本发明涉及一种核设备实验领域，具体涉及一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统及方法。
背景技术：
对比全球已发生的三次严重事故可以发现，将堆芯熔融物滞留在压力容器内，保证反应堆压力容器的完整性，可以极大地缓解严重事故的进一步发展和恶化。在对现有先进反应堆熔融物堆内滞留策略的消化吸收基础上，中核集团提出了设置堆腔注水冷却系统，通过能动和非能动两种方式冷却压力容器下封头，将堆芯熔融物包容在压力容器下腔室内，维持压力容器完整性。因此，严重事故条件下压力容器下封头外表面流动传热特性以及临界热流密度是熔融物堆内滞留成功与否的决定性因素。
为了掌握下封头外表面流动传热特性以及获得压力容器下封头外表面临界热流密度限值，迫切需要一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统及方法，满足较低设计压力设备的泄漏检测小区需求。
技术实现要素：
本发明的目的即在于克服现有技术的不足，目的在于提供一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统及方法，解决现有技术不能作为实验室或工业应用的池式蒸发条件下水位保持装置，无法满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统，包括补水系统、储水系统、水位维持系统和发热实验装置，所述补水系统通过补水管道与储水系统连接为其补水；储水系统通过送水管道与水位维持系统连接以维持其水位不变，并在送水管道上设置调节阀和流量计，所述水位维持系统通过连通管道与发热实验装置连接稳定供水，并在所述连通管道上设置连通截止阀；所述发热实验装置包括打压实验容器，所述打压实验容器内设置有发热部件，打压实验容器的入口位置设置压力变送器，以实时监测发热部件所处的压力值，在打压实验容器的出口位置安装排出管道，所述排出管道末端设置有排出截止阀；
所述的排出管道的尾端设置成向上倾斜的管道，与竖直方向倾斜夹角的角度范围：20～60°，向上倾斜管道的长度小于等于5m。
进一步的，所述补水系统通包括补水截止阀、补水泵和补水管道，所述储水箱顶部通过补水管道相连接，补水管道上设置补水泵和补水截止阀。
进一步的，所述的储水系统包括有储水箱，所述的储水箱侧面安装有储水箱液位计，在储水箱靠近顶部的位置安装有储水箱溢流阀。
进一步的，所述水位维持系统包括有水位维持箱，所述的水位维持箱侧面安装水位维持箱液位计，在水位维持箱靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀。
进一步的，所述的储水箱、水位维持箱和连通管道底部均设置有排污阀，所述的排污阀用于清洗时排污；所述的连通管道靠近打压实验容器入口的位置设置的排污阀，该处设置的排污阀用于排水。
本发明通过下述技术方案实现：
一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1：所述排出管道的直径D排出，根据打压实验容器出口的当量直径De打压实验件确定，D排出＝De打压实验件；
设打压实验容器入口的标高为0m，设打压实验容器泄漏检测所需的绝对压力范围是P1～P2Pa，设P1<P2，设当地大气压力为P0Pa，根据压力P1查询物性表可以得到单相水密度为ρl kg/m3，则水位维持箱底面的标高LMB水位维持箱可由下式计算：
排出管道(15)竖直段的顶部标高LMT排出，可由下式确定：
连通管道的直径D连通根据打压实验容器出口的当量直径De打压实验件确定，D连通＝De打压实验件；
保持储水箱底面标高为LMB储水箱可由下式计算：
送水管道的直径D送水＝D连通；
补水管道的直径D补水根据连通管道直径确定，D补水＝D连通；而当D连通小于50mm时，为保证补水效率，补水管道直径D补水＝50mm；
步骤2：水位维持箱的高度为h水位维持箱，由下式计算：
为保证压力的精确控制，水位维持箱的横截面需保持不变，其横截面积S水位维持箱设置为5～15倍的打压实验容器横截面积S打压实验件，即S水位维持箱＝(5～15)×S打压实验件；
