板式換熱器氦質譜檢漏技術應用

楊崇安　李宜全

【摘 要】板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，且傳熱面上有凹凸，因此比傳統的光滑管的壓力損失大。在進行氦質譜檢漏時，存在不易抽真空，反應時間長等困難。本文根據以上特點，通過分析不同的檢驗方法和檢驗設備，針對不同的檢驗環境和檢驗時機，提出相應的氦質譜檢漏方案，并在實際工程中得到成功應用。

【關鍵詞】氦質譜檢漏；板式換熱器；方法選擇；真空泵選擇；工程應用

1 板式換熱器簡介

板式熱交換器是一種廣泛應用的新型、高效、緊湊的熱交換器，一般由傳熱板片、密封墊片、壓緊裝置三個主要部件組成。其結構由一系列互相平行，具有波紋表面的薄金屬板片相疊而成。許多沖壓有波紋薄板按一定間隔，四周通過墊片密封，并用框架和壓緊螺旋重疊壓緊，板片和墊片的四個角孔形成了流體的分配管和匯集管，同時又合理地將冷熱流體分開，使其分別在每塊板片兩側的流道中流動，通過板片進行熱交換。板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、使用壽命長等特點。

2 常見故障與部位

2.1 外漏及部位

外漏主要表現為滲漏。外漏出現的主要部位為板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內側密封處。 2.2 串液及部位

串液主要特征為壓力較高一側的介質串入壓力較低一側的介質中，系統中會出現壓力和溫度的異常。如果介質具有腐蝕性，還可能導致回路中其它設備的腐蝕。串液通常發生在導流區域或者二道密封區域。

3 檢驗范圍

為避免外漏故障發生，需對板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內側密封處進行氦質譜檢漏。

為避免串液故障發生，需對導流區域和二道密封區域進行氦質譜檢漏。

4 檢驗方法的選擇

在大型容器檢漏時可以把氦質譜檢漏分為吸槍檢漏和真空檢漏兩大類，對于具體采用哪一種方法需根據設計技術要求中的驗收標準、被檢容器的結構特點、檢驗部位、檢驗時機、檢驗環境、檢驗設備進行選擇。在選取具體的檢漏方法時，該方法的檢驗靈敏度應與驗收標準匹配，太低不符合要求，太高費用較高，且浪費時間。為提高檢驗效率，檢驗的反應時間要短，以便加快檢漏速度。對于板式換熱器泄漏檢驗而言，不要求對漏孔進行精確的定位，該特點增加了檢漏方法的選擇范圍。

在工程應用領域，還需考慮檢驗方法的穩定性，在足夠長的時間里要求靈敏度可靠，以便進行復查和定量測量，確保檢驗的可靠性和可重復性。為滿足現場性能可靠、使用和維護方便的要求，需選擇結構簡單，操作維護方便，經濟適用的檢漏用設備和儀器。

驗收標準是選擇檢驗實施方法的關鍵，如果驗收標準要求的泄漏率小于1×10-7Pa.m3/s，一般采用實施較為方便的吸槍法，反之一般采用真空檢漏法。

對于可能發生外漏部位的氦質譜檢驗，如果檢驗時機為出廠檢驗，同時檢驗環境通風條件良好，可以采用氦罩法、噴氦法和吸槍法。由于板式換熱器的波紋狀表面無法進行局部密封，只能采用整體氦罩法，但板式換熱器體積較大導致氦罩體積同樣會很大，造成容器底部氦氣濃度偏低，從而影響容器底部檢驗的有效性，基于以上原因可以考慮其他兩種方法。吸槍法實施較為簡單，能有效克服板式換熱器真空法檢驗反應時間長的缺點，但使用吸槍法需考慮吸槍距離和移動速度兩個因素。根據圖1漏率表讀值R與吸人器離漏孔距離s的關系（曲線1為標準吸槍，曲線2為快速吸槍）；圖2吸人器探尖離漏孔為1mm時，它的移動速度與漏率表讀值的關系。從實驗結果得出吸人器的移動速度以不超過10 mm/s為宜。吸槍法對吸槍距離和移動速度的要求導致對人員操作要求嚴格，使檢驗效率偏低。

噴氦法能夠克服氦罩法容器底部氦濃度偏低的缺點，同時在工程實現上省去了氦罩制作與密封環節，也能夠避免吸槍法操作要求嚴格，檢驗效率偏低的缺點。在工廠內可以使用純氦進行大氣流噴吹被檢表面，所以對噴槍距離和移動速度要求較低，使用噴氦法可以準確找到漏孔位置。綜合以上因素，使用噴氦法是可以有效、快速地完成檢驗的一種方法。

