根據(jù)連通管道6直徑確定，D_補(bǔ)水＝D_連通。而當(dāng)D_連通小于50mm時，為保證補(bǔ)水效率，補(bǔ)水管道6直徑D_補(bǔ)水＝50mm。

確定的水位維持箱7、儲水箱2結(jié)構(gòu)尺寸

水位維持箱7的高度為h_{水位維持箱}，可由下式計算：

為保證壓力的精確控制，水位維持箱7的橫截面需保持不變，其橫截面積S_{水位維持箱}可設(shè)置為5～15倍的打壓實驗容器20橫截面積S打壓實驗件，即S_{水位維持箱}＝(5～15)×S_{打壓實驗件}。

儲水箱2的截面積和高度沒有單獨要求，只是儲水箱2的容積應(yīng)大于水位維持箱7容積、連通管道12容積、打壓實驗容器20以及排出管道15容積等四個容積之和。

裝置連通、注水

打開排出截止閥16，關(guān)閉連通截止閥11，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4，關(guān)閉三處排污閥9，打開水位維持箱溢流閥10，打開儲水箱溢流閥1，打開補(bǔ)水截止閥17，啟動補(bǔ)水泵18，通過補(bǔ)水管道19給儲水箱2補(bǔ)水。通過儲水箱液位計3，監(jiān)控儲水箱2水位。當(dāng)儲水箱2水位達(dá)到儲水箱2高度約85％時，關(guān)閉補(bǔ)水泵18，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥17，停止補(bǔ)水。

打開連通截止閥11，打開調(diào)節(jié)閥4，通過壓力變送器13，監(jiān)控打壓實驗件壓力。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥4開度，緩慢注水。保持打壓實驗容器20的壓力緩慢上升，上升速率小于5％/分鐘。當(dāng)打打壓實驗容器20壓力達(dá)到P1時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4。完成裝置連通、注水。

在較低壓力條件下精確維持壓力環(huán)境，針對較低設(shè)計壓力的設(shè)備開展打壓實驗，滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求

裝置連通、注水之后，保持水位維持箱溢流閥10、連通截止閥11、排出截止閥16開啟，關(guān)閉三處排污閥9，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4，關(guān)閉補(bǔ)水截止閥17，即可在較低壓力條件下精確維持打壓實驗容器20的壓力環(huán)境。

在較低壓力條件下改變打壓實驗件壓力的方法如下：

a.提升打壓實驗容器20的壓力：通過壓力變送器13，監(jiān)控打壓實驗容器20壓力。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥4開度，緩慢注水，保持打壓實驗容器20的壓力緩慢上升，上升速率小于1％/分鐘。當(dāng)打壓實驗容器20壓力達(dá)到所需壓力值時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4，完成打壓實驗容器20的壓力提升。

b.降低打壓實驗容器20的壓力：通過壓力變送器13，監(jiān)控打壓實驗容器20壓力。打開打壓實驗容器20入口處的排污閥9，降低打壓實驗容器20的淹沒水位，降低打壓實驗容器20的壓力。由于回路中存在橫截面積較大的水位維持箱7，因此打壓實驗容器20的壓力變化速率較低。當(dāng)打壓實驗容器20壓力降低到所需壓力值時，關(guān)閉排污閥9，完成打壓實驗容器20的壓力降低。

完成壓力的提升或者降低后，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4，監(jiān)測打壓實驗容器的壓力，當(dāng)打壓實驗容器壓力在半個小時內(nèi)降低的壓力值，低于5％最高待檢壓力值時，可以認(rèn)為設(shè)備無泄漏，否則打壓實驗容器為泄露。

設(shè)備泄漏檢測通常采用打壓泵進(jìn)行，但是打壓泵所形成的壓力環(huán)境不穩(wěn)定，且無法針對較低設(shè)計壓力條件進(jìn)行低壓力環(huán)境的精確控制。本發(fā)明的目的在于提供在壓力環(huán)境維持條件下的設(shè)備泄漏檢測實驗系統(tǒng)，可以在較低壓力條件下精確維持壓力環(huán)境，滿足較低設(shè)計壓力的設(shè)備的泄漏檢測需求。

該方法可以應(yīng)用在工作壓力為常壓～10MPa，工作溫度為常溫～300℃的水介質(zhì)工作條件下。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。