步骤3：打开排出截止阀，关闭连通截止阀和调节阀，打开水位维持箱溢流阀、储水箱溢流阀和补水截止阀，启动补水泵，通过补水管道给储水箱补水；通过储水箱液位计，监控储水箱水位，当储水箱水位达到储水箱高度85％时，关闭补水泵，关闭补水截止阀，停止补水；
打开连通截止阀，打开调节阀，通过压力变送器，监控打压实验容器压力，调节调节开度注水，保持打压实验容器的压力上升，上升速率小于5％/分钟，5％指的是待检测设备所需达到的最高的检测压力，即P2，的5％。
当打压实验容器压力达到P1时，关闭调节阀，完成装置连通、注水；
步骤4：在较低压力条件下改变打压实验容器压力进行设备泄漏检测实验。
进一步的，在所述的步骤3对实验系统进行注水前，对所述储水箱和水位维持箱进行清洗，通过对应的排污阀排污，清洗完成后关闭对应的排污阀。
进一步的，所述的步骤4在较低压力条件下改变打压实验容器压力进行设备泄漏检测实验；提升打压实验容器的压力：通过压力变送器，监控打压实验容器压力，调节调节阀开度注水，保持打压实验容器的压力上升，上升速率小于1％/分钟，1％指的是待检测设备所需达到的检测压力的1％。当打压实验容器压力达到所需压力值时，关闭调节阀，完成打压实验容器的压力提升。完成压力的提升或者降低后，关闭调节阀，监测打压实验容器的压力，当打压实验容器压力在半个小时内降低的压力值，低于5％最高待检压力值时，可以认为设备无泄漏。
进一步的，所述的步骤4在较低压力条件下改变打压实验容器压力进行设备泄漏检测实验；降低打压实验容器的压力：通过压力变送器，监控打压实验容器压力；打开打压实验容器入口处的排污阀，降低打压实验容器的淹没水位，降低打压实验容器的压力；由于回路中存在横截面积较大的水位维持箱，因此打压实验容器的压力变化速率较低；当打压实验容器压力降低到所需压力值时，关闭排污阀，完成打压实验件的压力降低。
完成压力的提升或者降低后，关闭调节阀，监测打压实验容器的压力，当打压实验容器压力在半个小时内降低的压力值，低于5％最高待检压力值时，可以认为设备无泄漏，否则打压实验容器为泄露。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明基于连通器原理，结合水位检测、压力检测以及流量检测，通过一系列阀门的联合调节，可以在池式蒸发条件下平稳保持发热部件的水位，并精细维持发热部件所处的压力环境。还可以在较低压力条件下精确维持压力环境，便于针对较低设计压力的设备开展打压实验，可开展绝对压力0.1～10MPa的打压实验，压力维持稳定，维持压力环境无需泵，满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求。通过本发明技术方案可以用于检测较低设计压力的设备的泄漏情况。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统的原理示意图；
附图中标记及对应的零部件名称：
1.储水箱溢流阀；2.储水箱；3.储水箱液位计；4.调节阀；5.流量计；6.送水管道；7.水位维持箱；8.水位维持箱液位计；9.排污阀；10.水位维持箱溢流阀；11.连通截止阀；12.连通管道；13.压力变送器；14.发热部件；15.排出管道；16.排出截止阀；17.补水截止阀；18.补水泵；19.补水管道；20.打压实验容器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统，包括储水箱2、水位维持箱7、背压水箱20和打压实验容器20，所述的储水箱2侧面安装有储水箱液位计3，在储水箱2靠近顶部的位置安装有储水箱溢流阀1；所述的水位维持箱7侧面安装水位维持箱液位计8，在水位维持箱7靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀10；背压水箱20侧面安装背压水箱液位计21，在背压水箱20靠近顶部的位置安装背压水箱溢流阀22；打压实验容器20内设置有发热部件14；储水箱2的底部与水位维持箱7的顶部通过送水管道6连接，在送水管道6上安装调节阀4和流量计5；水位维持箱7的底部与打压实验容器20入口通过连通管道12连接，在连通管道12上安装连通截止阀11；打压实验容器20的入口位置设置压力变送器13，以实时监测发热部件14所处的压力值，在打压实验容器20的出口位置安装排出管道15，排出管道15分为竖直放置部分和尾端部分，将打压实验容器20的出口与排出管道15竖直部分连接，储水箱2顶部通过补水管道19相连接，补水管道19上设置补水泵18和补水截止阀17。
