針對管殼式換熱器的新型泄漏檢測工藝研究

周 濤 袁會勇 柏佳磊 孫文彬

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

泄漏檢測主要是為保證承壓部件或真空環境下工作的設備、系統等安全運行而進行的檢測工作。常規的泄漏檢測技術包括目視檢測法[1]、壓力變更法、正壓吸槍法[2]及真空噴氦法[3]。這些方法在使用過程中均有不同程度的缺陷。例如目視法只能檢測出比較明顯的缺陷和較大的泄漏；氦檢漏對整裝設備來說存在邊界隔離困難的問題；壓力變更法靈敏度不高且觀察現象不明顯，容易漏檢、誤檢且效率較低。

總之這些方法或多或少都具有比較明顯的應用限制條件。該文針對管殼式換熱器，提出了一種適用于管殼式換熱器的多管束集中檢測的真空氣泡水法查漏方式，具有檢測效率高、可視化程度高和結果直接明顯等優點。在現場實際測試過程中，該方法大幅度提高了現場檢測速度，檢測結果明顯，展現了良好的應用前景，為后續的進一步開發打下了堅實的技術基礎。

1 原理及特點

1.1 技術原理

真空氣泡水法的技術原理主要基于負壓特性，通過主動建立檢測系統的壓差，對泄漏點進行檢測和感知。如圖1所示，當傳熱管充滿水時，如果不存在泄漏，管內處于穩定狀態，水流不會發生任何變化；如果管束中某根傳熱管存在漏點，由于整體處于真空狀態，管外的氣體會持續泄漏進管內，導致內部流體的穩定狀態遭到破壞，因此流體流型開始產生差異[4-5]。以U 型管為例，當存在外界氣體泄漏進管內時，密閉空間內構成氣液兩相流動，水平方向產生多種流型（分層流、波狀流和氣泡流等），相互產生影響，滑移速度出現差異性，最終泄漏進管內的氣體逐漸形成氣泡、聚集并發生定向移動。豎直方向上由于自身存在重力作用，同時氣水兩相密度不同，因此導致氣泡的運動行為受到影響，加劇了這種運動行為。經過時間積累后，由于真空邊界的影響，形成的氣泡會逐漸運動到傳熱管管束管板處，因此會形成連續不斷的“起泡”現象。

圖1 真空氣泡水法原理簡圖

1.2 實現方式

真空氣泡水法的整個實現過程如下：采用透明隔罩對被檢系統進行邊界隔離，抽真空至極限，然后注水。當系統內存在漏點時，外界的氣體會因壓力梯度作用而被“吸入”系統內，隨著真空作用向透明隔罩方向運動，最終在其表面形成連續不斷的氣泡。因此，在技術方面有2個核心問題需要解決：1）如何高效建立系統真空，同時保證進行注水時不破壞系統的真空度，也不會因為介質倒流而損壞真空泵等設備。2）采取何種方法對最終的泄漏結果進行判別。例如由真空度變化導致水中溶解氣體析出形成氣泡的這種狀態就會對存在的真實泄漏形成干擾，從而影響判斷。因此，該文對這2 個方面進行研究。

1.2.1 真空建立及維持

在管內存在介質的情況下進行抽真空，會存在“倒吸”的問題，導致設備損壞。因此，在試驗過程中采取了“先抽真空，再注水的方式”進行解決。當真空度建立后，切換抽氣和注水閥，在真空狀態下進行注水操作。在邊界隔離方面，將抽真空的氣口盡量設置在透明隔罩的上側，以盡可能減少介質被吸入后端的可能性。同時在真空泵與系統中間設置汽水分離裝置，這樣即使注入系統的介質被抽至后端，也可被汽水分離裝置分離。當全部工作完成后，由于系統內已建立極高真空，因此在不受其他過強外力干擾時可維持真空狀態。

1.2.2 泄漏結果的判別

該文對最終泄漏結果的判別，進行了數次試驗測試。當測試系統不加裝外置漏孔（系統無泄漏）時，在最初的注水完成階段也會觀察到存在間隔的氣泡產生，但存在時間極短且數量少，經過5min 的時間間隔后，系統處于穩定狀態，將不再產生氣泡。對測試系統加裝1×10-2Pa·m3/s再進行試驗，發現系統穩定后會隨著固定的時間間隔生產大量的連續氣泡，存在狀態明顯、在不主動破壞系統真空度的情況下，生成氣泡的狀態會持續存在，不會消失。因此，在實際檢驗過程中可適當延長檢測時間，以排除氣體溶解析出形成的氣泡對系統造成的判斷干擾。

