壓力容器兩種檢漏方法等效計(jì)算的研究

【摘 要】為保證產(chǎn)品質(zhì)量，壓力容器在出廠或入廠時(shí)一般都要做密封泄漏檢查，檢漏的目的是確定被檢件漏孔的位置和漏率。這里說的壓力容器，可以是鑄造和焊接殼體類零部件，也可以是有壓力盛裝要求的組裝成品，對于盛裝毒性較強(qiáng)的介質(zhì)尤為重要。壓力容器泄漏可以分為大漏和微漏兩種情況，大漏很容易檢查發(fā)現(xiàn)，這里主要談?wù)勎⒙z查的問題。

通過對真空箱氦檢漏和包扎吸槍法檢漏轉(zhuǎn)換關(guān)系和公式的推導(dǎo)，確定了兩種檢漏方法的等效關(guān)系，為壓力容器的質(zhì)量控制和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】壓力容器 檢漏 質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

在微漏檢查方法中，利用真空箱氦氣檢漏（簡稱真空氦檢漏）和包扎吸槍法檢漏（簡稱包扎檢漏）是近幾年廣泛使用的兩種方法。真空氦檢漏法的檢測介質(zhì)是氦氣（He），包扎檢漏介質(zhì)比較成熟的是SF6氣體，兩者檢漏的精度大體相當(dāng)。兩檢漏方法對比列表如下：

比較項(xiàng)目 真空箱氦氣檢漏 包扎吸槍法檢漏

1 檢測原理 氦質(zhì)譜檢漏法是利用氦質(zhì)譜檢漏儀的氦分壓力測量原理，實(shí)現(xiàn)被檢件的氦泄漏量測量。測量特定壓差下容器內(nèi)部氦氣壓的下降速率以判定壓力容器的泄漏程度 直接測量泄漏處的（SF6）氣體體積濃度而界定泄漏的程度

2 檢漏單位 Pa·m3/s μL/L （ppm，體積比）

3 檢測介質(zhì) He（氦氣） SF6氣體

4 檢測特點(diǎn) 能快速對工件進(jìn)行漏率檢測，反映被檢件的真實(shí)泄漏狀態(tài)。但檢漏系統(tǒng)復(fù)雜，檢漏試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作長。 只需將工件用塑料薄膜簡單包扎即可用儀器檢測，工件要靜置很長時(shí)間（一般約取24h）才可檢測，檢漏時(shí)間長。

5 檢漏示意圖

在企業(yè)里，真空氦檢漏和包扎檢漏往往同時(shí)使用，這就存在兩種檢漏方法是否等效的問題，而對于兩種檢漏方法的等效研究國內(nèi)文章并不多見。

基于此，本文深入研究真空氦檢漏法測得的泄漏率與包扎檢漏法測得的ppm體積濃度之間的關(guān)系，探討兩種壓力容器氣密性檢測方法的等效情況，并判斷兩種檢測方法在驗(yàn)收時(shí)取值標(biāo)準(zhǔn)的合理性。

2 計(jì)算原理

2.1 計(jì)算模型

模型1 模型2

模型1——真空箱氦檢漏方法 模型2——為SF6包扎檢漏方法

2.2分子類型泄漏率轉(zhuǎn)換因子公式

（1）當(dāng)壓力容器缺陷導(dǎo)致極微小的泄漏（微漏）屬于分子型泄漏，其使用不同氣體進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

= （1）

其中

——實(shí)際使用氣體摩爾質(zhì)量，

——檢測用氣體摩爾質(zhì)量

對于SF6和He，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

K1= = =6.03≈6 （2）

（2）當(dāng)殼體缺陷導(dǎo)致較明顯的泄漏屬于粘性流泄漏，其使用不同氣體進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)換關(guān)

系為

= （3）

其中

——實(shí)際使用氣體粘性系數(shù)，

——檢測用氣體粘性系數(shù)