储水箱2、水位维持箱7和背压水箱20底部设置有排污阀9，连通管道12靠近打压实验容器20入口的位置也安装有排污阀9，排污阀9用于清洗时排污。排出管道15的尾端设置成向上倾斜的管道，与竖直方向倾斜夹角的角度范围：20～60°，向上倾斜管道的长度小于等于5m。
一种在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统，可以在较低压力条件下精确维持压力环境，便于针对较低设计压力的设备开展打压试验，可开展绝对压力0.1～10.0MPa的打压试验，压力维持稳定，维持压力环境无需使用泵，可满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求。
本发明在在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统的工作条件：水介质或蒸汽介质，常压～10MPa，常温～300℃。
安装条件：在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统可安装于实验回路，操作简便，性能稳定，压力维持稳定，维持压力环境无需泵，经济性较好。
应用对象：在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统可作为实验室用的池式蒸发条件下水位保持装置，可以在较低压力条件下精确维持压力环境，便于针对较低设计压力的设备开展打压试验，满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求。
实施例2
如图1所示，一种利用上述实验系统在精细压力环境维持条件下较低压力的设备泄漏检测实验方法，满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求。
将实施例1中的一种在压力环境维持条件下较低压力的设备泄漏检测实验系统安装、连接和固定
首先根据需要安装和固定打压实验容器20，在打压实验容器20的入口位置设置压力变送器13，以实时监测打压实验容器20所处的压力值。在打压实验容器20的出口位置安装排出管道12，此时可不利用背压水箱20、背压水箱液位计21、背压水箱溢流阀22、背压水箱连接管23。将打压实验容器20的出口与排出管道15竖直部分连接。在排出管道15上安装排出截止阀16，将排出截止阀16设置为全关状态。
排出管道15的直径D排出可根据打压实验容器20出口的当量直径De打压实验件确定，D排出＝De打压实验件。
设打压实验容器20入口的标高为0m。假设打压实验容器20泄漏检测所需的绝对压力范围是P1～P2Pa，假设P1<P2。假设当地大气压力为P0Pa(一般情况下P0≈101325Pa。)根据压力P1，查询物性表可以得到单相水密度为ρl kg/m3。则水位维持箱7底面的标高LMB水位维持箱可由下式计算：
排出管道15竖直段的顶部标高LMT排出，可由下式确定：
安装和固定水位维持箱7，保持水位维持箱7底面的标高为LMB水位维持箱。然后在水位维持箱7侧面安装水位维持箱液位计8，在水位维持箱7底部安装排污阀9，在水位维持箱7靠近顶部的位置安装水位维持箱溢流阀10。水位维持箱液位计8用于实时监测水位维持箱7内的液位，排污阀9用于水位维持箱7清洗时排污，水位维持箱溢流阀10用于在水位过高时排水保护设备。水位维持箱7安装完成后，需进行清洗，清洗时打开排污阀9排污，清洗完成后关闭排污阀9，关闭水位维持箱溢流阀10。
水位维持箱7的底部与打压实验容器20入口通过连通管道12连接，在连通管道12上安装连通截止阀11，将连通截止阀11设置为全关状态。在连通管道12靠近打压实验容器20入口的位置，安装排污阀9。管道清洗时打开排污阀9排污，清洗完成后关闭排污阀9。连通管道12的长度应尽量缩短，连通管道12的直径D连通根据打压实验容器20出口的当量直径De打压实验件确定，D连通＝De打压实验件。
