氦質譜吸槍法在氣液分離罐氣密性檢測中的應用

李 鑫 余繼亮 蘇 宇

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

氣液分離罐是放射性廢物后處理的重要設備，其作用是將從供料槽輸送來的高放射性料液在分離罐內進行分離，通過蒸發與凝結使供料槽料液實現氣相凈化和回收。部分放射性或有毒介質在氣液分離罐里進行分離或發生反應，當這些容器密封性能出現問題發生泄漏時，就會有放射性氣液外逸，產生嚴重后果。為保證產品質量，氣液分離罐在產品制造階段要經過各項嚴格的檢查，而氣液分離罐的最終氣密性檢測是其出廠前的一道關鍵工序，起著非常重要的作用。

1 氣液分離罐介紹

氣液分離罐分布有多道對接焊縫、接管焊縫及接管密封焊縫。某型號氣液分離罐，容積146 L，設計壓力0.10 MPa，允許泄漏率＜1.0×10-6Pa·m3/s，其結構如圖1所示。

圖1 氣液分離罐結構圖

一般來講，容器容易出現泄漏的部位是法蘭及接頭的密封面、焊縫或補焊位置、應力集中部位等。由于氣液分離罐出廠檢查時，其進出口已進行了焊接封堵，且現場安裝前會對其進出口重新焊接，因此，氣液分離罐出廠前氣密性檢測的重點部位包括筒體上各處拼接焊縫、接管焊縫及接管密封焊縫。

2 檢測方法的選擇

采用靜態壓降法查漏只能判別氣液分離罐是否有泄漏，難以進行準確定位，而氦質譜檢漏技術用于氣密性檢測時具有靈敏度高，可以對漏點進行精確定位、定性、定量等優點。同時，由于氦氣對環境和被檢產品無污染，故選用氦質譜檢漏技術進行檢測。

當被檢容器的容積在100 L以上時，由于體積大（氣體量多）、表面積大（出氣量多），若采用氦質譜真空法檢漏，抽至檢漏儀工作壓力所需時間和反應時間較長，檢漏效率很低，一般需額外配備輔助泵等抽真空設備，操作相對復雜。氣液分離罐的允許泄漏率為不大于1.0×10-6Pa·m3/s，吸槍法檢測靈敏度滿足設計要求，因此，從操作便捷成都和成本方面考慮，優先采用氦質譜吸槍法實施檢測。

3 檢測工藝

氣液分離罐氣密性檢測需要對漏點、進行定位和定量，同時需兼顧考慮檢測效率，以下從檢測步驟、檢測要點、工藝優化和檢測結果四個方面進行評價和分析。

3.1 檢測步驟

氣液分離罐氣密性檢測試驗壓力采用容器的設計壓力，具體步驟如下：

（1）對干燥后的分離罐充氮氣和氦氣的混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，氦示蹤氣體的體積濃度約20%，保壓至少30 min；

（2）系統連接完成后啟動氦質譜檢漏儀；

（3）待氦檢漏儀穩定后讀取系統本底值I0，然后讀取標準漏孔在儀器上的示數值I1；

（4）按照從下到上的順序對氣液分離罐上的待檢部位進行檢測，當發現疑似漏點時，首先將探頭移開，等待儀器數值回到本底值I0后再重新檢測，如檢漏儀示值仍然發生明顯變化，證實漏點存在，記錄儀器數值穩定后示值I2。

按照下面公式計算各漏點對氦氣的有效泄漏率Q：

式中，Q0為標準漏孔標稱漏率，單位Pa·m3/s；I0為系統本底值，單位Pa·m3/s；I1為系統標準漏孔讀數，單位Pa·m3/s；I2為漏點讀數，單位Pa·m3/s；C為氦氣體積濃度。

（5）重復上述步驟，直至完成所有檢測工作。

由于吸槍法檢測是一種半定量技術，如需準確測量漏點漏率，一般采用吸槍累積法進行準確定量，即用已知容積的容器或乙烯塑料做成的氦罩將該部位封裝起來，氦氣在容器或袋中封裝累積一定時間后，再用吸氣探頭進行檢測。氦罩內的總漏率可用式（2）進行計算：

式中：qG為總漏率，單位Pa·m3/s；p，V為氦罩的壓力和體積，單位分別是Pa、m3；C0、C1為分別是在t0、t1氦罩試驗起始時和結束時的濃度；t0、t1分別是試驗起始時和結束時的時間。