對于SF6和He，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

K2= = =0.92 （4）

真空氦檢測時(shí)，可設(shè)定當(dāng)發(fā)生大漏時(shí)其系統(tǒng)將在第一階段報(bào)警；未發(fā)生大漏報(bào)警時(shí)再進(jìn)入微漏檢測階段。依據(jù)前述，本文泄漏計(jì)算是針對分子型泄漏，此時(shí)，K2在本計(jì)算公式中不使用（K2是針對層流式泄漏而設(shè)置的參數(shù)）。

2.3壓力折算公式

用氦氣檢漏和用SF6檢漏如果采用不同的測量壓力，應(yīng)當(dāng)根據(jù)氣體粘滯流動(dòng)原理進(jìn)行折算，其折算關(guān)系為

K3= （5）

其中

——SF6氣體絕對壓力，

——He氣體絕對壓力

2.4絕對泄漏量計(jì)算

MSF6 = （6）

其中

MSF6 ——包扎腔內(nèi)泄漏的SF6氣體質(zhì)量；

MHe——真空箱內(nèi)泄漏的He氣體質(zhì)量；

熱力學(xué)方程

PV=nRT （7）

其中

P —— 氣壓，Pa；

V —— 體積，m3；

n —— 摩爾數(shù)，mol

R —— 熱力學(xué)常數(shù)

T —— 溫度，K

由于泄漏引起的壓力壓力差ΔP為：

ΔP = P1 - P2 = （8）

對于同一種氣體，

n =

其中

M——?dú)怏w質(zhì)量；

mmol——?dú)怏w摩爾質(zhì)量；

則：

ΔP = （9）

于是，對于He，

ΔPHe=

ΔMHe= （10）

對于SF6氣體

ΔPSF6=

ΔMSF6= （11）

2.5 體積濃度定義（ppm）

SF6氣體檢漏儀檢測ppm的單位為μL/L。包扎容積內(nèi)的體積濃度和SF6泄漏量的關(guān)系為

PPMv= = = （12）

其中

—— SF6氣體體積，m3；

—— 包扎腔內(nèi)空氣體積，m3；

—— 壓力容器內(nèi)容積，m3

2.6氦檢漏與SF6檢漏的等效關(guān)系

PPmv= =

其中：

[G] = （單位Pa.m3/s） （13）

因此，

[G] = （14）

已知

R=8.314

K3= = =0.97

ρSF6=6 kg/m3 （標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）

T=273+27=300K

mHemol=0.004 kg/mol

2.7 單位容積殼體泄漏率的定義

根據(jù)[G]的定義，此泄漏率實(shí)際考慮了設(shè)備的總?cè)莘e，因此[G]與殼體內(nèi)容積V殼有關(guān)系。當(dāng)使用此設(shè)備對不同容積的殼體進(jìn)行檢測時(shí)，應(yīng)當(dāng)扣除容積的影響才能判斷不同容積的殼體是否達(dá)到規(guī)定的泄漏率。

作為通用計(jì)算公式，宜采用壓力降（Pa/s）作為單位體積容器的泄漏檢測標(biāo)準(zhǔn)，即[G]/V。

[G] /V= （15）

根據(jù)以往本人在企業(yè)實(shí)際工作中獲得的氦檢漏的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢漏數(shù)據(jù)在15min后趨于穩(wěn)定，因此取15min后的檢測泄漏率值[ΔPHe/Δt]，并認(rèn)為與24h后無明顯差別。因此，

[ ]15min≈[ ]24h （16）

（17）

代入（15），

[G] /V= =7·10-6 *ppm*Vair/V殼 （18）

經(jīng)估算，包扎腔的容積近似為殼體內(nèi)容積的5%左右，即有

Vair =5%V殼 （19）

則

[G] /V=3.5·10-7 ppm（Pa/s） （20）

公式（20）即為真空氦檢漏法檢測泄漏率與包扎檢漏法檢測體積濃度等效換算關(guān)系的最終公式。也就是說，雖然真空氦檢漏法與包扎檢漏法檢測原理不同，檢測介質(zhì)和單位也不同，但是兩者之間仍可以進(jìn)行對比、換算，解決了同一壓力容器采用不同檢漏方法而帶來的判斷標(biāo)準(zhǔn)是否有差異的疑惑。