實施噴氦法需要重點關注漏率標定、輔助泵分流、噴吹時間。在輔助泵的抽速選擇時必須對流導、放氣面積作為主要考慮因素。通常相同容積的板式換熱器比管式換熱器需要的輔助泵抽速要高。為提高檢驗效率和有效性，可以使用純氦并在氣噴嘴前端安裝彈性聚集罩。

如果檢驗時機為設備安裝并完成水壓試驗后進行，此時需考慮安裝狀態、通風條件、檢驗場地等因素。如不具備通風條件且空間狹小，需排除噴氦法和氦罩法，以避免產生窒息危險和高本底對質譜儀、檢驗和標定產生影響。對于此種情況可以考慮吸槍檢漏法。為提高檢驗效率和有效性，可以在吸槍前端安裝彈性收集罩。吸槍前端結構及檢驗環境對檢漏效果存在影響。圖3中（a）只有小部分氦氣進入吸槍，（b）大部分氦氣進入吸槍（c）。流通的強風使氦氣無法進入吸槍。

針對導流區域和二道密封區域的氦質譜檢驗，由于此處密封邊界驗收標準高、被檢部位不可達、結構復雜宜選用真空檢漏法。實施真空法需要重點關注漏率標定、輔助泵分流。在輔助泵的抽速選擇時與噴吹法一樣，必須對流導、放氣量作為主要考慮因素。為方便調節檢驗靈敏度需在輔助泵前加裝節流閥。實施真空法時，先用輔助泵將高溫側抽至一定的真空度，然后向低溫側充入一定壓力的混合示蹤氣體，連通氦質譜儀至高溫側，檢驗泄漏率是否滿足驗收標準要求。另外，真空法應在吸槍法之前進行，否則需要多次氮氣置換才能滿足真空法的本底要求。

5 真空系統的建立

在使用真空檢漏法和噴氦法時，需對換熱器內部建立真空狀態。板式換熱器的結構特點使密封邊界的面積很大，在此必須考慮設備材料放氣和流導對氦質譜檢漏的影響。通常材料的放氣現象會影響真空室的極限壓力和工作壓力，使氦質譜儀無法啟動。為建立良好的真空狀態，需增加輔助泵避免真空室壓力升高。為此需對真空泵進行選擇。

5.1 真空泵類型選擇

水環真空泵，一種粗抽真空泵，能獲得的極限真空為2000～4000Pa。因可以抽除含塵、含水的氣體，所以當所檢驗的板式換熱器為系統安裝并進行水壓試驗后或在役檢驗時，選用水環泵作為初級泵使用。

2XZ型旋片式真空泵，2XZ 型旋片式真空泵具有結構緊湊，體積小，重量輕，噪音低，振動小等優點。在它適用的真空度范圍內，可以單獨使用，也可以與其他類型的真空泵配

由2XZ型旋片式真空泵抽氣速率與進氣口壓力曲線可知，對于板式換熱器的真空狀態建立可選用該類型真空泵，該泵能夠保證氦質譜儀達到啟動需要的真空度，同時在一定條件下，能夠允許僅用2XZ型旋片式真空泵作為輔助泵組成檢漏系統，增加工程適用性。

5.2 真空泵抽速選擇

5.2.1 水環真空泵抽速選擇

一般粗抽時間不大于10～30分鐘，根據抽氣時間計算公式可以推算出，選用抽速在10L/S～20L/S的水環泵即可滿足檢驗要求。

2XZ型旋片式真空泵抽速選擇。

因2XZ型旋片式真空泵作為氦質譜檢漏重要的輔助泵，必須對其抽速的計算進行多方面考慮。首先根據氦質譜儀的啟動壓力、換熱器的容積、抽氣時間由抽氣時間計算公式可以計算出真空泵名義抽速。因抽速和抽氣時間相互成反比，無法通過計算得出真空泵最小有效抽速。

任何固體材料在大氣環境下都能溶解、吸附一些氣體，當材料置于真空中時就會因解溶、解吸而出氣。對于板式換熱器而言，由于換熱面積大在建立真空系統時，不銹鋼和丁腈橡膠材料的出氣是真空系統最主要的氣源。根據板式換熱器結構特點，換熱板之間形成的空間類似于細長的真空室，所以其內部各處壓力是不等的。如圖5均勻出氣的細長真空室的抽氣。