3.2 檢測要點

除采用正確的檢測步驟外，許多工藝要點也會對氣液分離罐氦質譜檢測結果產生重要影響，具體如下：

（1）每次檢測前，應保持檢測區域的清潔、干燥。

（2）在每次檢測前都應用壓縮空氣對工裝進行氣密性測試，確保整體密封性可靠，以免氦氣泄漏造成經濟損失和檢測現場氦質譜儀本底過高，影響檢測。

（3）氦檢時，需對氣液分離罐上的檢測部位從下至上逐個進行檢測，一旦發現泄漏信號，應記錄漏點所在位置，然后用塑料薄膜或膠帶對漏點進行隔離或密封，避免污染檢測環境。

（4）吸槍嘴距離被檢表面1～3 mm為宜，距離過遠會導致檢測靈敏度降低，過近則容易吸入被檢表面附著的灰塵堵塞吸槍，同時，吸槍移動速度應盡量緩慢。

（5）漏孔位置可以通過根據檢漏儀示值的變化快慢和反應時間長短來判斷，如檢漏儀示值變化緩慢，且反應時間較長，說明吸槍所在位置沒有漏點，應在附近尋找漏點位置。

3.3 工藝優化

因同型號和規格的氣液分離罐數量較多，為減少該批分離罐總體保壓等待時間，需要對檢測工藝進行優化。技術人員根據分離罐的規格結構，設計出一套不銹鋼工裝，工裝的各個進出氣口由閥門控制，并在出氣口側留有壓力表安裝接口。在該工裝上均勻分布6組出氣接口，可同時連接6臺氣液分離罐，改進后的工裝示意圖如圖2所示。

圖2 改進后的檢測工裝示意圖

當多臺容器使用該工裝同時進行充氣及檢測時，通常使用靜置擴散的方式使不同容器的氦濃度趨向均勻，靜置時間需要通過試驗測得。首先將6臺同規格的氣液分離罐并聯在工裝上，充入氦氣體積濃度為20%的混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，每間隔30 min，用氦濃度檢測儀分別在6臺分離罐的底部測試各分離罐內的氦氣體積濃度，共進行6次測量，得到的測試數據如表1所示。

由表1可知，靜置時間越長，各氣液分離罐中的氦氣體積濃度越接近，但靜置時間過長會延長整體檢測時間，降低檢測效率。通過觀察各分離罐在不同保壓時間下的濃度值，我們可以發現，在靜置1.5 h后，各分離罐監測點的氦氣體積濃度相差在3%以內，各分離罐內濃度變化曲線趨向平直，表明各分離罐內的氣體已接近均勻，已經能夠將因濃度不同而產生的誤差降低到可接受的水平。

4 檢測結果

為驗證該工裝在實際檢驗期間的有效性，檢驗人員分別對存在單個漏點的單臺氣液分離罐及將其與同規格的5臺分離罐并聯在工裝上后進行試驗，結果如下：

表1 不同保壓時間下氦氣體積分數為20%的各取樣位置體積濃度分布（單位：%）

試驗1：將存在單個漏點的該臺氣液分離罐充入氦氣濃度為20%的純氦氣與氮氣混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，靜置1.5 h后，用吸槍對漏孔區域進行檢測，測得該漏點的漏率為7.2×10-5Pa·m3/s；

試驗2：將該臺氣液分離罐與同規格的5臺分離罐并聯在工裝上，充入氦氣濃度為20%的純氦氣與氮氣混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，靜置1.5h后，用吸槍對漏孔區域進行檢測，記錄該漏孔的漏率，由漏率公式計算后可得該漏點的漏率為6.5×10-5Pa·m3/s。

由上述試驗可知，將存在漏點的單臺氣液分離罐進行吸槍檢驗與將該臺分離罐與同規格的分離罐連接在工裝上相比，對于同一漏孔的漏率接近，進而驗證了該工裝的有效性，證明其可以應用在現場檢驗中。與此同時，檢測工藝經優化后，6臺容器同時保壓，保壓時間可縮短1.5 h。考慮到單臺容器獨立檢測時工裝連接、氣密性檢查、放氣和拆除等時間，6臺容器的整體檢測時間至少可縮短2.5～3.0 h，大大提高了檢測效率。

5 結語

氦質譜吸槍法檢漏能夠對漏孔進行準確定位，且操作簡便、安全高效，可廣泛應用于容器制造階段的氣密性檢測。在對氣液分離罐氦質譜吸槍法檢漏檢測中，通過嚴格遵守操作步驟，總結檢測要點，并對工藝方法進行優化，確定合適的保壓時間，氣液分離罐能夠實現批量檢漏，從而高效完成現場檢測工作。