2.8 公式換算和應(yīng)用舉例

在公式（20）中，體積濃度ppm的取值比較直觀且很關(guān)鍵，它體現(xiàn)了企業(yè)對壓力容器檢漏控制質(zhì)量嚴(yán)格的程度，因此考慮檢驗(yàn)成本和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，需要合理確定ppm的取值。根據(jù)企業(yè)實(shí)踐，取體積濃度2ppm和5ppm兩個(gè)值來比較哪一個(gè)更適合做為檢漏標(biāo)準(zhǔn)，于是

當(dāng)ppm =2時(shí) ，[G]/V=7×10-7

當(dāng)ppm =5時(shí) ，[G]/V=1.75×10-6

企業(yè)工作人員選擇了14件壓力容器進(jìn)行了檢測驗(yàn)證，14件壓力容器有容積相同但零件不同的情況，比較情況見表1。

表 1 真空氦檢漏檢漏結(jié)果采用2ppm和5ppm判斷標(biāo)準(zhǔn)的比較

序號 壓力容器容積V殼，m3 真空箱氦檢漏實(shí)測結(jié)果

[G]/V殼 ，Pa/s 按ppm =2時(shí) ，[G]/V=7×10-7判斷結(jié)果 ppm =5時(shí) ，[G]/V=1.75×10-6判斷結(jié)果 備注：

X射線探傷結(jié)果

1 38.5 1.3×10-6 不合格 合格 探傷合格

2 38.5 9.1×10-7 不合格 合格 探傷合格

3 39 1.18 ×10-6 不合格 合格 探傷合格

4 39 1.06×10-6 不合格 合格 探傷合格

5 175 9.1E×10-6 不合格 不合格 探傷不合格

6 175 4.46×10-7 不合格 合格 探傷合格

7 175 5.03×10-6 不合格 不合格 探傷不合格

8 175 6.3×10-5 不合格 不合格 探傷不合格

9 211 9×10-8 合格 合格 探傷合格

10 211 1.1×10-7 合格 合格 探傷合格

11 212 2.5×10-7 合格 合格 探傷合格

12 300 1.87×10-7 合格 合格 探傷合格

13 302 1.8×10-7 合格 合格 探傷合格

14 379 1.8×10-7 合格 合格 探傷合格

從表1可看出，

（1）當(dāng)選擇2ppm作為合格泄漏濃度時(shí)，其判定為不合格產(chǎn)品比例較高，且與探傷結(jié)果不一致；

（2）當(dāng)選擇5ppm作為合格泄漏濃度時(shí)，其判定為不合格產(chǎn)品比例較合理，且與探傷結(jié)果比較一致。

3結(jié)語

（1）真空氦檢漏法檢測泄漏率與包扎檢漏法檢測體積濃度具有等效換算關(guān)系，兩者之間可以進(jìn)行對比、換算；

（2）真空氦檢漏單位[G]/V（Pa/s）作為檢漏新標(biāo)準(zhǔn)排除了殼體的影響，具有較好的通用性；

（3）真空氦檢漏法與包扎檢漏法如果在同一企業(yè)同時(shí)應(yīng)用，那么可以采用公式（20）的換算方法確定泄漏質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。例如，可以嘗試對體積濃度取不同值進(jìn)行驗(yàn)證。

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作者簡介：劉慶超（1975—），男，中級質(zhì)量工程師，曾經(jīng)從事高壓開關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量控制工作，現(xiàn)從事專用汽車質(zhì)量管理工作。