淺談高危介質承壓裝置氣密性試驗

【摘要】介紹了承壓裝置的氣壓試驗和氣密性試驗的概念，確定泄漏試驗的方法，并對壓力測量、流量測量進行了探討。對泄漏試驗機設計人員有一定的參考價值。

【關鍵詞】氣密性試驗;泄漏率;自動試驗

引言

隨著我國國民經濟的高速發展，各種承壓裝置越來越多應用于石油、燃氣和核電等行業，但也對各種承壓裝置提出更高的要求。本文所述承壓裝置運行條件是內部裝有危險性介質。

1、氣密性試驗和氣壓試驗的概念

承壓裝置制成后需進行耐壓試驗（液壓和氣壓），驗證其是否具有在設計壓力下安全運行所需的承壓能力，檢驗其焊縫是否有潛在缺陷，耐壓試驗合格后還需進行氣密性試驗，檢驗其焊縫、可拆連接部件的致密性。

氣密性試驗與氣壓試驗是不一樣的。首先，它們的目的不同，氣密性試驗是檢驗承壓裝置的嚴密性，氣壓試驗是檢驗承壓裝置的耐壓強度。其次試驗壓力不同，氣密性試驗壓力為裝置的設計壓力，氣壓試驗壓力為設計壓力的1.15倍。

氣密性試驗主要是檢驗裝置內部的各聯接部位是否有泄漏現象。對于內部裝有危險性介質的承壓裝置，必須進行氣密試驗，不允許有泄露。但密封是一個相對的概念，沒有絕對不泄漏的裝置。對于不同的應用有不同的密封程度要求，因此必須首先確定氣密性試驗的方法、試驗壓力及允許的泄漏率。

2、氣密性試驗指標

試驗指標包括兩個數據：試驗壓力和允許泄漏率。中心問題是：多大的泄漏率能保證裝置在工作條件下正常工作。允許泄漏率隨具體應用而不同，它取決于很多因素。比如：裝置的材料、結構及上述的實際工作狀態下的后續工作重點。同樣，裝置壁厚、表面狀態及疏松結構（鑄造沙眼、裂隙）也起到關鍵作用。通常，允許泄漏率都要參考給定的試驗壓力，而試驗壓力模擬后續的工作狀態選擇，這就首先提出一個試驗壓力等級的問題，其次是試驗的方向。確定試驗壓力時會遇到泄漏率與試驗壓力的關系問題。疏松度高，泄漏率與試驗壓力成正比;疏松度低，泄漏率與試驗壓力之比變小（見圖1）。

以空氣為介質的泄漏試驗中（測量壓力或流量），泄漏率以標準cm3/min給出，如果用特殊氣體（比如氦氣），通常以102Pa 1/s表示，1 Std cm3/min=60×102Pa l/s。

要指出的是1 Std cm3/min是標準狀態下（0℃、1.013×105Pa）充滿1cm3的氣量。1Std cm3不是指三維測量，而是以三維尺寸表示的氣量。因此Std cm3/min表示的是質量流量而不是體積流量。對于氣密性試驗嚴格來講，如果泄漏率以Std cm3/min表示，則不論是用質量流量法還是用壓力法測量，測量信號必須加以修正以消除大氣壓和環境溫度的影響。如果不這樣做，泄漏率應以cm3/min或ml/min表示。標準狀態與試驗狀態的平均差別在10%左右。

氣密性試驗所用氣體應當為干燥潔凈的空氣、氮氣或其他惰性氣體。批量生產中，以空氣為介質的氣密性試驗已被廣泛應用。其原因是：①可靠性高;②客觀、定量地質量表述;③試驗時間短;④投資少、使用費用低;⑤精度高;⑥不損傷裝置;⑦容易納入生產線中;⑧易于標定;

鑒于如下領域的要求，空氣為介質的氣密性試驗將得到更為廣泛的應用：①ISO9000要求;②產品質量要求;③記錄、統計和分析的要求;④環保要求;⑤工廠設計。

3、氣密性試驗方法

3.1 水下目測法。對于體積較小的承壓裝置，卻裝置內部允許液體進入，可侵入水中檢測。例如，在水下檢測時，空氣從裝置中滲出，在水中形成一個1mm大小的氣泡升出水面，每30秒出現了一個，則泄漏率為0.001cm3/min。假設試件是一個汽車輪胎（內部容積約40升），這樣大的泄漏率相當于在10年里壓力下降了104Pa，那么它被認為是密封的，還是漏的呢？如果每3秒出現一個這么大的氣泡，相當于0.01cm3/min泄漏率，在一年里壓力會下降104Pa，此時又應被看作是漏還是不漏的呢？

當提出“漏與不漏”的問題時，實際上是確定可允許的泄漏率，這樣當裝置的泄漏率Vperml時則是漏的。在工業生產中確定允許泄漏率時，從經濟角度考慮是關鍵，試驗應該是在必要條件下盡可能精確，而不是越精確越好。最終的允許泄漏率必須通過試驗確定，在某些情況下，也可由經驗數值或推薦的數值來確定。

