致密性試驗在某些承壓類設備中的必要性

張興旺

北京市密云縣質量技術監督局特種設備檢測所，北京101500

摘要 利用和液壓試驗對比論證的方法，從吸附性、運動性、穿透性和綜合作用四個方面闡述了致密性試驗的原理和作用，揭示了在某些情況下致密性試驗的必要性，對規范、標準中的相關內容提出了修改、補充建議。

關鍵詞 致密性試驗；特種設備；吸附性；運動性；穿透性

中圖分類號TH490 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）61-0044-02

1 概述

在實際的檢驗過程中，一些易燃易爆介質、有毒有害介質的承壓類特種設備只有液壓試驗而無致密性試驗的情況還是會碰到的。《容規》[1]、《管規》[2]、GB150[3]、HG20584[4]等規范、標準中的規定或不合理，或不健全，容易讓人產生歧義或誤解，造成執行上的問題。

幾種常規探傷方法都有漏檢、誤檢或檢不出的情況，而且是在設備無壓狀態下進行的檢驗，缺陷處于閉合狀態。設備在承壓狀態下，缺陷是處于開合狀態的。因此幾種方法無法完全取代致密性試驗的作用。

本研究不考慮這幾種探傷方法和幾種不適合致密性試驗的情況，以及致密性試驗中的其它幾種試驗方法，只考慮以空氣、氮氣或其它惰性氣體為試驗介質，主要從致密性試驗本身的優越性這一點來分析研究致密性試驗對某些設備的必要性。

2 理論與實踐相結合分析研究

2.1 吸附性

氣體和液體在檢出設備微小穿透性缺陷的能力和作用原理上有著很大的不同，這首先體現在吸附性方面。在吸附性方面，主要從微觀到宏觀3個方面，即吸附質、附著層、黏性來分析研究氣體與液體的不同。

第一，從吸附質方面。吸附作用分為物理吸附和化學吸附。以氣體和液體為試驗介質時，可分為固—氣界面的吸附和固—液界面的吸附。實際運行中的設備，壓力、溫度等操作條件，存在的油污、銹蝕、雜質、介質等多種殘留物，是很難徹底打掃干凈的。氣體在穿過孔隙時可能被吸附一些氣體分子，吸附質比較單一，若遇氮氣等惰性氣體，其吸附會更少。水在穿過時就比較復雜。首先孔隙表面會有物理吸附和復雜的化學吸附，吸附質可能會有水分子、電解質、有機和無機物分子等，吸附質的種類比較多，這樣孔隙會變得更小或堵住。而氣體分子吸附少，對孔隙大小影響不大。因此，孔隙對氣體分子的吸附比液體少得多，材料對液體的吸附性比氣體大得多。

第二，從附著層方面。液體在檢出穿透性缺陷方面，毛細現象原理[5]是很重要的一個方面。由毛細現象原理說明液體要滲透到微小缺陷中去的先決條件是它能潤濕材料表面，不浸潤的情況是不會發生毛細現象的。影響不浸潤的因素，與液體和固體的性質有關，與固體表面的化學組成和微觀幾何結構有關，與固體表面的潔凈度有關。浸潤與不浸潤現象，是分子力作用的表現。當液體與固體接觸時，在接觸處形成一個液體薄層，叫做附著層。附著層里的分子受到固體分子吸引的強弱形成浸潤與不浸潤現象。實際的檢驗中，許多設備內壁不潔凈，時常會產生不浸潤現象，影響穿透性缺陷的檢出，而氣壓則不會。液體附著層的附著力是材料吸附性的一個原因，氣體無附著層，不會產生附著層的附著力。

