氦質(zhì)譜吸槍積累檢漏法在壓力容器中的應用

郗運富

（南京寶色股份公司，江蘇南京 211100）

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)廣泛應用于航空航天、核電、石油、化工設備檢測。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)三種檢測方法中的吸槍模式在壓力容器中應用最為常見。吸槍模式中針對被檢測位置區(qū)域，一般采用吸槍掃查被檢測部位，掃查距離保持在3mm以內(nèi)；掃查速率約3mm/s（不超過能檢出標準漏孔泄漏的速度），掃查方向從被檢工件的最下部開始，然后漸層向上[1]。這種掃查待檢部位的方法對于較大工件，或被檢測區(qū)域較大的設備并不適用，因為上述方法工作效率低下，且操作者的勞動強度大。壓力容器中換熱器的管板與換熱管的角焊縫檢測，現(xiàn)在各個壓力容器制造廠都采用“非真空積累檢漏法”，制作臨時的“柔性收集室”，就是用柔性材料包裹管板，使管頭角焊縫被罩住，形成密封空間，用吸槍檢測柔性密閉空間充氦前、后氦質(zhì)譜儀顯示的泄漏率讀數(shù)，據(jù)此讀數(shù)判斷管頭角焊縫是否泄漏。這種方法雖能夠識別管頭焊縫是否泄漏，但不能全面準確地判斷或通過計算判斷泄漏率是否超標。本文通過一臺冷凝器利用“剛性收集室”采用吸槍積累檢漏法，對換熱管與內(nèi)管板強度脹接質(zhì)量的檢測實驗，根據(jù)檢測結(jié)果判斷實測泄漏率是否超標的依據(jù)。

1 實驗方法

某單位生產(chǎn)的冷凝器由于物料的特性和工況的原因，采用雙管板的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：鈦換熱管與鈦合金管板采用脹接加焊接的方式，其中內(nèi)管板采用強度脹，外管板采用貼脹+強度焊。換熱管頭焊接前，內(nèi)管板的脹接需經(jīng)氦檢漏試驗合格，最大泄漏率不大于1.0×10-6Pa·m3/s。

圖1 內(nèi)外管板脹管示意圖

1.1 檢測設備及參數(shù)

氦檢漏儀：型號ASM340；對氦氣的最小泄漏率，吸槍模式：5E-10Pa·m3/s。

標準漏孔：吸槍專用漏孔VTL-6C，漏率值：1.46E-6Pa·m3/s。真空泵、真空表、壓力表、閥門、氦氣、溫濕度計等。

檢測方法：吸槍積累檢漏模式，利用內(nèi)管板與外管板的密閉空間（直徑1 450、寬度25mm）作為剛性收集器。

1.2 檢測過程及結(jié)果

冷凝器內(nèi)管板脹接完成后，逐孔測量換熱管脹接處內(nèi)徑，確保所有脹管率合格；清理殼程側(cè)及兩端進、出口側(cè)內(nèi)外管板間密閉腔，確保無可遮擋檢測的污物；清理設備表面的油漆、油脂、油污等可能遮蔽泄漏的污物，且要使設備內(nèi)部干燥。處理完成后將冷凝器放置于潔凈車間內(nèi)，通風良好，環(huán)境溫度保持在5～40℃，相對濕度在50%～80%，現(xiàn)場無強烈電磁場無劇烈震動[2]。在對殼程側(cè)充氦氣前，如圖2所示；

圖2 冷凝器吸槍積累檢漏法示意圖

先對殼程（容積4.2m3）和進、出口兩管板間密閉腔（容積分別0.03m3）抽真空，當真空表表壓達到60kPa時，關(guān)閉真空泵，保持4h，當真空表壓力值不低于30kPa時，向殼程側(cè)充入體積濃度為10 %的氦氮混合氣，壓力升至0.103MPa開始保壓[3]，在整個檢測期間需保持氣體壓力值不變。升壓前用膠帶密封內(nèi)管板上的兩個檢測孔。

用吸槍專用漏孔VTL-6C校核檢漏系統(tǒng)（氦檢儀、吸槍）的嗅測靈敏度，靈敏度不低于1.46×10-6Pa·m3/s。

在不同時間段，分別用吸槍插入兩端進、出口側(cè)兩管板間的檢測孔內(nèi)，檢測密閉腔內(nèi)的氦氣泄漏量（密閉腔等同于“剛性收集室”），在檢測開始后，每隔2h校核一次檢漏系統(tǒng)的靈敏度，靈敏度不能低于1.46×10-6Pa·m3/s，否則重新檢漏。具體檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氦撿漏原始數(shù)據(jù)表