水下目測是一種相當直觀的試驗方法，可通過操作者仔細的觀察來實現。水下目測漏點直觀，價格便宜，另一個重要的優勢在于檢測同時可確定泄漏部位。這種方法的缺點是，它取決操作者的水平（重復性低），節拍時間長，并會弄濕裝置，小泄漏在水下目測時不穩定，隨時間而變化。因此，如果選擇水下目測法，就必須將這一問題考慮進去。這些也是使用自動檢測儀的原因。

3.2 流量測量法。流量測量的測量信號與測試容積無關，不同于壓力測量中測量信號隨著測試容積的增大而減小。這在標定時是個優點，測量信號直接對應于通過泄漏標定儀的氣體流量，標定過程中不再需要知道確切的測試容積，也不用考慮確定泄漏率。

體積流量法，一般不用于泄漏檢測而是用于流量控制中，如在用同樣的測量元件（差壓傳感器）進行降壓法泄漏測試前，對氣體系統中的自由通道進行流量監控。

在質量流量法中，測試信號不僅與測試容積無關且與測試壓力也無關，而是直接對應于標準泄漏率Std cm3/min，不象壓力法測量中要計算允許泄漏率。

3.3 壓力測量法。在工業氣密性試驗中，壓力測量法是最常見的方法，在裝置容積腔小的情況下，可檢測到0.1cc/min或更小的泄漏率。

相對壓力或絕對壓力測量法具有試驗單元集成化、測量系統自身容積最小的特點，且可靠性高、測量范圍寬。在試驗壓力較高的情況下，差壓法測量的精度要高于絕對壓力法。

用壓力測量法進行一個完整的氣密性試驗包括四個階段：一、充氣階段;二、平衡階段;三、測量階段;四、排氣階段。

3.3.1 充氣階段。被測裝置按一定壓力進行充氣，充氣何時結束，可由時間或壓力控制。通過充氣階段的壓力上升曲線可粗略地對被測容積加以估算，或者檢查儀器中與裝置相連的自檢閥是否處于“開”位置。

3.3.2 平衡階段。在這一階段檢測系統必須穩定下來，充氣階段的波動必須停止，試驗空氣的溫度變化也須消失，進入裝置的氣體在充氣閥處膨脹并冷卻，而原先裝置中的空氣被壓縮并升溫，如圖2某裝置在四個氣密性試驗階段的溫度曲線所示，后者在充氣階段占主導地位。

裝置內部的壓力與溫度相同也在變化。如果要使一個泄露檢測儀指示為零，則需等到恒溫狀態，然而要達到“完全平衡”所需的時間遠遠比正常批量生產允許的節拍長。

有三種方法縮短平衡時間：①補償充氣——補償充氣指充氣階段以稍高于檢測壓力的氣壓充氣，到平衡階段降至檢測壓力，在這一膨脹過程中，被測腔內的氣體冷卻，這樣即可對“不完全平衡”加以補償。對一個密封件來說，通過改變充氣壓力，即使在短暫的平衡后也可能獲得零指示，并且還可縮短充氣時間。②參考容器=被測容器——在差壓法泄漏檢測系統中，在參考側連接一個密封件，以便在充氣平衡階段壓力傳感器兩側具有相同的狀態，這樣可對消它們的影響。③提前測量時間——因為獲得零指示并非泄漏試驗的目的，所以最簡單的是通過提前測量階段來縮短平衡時間。平衡時間可以減少到測量階段前的系統狀態不再現為止。這樣，對于一個密封裝置，其測量結果可能不為“0”而為“X”。實際工作中，上述三種方法經常一起使用。3.3.3 測量階段。被測裝置內部空氣的滲漏將產生一個壓力降，這就可通過差壓傳感器測出相對于參考容器的壓力差，也可通過壓力傳感器測出壓力變化，測量方法見圖3所示。

充氣、平衡時間可根據經驗設定，但測量時間可用波義耳-瑪略特氣體方程計算出：P.V/T=常數

這里，我們假設測量過程中溫度不變，則方程變為：P.V=常數。

轉化成降壓法泄漏檢測的形式，方程變為：P1.Vt=P2.Vt+Pat.VL

式中：P1——測量階段開始時被測腔內的壓力;P2——測量階段末被測腔內的壓力;

Vt——被測腔容積;Pat——大氣壓;VL——泄漏的氣體體積（大氣壓下的體積）

測量階段的壓力變化ΔP=P1-P2

即，P2=P1-ΔP，測量過程的方程變為：ΔP.Vt=Pat.VL或者ΔP=Pat.VL/Vt

值得注意的是公式中沒有試驗壓力，試驗壓力對被測腔中的壓力變化無影響，即在相同泄漏率條件下，無論試驗壓力是0.1MPa還是1MPa裝置中的壓力降是相同的。但是泄漏率隨著試驗壓力升高而增大，試驗壓力與泄漏率的關系見圖1。

4、結束語

大多壓力容器標準中對氣密性試驗的要求為裝置是否有泄漏現象，本文針對內部裝有危險性介質的承壓設備引入了泄漏率的概念及測量方法。對泄漏試驗機設計人員有一定的參考價值。