第三，從黏性方面。黏度是反映滲透液滲透到缺陷中的速度的性能參數。在壓強為101.325kPa，溫度為20℃條件下，空氣和水的動力黏度，空氣μ=0.0179×10-3Pa·s，水μ=1.01×10-3Pa·s，這相當于這樣一個概念，即水的動力黏度是空氣的56.42倍，可見水的黏度遠遠大于空氣。液體與氣體在流動時都會產生黏性力，產生的原因，液體是分子之間的力，是微觀的力，這個力很大。氣體是范德華力，這個力小，分子間距離大，造成的是宏觀的力。因此液體的黏性遠遠大于氣體。在穿過孔隙時材料對液體的吸附性遠大于氣體。由以上吸附質、附著層、黏性三個方面原因，在檢出缺陷時材料對液體的吸附性遠大于氣體，是造成液體不易檢出穿透性缺陷的原因之一。

實際情況也是如此。在實際檢驗中，在對液化氣儲罐進行全面檢驗過程中，液壓試驗2.206MPa，做完之后未發生泄漏，氣密性試驗的試驗壓力為1.765MPa，當壓力剛升至1.10MPa時，在用洗滌靈水試人孔墊處時，發現人孔墊處泄漏，大個的氣泡往外鼓。在乙炔瓶廠制造監檢[6]過程中，乙炔瓶在5.2MPa水壓試驗時未產生泄漏，而在3.0MPa的氣密性試驗時，在頸套焊縫處卻有大量的泄漏現象。以上這兩個檢驗案例都證明了吸附性方面的理論是影響水壓不漏氣壓漏的重要原因之一，也反映出氣壓試驗在檢出微小穿透性缺陷能力方面遠強于水壓。

2.2 運動性

氣體和液體在運動性方面存在諸多差異，這是氣體檢出缺陷能力優于液體的又一個方面。流體上的作用力分為表面力和體積力。表面力又分為壓力和切應力。在密閉容器中，在相同壓力試驗下，氣體和液體單位面積上的壓力是一樣的。

氣體分子間作用力與液體相比要小得多，和液體相比，氣體的切應力可以忽略不計。體積力是重力、慣性力等。重力與密度有關，在常態下，水的密度是空氣的772.4倍，容器中空氣的重力與水相比可以忽略不計。慣性力與物體的質量和速度有關，相同體積以同一速度運行的氣體和液體，液體慣性力要比氣體大很多，氣體的慣性力和液體相比可以忽略不計。

由此得出無論表面力中的切應力還是體積力，液體遠大于氣體，這就導致了液體的運動性遠不如氣體，無論在流動性上，在運動速度上，還是在運動方式上。由分子動理論[7]得出：氣體可以以單個分子的狀態穿過微小穿透性缺陷，而液體是以一定體積的分子集合態或附著層穿過缺陷；氣體分子在穿過孔隙時與容器器壁之間沒有相互作用力，而液體的附著層存在著附著力；氣體分子之間無作用力，流動性大，液體分子之間作用力較大，運動性差；氣體分子與器壁的碰撞為彈性碰撞，運動性強，液體為附著層式接觸，運動性差。

這幾種原因導致氣體的運動性強于液體。氣體分子在標準狀態下的平均速率約為每秒幾百米，液體運動速度為其流動的速度，穿過微小缺陷的速度為毛細現象的速度，要慢得多。在數量上，1立方微米里有2.67×107個分子，在檢出微小穿透性缺陷時，氣體分子在數量上足夠。若以空氣為試驗介質，以成分中直徑小的O2分子作為穿透介質，O2分子直徑約為0.296nm，原則上O2分子可以檢出納米級的穿透性缺陷。1μm=1000nm，保證了氧氣分子在立方微米級的空間內有足夠大的活動范圍。根據分子動理論，無論穿透性缺陷是什么形狀的，氣體分子都可充滿其間，不會有遺漏的地方。

從存在形態、運動速度、單位體積內分子數量、單位體積內的活動范圍及運動的形態上，氣體明顯強于液體，這幾個方面保證了氣體檢出缺陷的速度上要比液體快得多。在一次鍋爐內檢時，后管板上有水印，但被司爐工打掃、沖洗掉了，只好重新打掃、沖洗、吹干，以平時鍋爐工作狀態下的表壓0.4MPa（未超壓）保壓到晚上下班時去檢查，才在后管板上找到一丁點水和水印，才確定出抽哪根管。可見液體檢出缺陷的速度是很慢的。

