氦質(zhì)譜吸槍積累檢漏法在壓力容器中的應(yīng)用

郗運富

（南京寶色股份公司，江蘇南京 211100）

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、石油、化工設(shè)備檢測。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)三種檢測方法中的吸槍模式在壓力容器中應(yīng)用最為常見。吸槍模式中針對被檢測位置區(qū)域，一般采用吸槍掃查被檢測部位，掃查距離保持在3mm以內(nèi)；掃查速率約3mm/s（不超過能檢出標(biāo)準(zhǔn)漏孔泄漏的速度），掃查方向從被檢工件的最下部開始，然后漸層向上[1]。這種掃查待檢部位的方法對于較大工件，或被檢測區(qū)域較大的設(shè)備并不適用，因為上述方法工作效率低下，且操作者的勞動強(qiáng)度大。壓力容器中換熱器的管板與換熱管的角焊縫檢測，現(xiàn)在各個壓力容器制造廠都采用“非真空積累檢漏法”，制作臨時的“柔性收集室”，就是用柔性材料包裹管板，使管頭角焊縫被罩住，形成密封空間，用吸槍檢測柔性密閉空間充氦前、后氦質(zhì)譜儀顯示的泄漏率讀數(shù)，據(jù)此讀數(shù)判斷管頭角焊縫是否泄漏。這種方法雖能夠識別管頭焊縫是否泄漏，但不能全面準(zhǔn)確地判斷或通過計算判斷泄漏率是否超標(biāo)。本文通過一臺冷凝器利用“剛性收集室”采用吸槍積累檢漏法，對換熱管與內(nèi)管板強(qiáng)度脹接質(zhì)量的檢測實驗，根據(jù)檢測結(jié)果判斷實測泄漏率是否超標(biāo)的依據(jù)。

1 實驗方法

某單位生產(chǎn)的冷凝器由于物料的特性和工況的原因，采用雙管板的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：鈦換熱管與鈦合金管板采用脹接加焊接的方式，其中內(nèi)管板采用強(qiáng)度脹，外管板采用貼脹+強(qiáng)度焊。換熱管頭焊接前，內(nèi)管板的脹接需經(jīng)氦檢漏試驗合格，最大泄漏率不大于1.0×10-6Pa·m3/s。

圖1 內(nèi)外管板脹管示意圖

1.1 檢測設(shè)備及參數(shù)

氦檢漏儀：型號ASM340；對氦氣的最小泄漏率，吸槍模式：5E-10Pa·m3/s。

標(biāo)準(zhǔn)漏孔：吸槍專用漏孔VTL-6C，漏率值：1.46E-6Pa·m3/s。真空泵、真空表、壓力表、閥門、氦氣、溫濕度計等。

檢測方法：吸槍積累檢漏模式，利用內(nèi)管板與外管板的密閉空間（直徑1 450、寬度25mm）作為剛性收集器。

1.2 檢測過程及結(jié)果

冷凝器內(nèi)管板脹接完成后，逐孔測量換熱管脹接處內(nèi)徑，確保所有脹管率合格；清理殼程側(cè)及兩端進(jìn)、出口側(cè)內(nèi)外管板間密閉腔，確保無可遮擋檢測的污物；清理設(shè)備表面的油漆、油脂、油污等可能遮蔽泄漏的污物，且要使設(shè)備內(nèi)部干燥。處理完成后將冷凝器放置于潔凈車間內(nèi)，通風(fēng)良好，環(huán)境溫度保持在5～40℃，相對濕度在50%～80%，現(xiàn)場無強(qiáng)烈電磁場無劇烈震動[2]。在對殼程側(cè)充氦氣前，如圖2所示；

圖2 冷凝器吸槍積累檢漏法示意圖

先對殼程（容積4.2m3）和進(jìn)、出口兩管板間密閉腔（容積分別0.03m3）抽真空，當(dāng)真空表表壓達(dá)到60kPa時，關(guān)閉真空泵，保持4h，當(dāng)真空表壓力值不低于30kPa時，向殼程側(cè)充入體積濃度為10 %的氦氮混合氣，壓力升至0.103MPa開始保壓[3]，在整個檢測期間需保持氣體壓力值不變。升壓前用膠帶密封內(nèi)管板上的兩個檢測孔。

用吸槍專用漏孔VTL-6C校核檢漏系統(tǒng)（氦檢儀、吸槍）的嗅測靈敏度，靈敏度不低于1.46×10-6Pa·m3/s。

在不同時間段，分別用吸槍插入兩端進(jìn)、出口側(cè)兩管板間的檢測孔內(nèi)，檢測密閉腔內(nèi)的氦氣泄漏量（密閉腔等同于“剛性收集室”），在檢測開始后，每隔2h校核一次檢漏系統(tǒng)的靈敏度，靈敏度不能低于1.46×10-6Pa·m3/s，否則重新檢漏。具體檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氦撿漏原始數(shù)據(jù)表

