壓力容器兩種檢漏方法等效計算的研究

劉慶超

(上海龍澄專用車輛有限公司,上海 201707)

壓力容器兩種檢漏方法等效計算的研究

劉慶超

(上海龍澄專用車輛有限公司,上海 201707)

為保證產(chǎn)品質(zhì)量,壓力容器在出廠或入廠時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),這里主要談談微漏檢查的問題。通過對真空箱氦檢漏和包扎吸槍法檢漏轉(zhuǎn)換關系和公式的推導,確定了兩種檢漏方法的等效關系,為壓力容器的質(zhì)量控制和驗收標準提供了參考依據(jù)。

壓力容器 檢漏 質(zhì)量 標準

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。兩檢漏方法對比列表如表1:

在企業(yè)里，真空氦檢漏和包扎檢漏往往同時使用，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收時取值標準的合理性。

2　計算原理

2.1計算模型

圖1　模型1

模型1——真空箱氦檢漏方法;模型2——為SF6包扎檢漏方法（如圖1，2）。

2.2分子類型泄漏率轉(zhuǎn)換因子公式

(1)當壓力容器缺陷導致極微小的泄漏(微漏)屬于分子型泄漏，其使用不同氣體進行試驗時的轉(zhuǎn)換關系為

其中

m實際——實際使用氣體摩爾質(zhì)量，

m檢測——檢測用氣體摩爾質(zhì)量

對于SF6和He，其轉(zhuǎn)換關系為

圖2　模型2

表1　

(2)當殼體缺陷導致較明顯的泄漏屬于粘性流泄漏，其使用不同氣體進行試驗時的轉(zhuǎn)換關系為

其中

μ實際——實際使用氣體粘性系數(shù)，

μ檢測——檢測用氣體粘性系數(shù)

對于SF6和He，其轉(zhuǎn)換關系為

真空氦檢測時，可設定當發(fā)生大漏時其系統(tǒng)將在第一階段報警;未發(fā)生大漏報警時再進入微漏檢測階段。依據(jù)前述，本文泄漏計算是針對分子型泄漏，此時，K2在本計算公式中不使用(K2是針對層流式泄漏而設置的參數(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，應當根據(jù)氣體粘滯流動原理進行折算，其折算關系為

其中

PSF6——SF6氣體絕對壓力，

PHe——He氣體絕對壓力

2.4絕對泄漏量計算

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;

熱力學方程

其中

P——氣壓，Pa;

V——體積，m3;

n——摩爾數(shù)，mol

R——熱力學常數(shù)

T——溫度，K

由于泄漏引起的壓力壓力差ΔP為:

對于同一種氣體，

其中

M——氣體質(zhì)量;

mmol——氣體摩爾質(zhì)量;

則:

于是，對于He，

對于SF6氣體

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泄漏量的關系為

其中

VSF6——SF6氣體體積，m3;

Vair——包扎腔內(nèi)空氣體積，m3;

V殼——壓力容器內(nèi)容積，m3

2.6氦檢漏與SF6檢漏的等效關系

其中:

因此，

已知

R=8.314

ρSF6=6kg/m3(標準大氣壓下)

T=273+27=300K

mHemol=0.004kg/mol

2.7單位容積殼體泄漏率的定義

根據(jù)[G]的定義，此泄漏率實際考慮了設備的總?cè)莘e，因此[G]與殼體內(nèi)容積V殼有關系。當使用此設備對不同容積的殼體進行檢測時，應當扣除容積的影響才能判斷不同容積的殼體是否達到規(guī)定的泄漏率。

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

根據(jù)以往本人在企業(yè)實際工作中獲得的氦檢漏的統(tǒng)計試驗數(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]，并認為與24h后無明顯差別。因此，

代入(15)，

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

則

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準是否有差異的疑惑。

表1　真空氦檢漏檢漏結(jié)果采用2ppm和5ppm判斷標準的比較

2.8公式換算和應用舉例

在公式(20)中，體積濃度ppm的取值比較直觀且很關鍵，它體現(xiàn)了企業(yè)對壓力容器檢漏控制質(zhì)量嚴格的程度，因此考慮檢驗成本和質(zhì)量風險，需要合理確定ppm的取值。根據(jù)企業(yè)實踐，取體積濃度2ppm和5ppm兩個值來比較哪一個更適合做為檢漏標準，于是

當ppm=2時，[G]/V=7×10-7

當ppm=5時，[G]/V=1.75×10-6

企業(yè)工作人員選擇了14件壓力容器進行了檢測驗證，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。

從表1可看出:

(1)當選擇2ppm作為合格泄漏濃度時，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)當選擇5ppm作為合格泄漏濃度時，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系，兩者之間可以進行對比、換算;

(2)真空氦檢漏單位[G]/V(Pa/s)作為檢漏新標準排除了殼體的影響，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)同時應用，那么可以采用公式(20)的換算方法確定泄漏質(zhì)量的驗收標準。例如，可以嘗試對體積濃度取不同值進行驗證。

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[4]GB11023-89中華人民共和國行業(yè)標準高壓開關設備六氟化硫氣體密封試驗方法[S].中國標準出版社,1998.1.

[5]GB/T15823-2009中華人民共和國行業(yè)標準無損檢測氦泄漏檢測方法[S].中國標準出版社,2009.12.

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