在進行氨管道氣密性試驗時，在用洗滌靈水試漏時，其中一個法蘭接頭漏。緊固螺釘之后墊片處不再漏，但順著一根螺釘處往外冒微小氣泡，氣泡是一丁點的小白點，不細看根本看不出來，螺釘處的水微微轉動，說明法蘭孔壁處漏，法蘭孔壁與管壁有連通的孔洞或縫隙，使管內氣體滲出來。氣壓要不仔細看都看不出來，可見氣體在檢出穿透性缺陷的速度及在現象反映上要明顯好于液體。

在設備修復補焊后的水壓試驗時，在規定的保壓時間內焊縫處看不出潮濕，在設備運行一段時間后此處焊縫部位又泄漏了。可見水壓在現象反映上跟氣壓相比是有其局限性的。以上三例驗證了氣壓在運動性方面，在檢出缺陷的速度和現象反映上要比水壓強得多。

2.3 穿透性

根據納米分子篩原理[8]和氣體擴散法[9]原理，穿透性缺陷相當于微孔，氧氣分子直徑約為0.296nm，水分子直徑約為0.4nm，缺陷寬度介于兩分子直徑之間，不考慮其它因素，則氧氣分子可完全穿過而水分子完全不能穿過，并且氧氣分子比水分子撞擊器壁的機會多。

實際情況也是如此，用20 000atm的壓強壓縮鋼筒中的油，結果發現油可以透過筒壁滲出，這說明油能透過鋼的晶格間隙。液化石油氣儲罐產生的氫鼓包[10]，說明氫氣是不能穿透鋼的晶格間隙的。日常的閥門試驗，水壓24小時檢不出的缺陷，氣壓一試就行。可見空氣比水在一定范圍內能檢出更小的缺陷。

2.4 綜合作用

在液化氣站的排殘液閥的試驗中，打氣壓時密封面漏氣泡，但用水沖洗密封面之后，再打氣壓就一個氣泡也不漏。可用吸附性中的附著層理論解釋：液體薄層本身就有密封作用，使氣體分子被阻擋住，無法穿過孔隙。也可用運動性中的彈性碰撞理論解釋：氣體分子彈性碰撞到水膜上，無法穿過孔隙。又可用穿透性中的分子篩理論解釋：孔隙被水分子或水膜堵住，氧氣分子直徑小于水分子直徑也無法穿過孔隙。以上所有檢驗案例都是如此，多數情況下是兩個或三個方面中的幾個因素綜合作用的結果。

3 結論

綜上所述，氣體在檢出微小穿透性缺陷的好幾個方面的能力和效果要明顯強于液體。對于一些易燃易爆介質、有毒有害介質的設備，那些只有水壓試驗而無致密性試驗的情況是會存在一些微小穿透性缺陷無法檢出的問題的。因此對于上述設備，致密性試驗還是有其必要性的。應在其相應的規范、標準中作出明確、具體的規定。

參考文獻

[1]TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術監察規程：17，27-28.

[2]GB50235-2010 工業金屬管道工程施工規范：53-54.

[3]GB150-2011 壓力容器：11-12.

[4]HG20584-1998 鋼制化工容器制造技術要求：405-406.

[5]高世橋，劉海鵬.毛細力學[M].北京：科學出版社，2010，3

[6]王小華，王建德，劉國奇.乙炔瓶頸套填角焊縫缺陷的超聲波檢測.中國鍋爐壓力容器安全優秀論文選編，1998，無損檢測專輯(3)：70

[7]張長林.分子動理論 內能 氣體的性質[M].山東：山東教育出版社，1998，3-7.

[8]洑春干.醫用供氧技術[M].北京：化學工業出版社，2004：81.

[9]邱陵.化學法分離同位素[M].北京：原子能出版社，1990：26.

[10]王曉雷，馬昌華，侯明烈.在用壓力容器氫鼓包檢驗、修復、補焊與預防.中國鍋爐壓力容器安全優秀論文選編，2002，壓力容器專輯(2)：337.