吸槍法氦質譜檢漏技術快速測定氮氣中氦含量研究

王莎 楊惠鈞 熊德權 陳琳 王斌

中國石油西南油氣田分公司成都天然氣化工總廠 四川 成都 610213

氦質譜檢漏技術是根據(jù)質譜分析的原理，以氦氣作為示蹤氣體對各種密封的容器的漏隙進行快速定位和定量檢測的檢漏方法。檢測靈敏度可以高達10-10～10-12（Pa.m3）/s，響應時間可以縮短至3秒，可探測到密封體內(nèi)極小漏孔泄漏的氦氣流，該技術已廣泛應用在航空航天、核工業(yè)、電子行業(yè)、真空行業(yè)、冶金化工行業(yè)、空調(diào)制造業(yè)、汽車行業(yè)[1-2]。

吸槍法氦質譜檢漏技術是以氦氣為示蹤氣體的一種無損檢測技術，具有更高的靈敏度，能探測到一個密封體或分隔2個不同壓力腔的隔板上極小漏孔泄漏的氦氣流。在石油化工行業(yè)，油氣生產(chǎn)裝置檢修作業(yè)過程中也逐步推廣使用吸槍法氦質譜檢漏技術，在現(xiàn)場使用吸槍法氦質譜檢漏時，為保證檢漏工作的順利進行需先檢測被檢漏氣體中的氦含量，目前常采用氣相色譜法[3]，但該方法存在分析時間長，現(xiàn)場使用便攜性差等制約性因素。本文利用吸槍法氦質譜檢漏儀建立一種測試方法，對油氣生產(chǎn)現(xiàn)場常用檢漏氣體中的氦含量進行測定，實現(xiàn)了利用吸槍法氦質譜檢漏儀對氣體中氦含量的準確測定。

1 方法的建立

1.1 方法原理

采用吸槍法氦質譜檢漏儀分別測定相同壓力和相同流量下的含氦標準氣和樣品氣的漏率響應值，利用漏率響應值與混合氣體中氦濃度成正比的關系來計算被測混合氣體中的氦含量，計算公式為：

式中：Ci樣為被測混合氣體中氦的濃度（%，摩爾分數(shù)）；

Ci標為標準氣中氦的濃度（%，摩爾分數(shù)）；

Ai標為一定濃度的含氦標準氣的漏率響應值（Pa.m3/s）；

Ai樣為一定濃度的含氦混合氣的漏率響應值（Pa.m3/s）。

1.2 儀器設備

氦質譜檢漏儀為PFEIFER ASM310，檢測方式設置為吸槍模式，吸槍長度50m，可用于檢測出混合氣體中氦濃度，漏率檢測靈敏度可達10-10Pa.m3/s。

1.3 方法流程

分析裝置如圖1和圖2所示，分別對標準氣體和樣品氣進行測定，得到標準氣的漏率響應值，并通過計算得出樣品氣中氦含量。其中測定壓力為1000Pa，流量為15mL/min。

圖1 吸槍法氦質譜檢漏技術快速測定標準氣體中氦含量示意圖

圖2 吸槍法氦質譜檢漏技術快速測定氮氣中氦含量示意圖

1.4 分析結果

從表1中可以看出，利用標準氣中漏率值與響應值關系，可根據(jù)待測氣體中漏率響應值，計算待測氣體中氦含量。

表1 利用吸槍法氦質譜檢漏儀對標準氣體進行氦含量測定結果

1.5 方法性能評價

1.5.1 準確度

為了驗證分析方法的準確性，利用GC-2011TF氣相色譜儀和吸槍法氦質譜檢漏儀對在未確定濃度的氮中氦氣體中進行氦含量測定。氣相色譜儀檢測操作步驟按照國標《GB/T 13610—2020天然氣的組成分析 氣相色譜法》進行，操作條件主要包括：①載氣：高純氬，99.999%；②柱前壓力：38 psi；③PQ柱溫：40℃，SE30柱溫：60℃，5A分子篩柱溫：45℃，三柱串聯(lián)；④檢測器溫度：150℃。

將測定結果與氦質譜檢漏儀測量結果進行對比，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 氦質譜檢測儀與氣相色譜儀檢測結果對比

從表2結果可以看出，兩種分析方法對比相對誤差最大值為1.54%，小于5%，在色譜分析誤差范圍內(nèi)，表明該方法測定不同氣體中氦含量準確度較好。

1.5.2 重復性

采用氮氣中氦氣的同一標準氣在吸槍法氦質譜檢漏儀上連續(xù)檢測10次，記錄測量結果并計算相對標準偏差，結果見表3。

表3 方法重復性測試結果

表3結果可知，該方法分析重復性測試的相對標準偏差為1.35%，小于2%，表明該分析方法重復性能滿足檢測要求。

1.5.3 檢出限

檢出限是指儀器設備能夠檢測出與噪音信號相區(qū)別的最小信號能力，檢出限的高低主要取決于儀器設備本身，其檢測方法為理論計算法和實際測量法。

本文通過實際測量法對吸槍法氦質譜檢漏儀進行檢出限的確定，對系列濃度的氮氣中氦含量進行檢測，當標準氣體信號峰剛好等于或略小于3倍真空模式下噪音的漏率響應值時，該濃度即為吸槍法氦質譜檢漏儀的檢出限。真空模式下進行連續(xù)5次平行實驗，得到漏率響應值，結果如表4所示，再對不同濃度氮氣中氦進行檢測，對應響應值如表5所示。

表4 真空模式測試漏率響應值

表5 不同氮氣中氦漏率響應值

由上述實驗數(shù)據(jù)可知，氮氣中氦濃度為0.0461%時，響應值為8.9E-09，與3倍噪音值接近，因此吸槍法氦質譜檢漏儀的檢出限為氮中氦氣濃度0.0461%。

1.5.4 線性度

利用吸槍法氦質譜檢漏儀對不同量值的氮氣中氦含量的標準氣進行檢測，記錄不同量值及對應的響應值，結果見表6，將數(shù)據(jù)進行線性回歸，擬合線性范圍曲線見圖3，本分析方法的線性范圍見表7。

表6 線性范圍測試結果

表7 方法的線性范圍

圖3 氮氣中氦濃度測定的線性范圍曲線圖

從表7中可以看出，采用本方法測定的氮氣中氦濃度的線性范圍最低值可達到0.05%，且線性相關系數(shù)大于0.9999，表明該方法的線性能滿足檢漏作業(yè)現(xiàn)場氮氣中氦濃度的分析檢測要求。

2 結論

（1）利用吸槍法氦質譜檢漏儀可準確測定油氣生產(chǎn)現(xiàn)場檢漏氣體中氦含量。

（2）該測定方法快速準確，重復性好，且儀器現(xiàn)場使用便攜，能夠滿足氦檢漏現(xiàn)場對不同氣體中氦含量測定的需求，具有較強的推廣性。