2 結(jié)果與分析

根據(jù)實驗過程、實驗結(jié)果結(jié)合平時工作經(jīng)驗分析，這種吸槍積累檢漏法檢測出的泄漏率數(shù)值并不是真正換熱管與管板脹接的泄漏率，實驗檢測數(shù)據(jù)受影響因素較多：氦檢的濃度、氦檢的壓力、氦檢的保壓時間、兩管板間密閉空間的體積、環(huán)境溫度等，具體關(guān)系如表2所示。

表2 氦檢靈敏度與影響因素關(guān)系表

查閱相關(guān)文獻資料發(fā)現(xiàn)有兩位研究者分別對這種吸槍積累檢漏法有明確的計算公式。下面結(jié)合這兩位研究者的相關(guān)研究結(jié)果加以分析：

2006年安豐華[4]總結(jié)出了以下公式：

保壓12h：

其中：G：氦氣瓶的壓力 MPa

p：混合氣的總壓力 MPa。

根據(jù)上述公式計算：將p=0.103MPa，G=12MPa，保壓12h的氦質(zhì)譜儀的漏率7.3×10-6Pa·m3/s帶入上述公式算。

經(jīng)計算，結(jié)果為6.3×10-8Pa·m3/s

此公式?jīng)]有考慮影響觀察到的氦質(zhì)譜儀顯示的泄漏率的諸多因素，僅考慮實驗壓力和氦氣瓶壓力，故計算結(jié)果僅供參考。

2017年， 眭霄翔等[5]詳細分析了影響檢測靈敏度的諸多因素，推導出了在泄漏率小于 1×10-7Pa·m3/s的前提下計算被檢容器漏點的泄漏率公式：

試驗檢測數(shù)據(jù)代入公式分別計算為：

出口側(cè)：Q0.5h=5.6×10-3Pa·m3/s 進口側(cè)：

計算結(jié)果與實際實驗情況有較大的差距，可能不在此計算公式的適用范圍內(nèi)。根據(jù)不同泄漏實驗方法使用范圍和靈敏度比較，由于部分被檢容器不能將所有泄漏實驗方法都檢測一遍，導致計算泄漏率時，不知是否適用該計算公式。但通過考察計算公式偏離情況，結(jié)合實際情況驗證了出口側(cè)內(nèi)管板脹接泄漏率大于1×10-7Pa·m3/s，才導致該公式不適用。

3 討論

通過對實驗數(shù)據(jù)以及其他研究者研究成果的分析，目前還沒有精準的計算公式可以全面地計算出被檢容器漏點的泄漏率。但是分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：內(nèi)外管板間密閉空間的容積為0.03m3，當保壓時間到達3h以后，質(zhì)譜儀顯示數(shù)值變化不大（在一個數(shù)量級），結(jié)合多年工作經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當收集室的容積小于1m3時，保壓4h以上氦質(zhì)譜儀的顯示數(shù)值變化不大。在壓力容器行業(yè)中，實驗壓力、氦氣濃度以及保壓時間在標準圖紙技術(shù)協(xié)議中有明確要求，且成本和工期都需制造廠綜合考慮，實際工作中最常見的做法就是盡可能縮小“收集室”的容積，如檢查換熱器管頭角焊縫時，把換熱管分成若干容積小于1m3的“收集室”區(qū)域；或用鋁箔紙密封每根換熱管，使每根換熱管成為獨立的收集室。在此前提條件下可以近似認為該漏點的泄漏率就是氦質(zhì)譜儀的顯示讀數(shù)。

4 結(jié)束語

在壓力容器行業(yè)中普遍使用氦質(zhì)譜吸槍積累檢漏法的基礎上，通過冷凝器內(nèi)管板脹接質(zhì)量的氦泄漏實驗，利用實驗數(shù)據(jù)驗證了其他研究者提出的計算公式是否適用，且利用實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出一種簡單直接讀取被檢容器漏點泄漏率的方法：當被檢容器收集室的容積小于1m3時，且保壓時間不少于4h時，該被檢容器漏點的泄漏率約等于氦質(zhì)譜儀的顯示讀數(shù)。分析了影響檢測精度的主要因素，在條件允許的情況下，增加實驗壓力、提高氦氣濃度、延長保壓時間、縮小收集室容積。經(jīng)過多年的實驗驗證，該方法可作為壓力容器行業(yè)中的參考依據(jù)。