安装和固定储水箱2，保持储水箱2底面标高为LMB储水箱可由下式计算：
然后在储水箱2侧面安装储水箱液位计3，在储水箱3底部安装排污阀9，在储水箱2靠近顶部的位置安装储水箱溢流阀1。储水箱液位计3用于实时监测储水箱2内的液位，排污阀9用于储水箱2清洗时排污，储水箱2溢流阀用于在水位过高时排水保护设备。储水箱2安装完成后，需进行清洗，清洗时打开排污阀9排污，清洗完成后关闭排污阀9，关闭储水箱溢流阀1。
储水箱1的底部与水位维持箱7的顶部通过送水管道6连接，在送水管道6上安装调节阀4和流量计5，将调节阀4设置为全关状态。送水管道6的长度应尽量缩短，送水管道6的直径D送水＝D连通。
在装置合适位置设置补水泵18。补水泵18入口与水源通过补水管道19相连接，补水泵17出口与储水箱2顶部通过补水管道19相连接，补水管道19上设置补水截止阀18，将补水截止阀18设置为全关状态。补水管道19的直径D补水可根据连通管道6直径确定，D补水＝D连通。而当D连通小于50mm时，为保证补水效率，补水管道6直径D补水＝50mm。
确定的水位维持箱7、储水箱2结构尺寸
水位维持箱7的高度为h水位维持箱，可由下式计算：
为保证压力的精确控制，水位维持箱7的横截面需保持不变，其横截面积S水位维持箱可设置为5～15倍的打压实验容器20横截面积S打压实验件，即S水位维持箱＝(5～15)×S打压实验件。
储水箱2的截面积和高度没有单独要求，只是储水箱2的容积应大于水位维持箱7容积、连通管道12容积、打压实验容器20以及排出管道15容积等四个容积之和。
装置连通、注水
打开排出截止阀16，关闭连通截止阀11，关闭调节阀4，关闭三处排污阀9，打开水位维持箱溢流阀10，打开储水箱溢流阀1，打开补水截止阀17，启动补水泵18，通过补水管道19给储水箱2补水。通过储水箱液位计3，监控储水箱2水位。当储水箱2水位达到储水箱2高度约85％时，关闭补水泵18，关闭补水截止阀17，停止补水。
打开连通截止阀11，打开调节阀4，通过压力变送器13，监控打压实验件压力。调节调节阀4开度，缓慢注水。保持打压实验容器20的压力缓慢上升，上升速率小于5％/分钟。当打打压实验容器20压力达到P1时，关闭调节阀4。完成装置连通、注水。
在较低压力条件下精确维持压力环境，针对较低设计压力的设备开展打压实验，满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求
装置连通、注水之后，保持水位维持箱溢流阀10、连通截止阀11、排出截止阀16开启，关闭三处排污阀9，关闭调节阀4，关闭补水截止阀17，即可在较低压力条件下精确维持打压实验容器20的压力环境。
在较低压力条件下改变打压实验件压力的方法如下：
a.提升打压实验容器20的压力：通过压力变送器13，监控打压实验容器20压力。调节调节阀4开度，缓慢注水，保持打压实验容器20的压力缓慢上升，上升速率小于1％/分钟。当打压实验容器20压力达到所需压力值时，关闭调节阀4，完成打压实验容器20的压力提升。
b.降低打压实验容器20的压力：通过压力变送器13，监控打压实验容器20压力。打开打压实验容器20入口处的排污阀9，降低打压实验容器20的淹没水位，降低打压实验容器20的压力。由于回路中存在横截面积较大的水位维持箱7，因此打压实验容器20的压力变化速率较低。当打压实验容器20压力降低到所需压力值时，关闭排污阀9，完成打压实验容器20的压力降低。
完成压力的提升或者降低后，关闭调节阀4，监测打压实验容器的压力，当打压实验容器压力在半个小时内降低的压力值，低于5％最高待检压力值时，可以认为设备无泄漏，否则打压实验容器为泄露。
设备泄漏检测通常采用打压泵进行，但是打压泵所形成的压力环境不稳定，且无法针对较低设计压力条件进行低压力环境的精确控制。本发明的目的在于提供在压力环境维持条件下的设备泄漏检测实验系统，可以在较低压力条件下精确维持压力环境，满足较低设计压力的设备的泄漏检测需求。
该方法可以应用在工作压力为常压～10MPa，工作温度为常温～300℃的水介质工作条件下。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。