2 結(jié)果與分析

根據(jù)實驗過程、實驗結(jié)果結(jié)合平時工作經(jīng)驗分析，這種吸槍積累檢漏法檢測出的泄漏率數(shù)值并不是真正換熱管與管板脹接的泄漏率，實驗檢測數(shù)據(jù)受影響因素較多：氦檢的濃度、氦檢的壓力、氦檢的保壓時間、兩管板間密閉空間的體積、環(huán)境溫度等，具體關(guān)系如表2所示。

表2 氦檢靈敏度與影響因素關(guān)系表

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)有兩位研究者分別對這種吸槍積累檢漏法有明確的計算公式。下面結(jié)合這兩位研究者的相關(guān)研究結(jié)果加以分析：

2006年安豐華[4]總結(jié)出了以下公式：

保壓12h：

其中：G：氦氣瓶的壓力 MPa

p：混合氣的總壓力 MPa。

根據(jù)上述公式計算：將p=0.103MPa，G=12MPa，保壓12h的氦質(zhì)譜儀的漏率7.3×10-6Pa·m3/s帶入上述公式算。

經(jīng)計算，結(jié)果為6.3×10-8Pa·m3/s

此公式?jīng)]有考慮影響觀察到的氦質(zhì)譜儀顯示的泄漏率的諸多因素，僅考慮實驗壓力和氦氣瓶壓力，故計算結(jié)果僅供參考。

2017年， 眭霄翔等[5]詳細(xì)分析了影響檢測靈敏度的諸多因素，推導(dǎo)出了在泄漏率小于 1×10-7Pa·m3/s的前提下計算被檢容器漏點的泄漏率公式：

試驗檢測數(shù)據(jù)代入公式分別計算為：

出口側(cè)：Q0.5h=5.6×10-3Pa·m3/s 進(jìn)口側(cè)：

計算結(jié)果與實際實驗情況有較大的差距，可能不在此計算公式的適用范圍內(nèi)。根據(jù)不同泄漏實驗方法使用范圍和靈敏度比較，由于部分被檢容器不能將所有泄漏實驗方法都檢測一遍，導(dǎo)致計算泄漏率時，不知是否適用該計算公式。但通過考察計算公式偏離情況，結(jié)合實際情況驗證了出口側(cè)內(nèi)管板脹接泄漏率大于1×10-7Pa·m3/s，才導(dǎo)致該公式不適用。

3 討論

通過對實驗數(shù)據(jù)以及其他研究者研究成果的分析，目前還沒有精準(zhǔn)的計算公式可以全面地計算出被檢容器漏點的泄漏率。但是分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：內(nèi)外管板間密閉空間的容積為0.03m3，當(dāng)保壓時間到達(dá)3h以后，質(zhì)譜儀顯示數(shù)值變化不大（在一個數(shù)量級），結(jié)合多年工作經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)收集室的容積小于1m3時，保壓4h以上氦質(zhì)譜儀的顯示數(shù)值變化不大。在壓力容器行業(yè)中，實驗壓力、氦氣濃度以及保壓時間在標(biāo)準(zhǔn)圖紙技術(shù)協(xié)議中有明確要求，且成本和工期都需制造廠綜合考慮，實際工作中最常見的做法就是盡可能縮小“收集室”的容積，如檢查換熱器管頭角焊縫時，把換熱管分成若干容積小于1m3的“收集室”區(qū)域；或用鋁箔紙密封每根換熱管，使每根換熱管成為獨立的收集室。在此前提條件下可以近似認(rèn)為該漏點的泄漏率就是氦質(zhì)譜儀的顯示讀數(shù)。

4 結(jié)束語

在壓力容器行業(yè)中普遍使用氦質(zhì)譜吸槍積累檢漏法的基礎(chǔ)上，通過冷凝器內(nèi)管板脹接質(zhì)量的氦泄漏實驗，利用實驗數(shù)據(jù)驗證了其他研究者提出的計算公式是否適用，且利用實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出一種簡單直接讀取被檢容器漏點泄漏率的方法：當(dāng)被檢容器收集室的容積小于1m3時，且保壓時間不少于4h時，該被檢容器漏點的泄漏率約等于氦質(zhì)譜儀的顯示讀數(shù)。分析了影響檢測精度的主要因素，在條件允許的情況下，增加實驗壓力、提高氦氣濃度、延長保壓時間、縮小收集室容積。經(jīng)過多年的實驗驗證，該方法可作為壓力容器行業(yè)中的參考依據(jù)。