真空室任意點壓力為：

px=ql■+■-■ [4]

px-真空室長度方向上的壓力值；l-真空室截面周長；L-真空室長度；Q-真空室壁的出氣量；q-真空室壁材料出氣率；U-長度為L的管道的流導；S-X=0處機組的有效抽速。

根據板式換熱器的規格和驗收技術規格書，可以得到距離抽氣口最遠端的壓力值pL，為簡化計算，以克勞辛系數先計算最遠端處一個細長真空室的流導U，通過不銹鋼和丁腈橡膠的出氣率和真空室壁面積，計算真空室壁的出氣量Q，根據公式：

S=■ [5]

計算所需的有效抽速，然后累計每一細長真空室所需的有效抽速，即可得到所需真空泵最小抽速。通過以上計算所需要的最小有效抽速不低于12L/S，但為了可靠起見一般適當增大20%。然后根據市場中已有的真空泵規格選取檢驗用真空泵。

6 清潔與干燥方式選擇

對于氦質譜檢漏而言，密封邊界的清潔與干燥關系到檢驗能夠順利實施及數據的有效性。根據板式換熱器的結構特點，可采用吹熱空氣烘干的方式進行干燥，但熱空氣的溫度不可超過80℃。一般在氦質譜檢漏前，采用抽真空與氣體置換相結合的方法對換熱器內部再進行一次干燥。在干燥過程中可同時進行真空計法和保壓法對真空系統及容器進行初步檢漏，為更高精度的泄漏檢驗做準備。對于被檢部位的清潔，一般使用工業吸塵器對換熱器外表面進行除塵和干燥，因板式換熱器蜂窩狀表面，應避免使用壓縮空氣進行表面吹掃造成揚塵和漏孔堵塞。

7 工程應用

在實際應用中，所檢驗的板式換熱器相關參數詳見表1：某換熱器相關參數。

該換熱器檢漏是在現場安裝后進行的，空間較小，并已占房間面積的1/3，現場無通風條件，檢驗實施場地有限，大型設備無法進入。針對以上情況采用吸槍法和真空法實施氦質譜檢驗，采用水環泵、旋片泵、不銹鋼波紋管、球閥、節流閥組建真空系統。首先使用水環泵抽真空，然后充入氮氣，再次使用水環泵抽真空，反復幾次對換熱器內部抽除水蒸氣和粉塵。使用工業吸塵器對換熱器外表面除塵和干燥。使用旋片泵抽真空和氮氣置換的方式對換熱器內部進一步干燥。干燥后首先進行真空檢漏法，然后實施吸槍法。因真空法只對換熱器的一側抽真空，所以降低了檢驗對真空系統建立的要求，同時選用的旋片真空泵抽速較高，容器內部干燥充分，系統標定得以較快完成。

在實施吸槍檢驗時，檢驗進度約完成3/4左右，檢驗人員發現氦質譜儀本底噪聲逐漸增大，為此重新對質譜儀進行儀器標定和系統標定，進行系統標定時吸槍盡量遠離檢驗現場，以防止檢漏系統中的漏氣對系統標定產生影響，標定后發現一切正常。當吸槍靠近被檢件時發現，信號本底出現2～3數量級的跳動而非穩定的泄漏信號，于是推斷氦氣充壓系統可能有泄漏，使用吸槍對充壓系統的管線進行排查，發現在工作實施過程中，由于檢驗場地過于狹小，操作人員不慎將換熱器附近的氦氣壓力表損壞，造成漏氣。關閉氦氣瓶閥門，停止氦質譜儀運轉，封堵檢漏口，更換壓力表并用風扇向換熱器房間內吹風，以降低檢驗環境本底。吹風約半小時后重新對儀器和系統進行標定，合格后繼續檢驗，直至檢驗完成。

8 結論

綜合以上理論計算及工程應用，對于不同的檢驗時機和檢驗條件下的板式換熱器氦質譜檢漏而言，采用吹熱空氣、抽真空與氣體置換相結合的方法對換熱器內部進行干燥，使用工業吸塵器對換熱器外表面進行除塵和干燥，采用水環真空泵、2XZ型旋片式真空泵作為輔助泵，采用噴氦法、吸槍法、真空法三種具體方法，針對板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內側密封處，可采用噴氦法和吸槍法進行檢驗；針對導流區域和二道密封區域采用真空法進行檢驗，以上檢驗方法滿足板式換熱器對出廠、役前、在役氦質譜檢漏的相關技術要求。

【參考文獻】

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[責任編輯：田吉捷]