1.3 技術特點

由于該方法最終將“是否可產生連續氣泡”作為判別泄漏的方式，基于該特點，在傳熱管邊界的封堵上通常需要采用可視化工裝（如透明真空罩）。在檢測過程中需要依靠人力將真空罩“緊貼”在傳熱管管板上，一方面需要保證不會影響對傳熱管壁面產生的連續氣泡的觀測，另一方面又需要保證工裝的強度。關于材料強度，既要保證工裝的密封性，又要保證不會在高真空的狀態下發生變形、破裂。同時，真空罩和壁面的接觸材料也需要受到限制，防止其對管板材料造成腐蝕甚至損害。

2 工藝系統及檢測流程

2.1 工藝系統

該方法涉及的工藝系統如圖2所示。整個工藝系統包括4 個模塊，模塊之間功能相互獨立，互不影響。根據實際情況，4 個模塊可以酌情進行具體設備的調整，以適用于現場應用環境。

圖2 真空氣泡水法檢測工藝系統圖

2.1.1 穩壓模塊

穩壓模塊主要負責系統真空度的建立并維持穩定。在檢測過程中，如果真空狀態遭到破壞會造成系統內介質逸出，從而導致檢測靈敏度降低，嚴重者會損壞檢測設備。為了避免該情況發生，通常考慮設置汽水分離裝置，以防止液體倒灌損害真空設備。該模塊主要設備包括真空泵、汽水分離器和壓力監測器等。

2.1.2 蓄水模塊

蓄水模塊主要負責提供檢測所需的循環水及相關控制系統，負責介質的引入及回收。為了避免水流瞬時沖擊作用導致管板避免破損及建立的真空遭到破壞，通常需要針對注水速率進行控制。該模塊主要設備包括收集罐、水泵、流量控制器及進出水控制閥。

2.1.3 真空氣泡檢測模塊

真空氣泡檢測模塊是整個工藝系統的核心模塊，也是整個檢測系統的主體，由一對透明真空罩和被檢管束組成，真空罩形狀可根據實際管板進行針對性定制，表明有進出注水及抽真空口。在實際應用中，U 型管板存在邊界對不準導致密封失效的問題，因此在真空罩上設計了定位堵頭，方便進行定位安裝。

2.1.4 校準模塊

校準模塊用于標定整個檢測系統的靈敏度及準確度。當系統不存在漏點時，可通過校準模塊判斷是否是檢測裝備功能失效導致漏檢，還是本身不存在泄漏狀態。該模塊主要設備包括標準漏孔及控制閥。

2.2 檢測流程

真空氣泡水法檢測流程如圖3所示。

圖3 真空氣泡水法檢測流程圖

檢測具體實施步驟如下：1）檢測系統連接。在被檢管束管板安裝檢測裝置，同時按照圖2 連接檢測系統。2）建立真空度。當系統連接完成并檢查無誤后，對整個系統進行抽真空操作并確認符合要求。如果無法達到要求，則進行系統連接檢查并確認覆蓋管束是否對齊，修正后再次進行此步操作。3）注水。當系統真空度達到要求后，對系統進行注水操作以建立可檢測環境。中間需要控制注水流量，防止水流沖擊真空板導致系統真空度被破壞。4）連接檢測標定系統。

當系統注水完成且達到穩態后，連接漏孔標定系統以進行系統靈敏度及準確度驗證，觀察到明顯現象時記錄反應時間。如果無法觀察到對應現象，則重復前步操作進行檢查分析。5）維持狀態。將校準模塊控制閥關閉，以標定狀態下的5 倍反應時間作為常規檢測系統的觀察時間。如果觀察到對應管板管口存在產生連續氣泡的現象，則認定該根傳熱管存在泄漏情況，并做好相關位置記錄，認定不合格；如果無現象產生，則認定傳熱管管束無問題，記錄合格，進行后續操作。6）泄壓。對整個檢測系統進行閥門泄壓操作，將負壓環境緩慢恢復至常壓狀態。7）排水。打開系統排水閥，將系統內的水排至外界，拆卸檢測裝置，進行下一組檢測準備。

3 檢測案例

按照上述方法對某核電廠管殼式換熱器進行系統泄漏檢測，完成了3 臺管殼式換熱器傳熱管及管板焊縫的泄漏檢測試驗。

采用真空氣泡水法進行檢測，預裝檢測系統可單次覆蓋傳熱管120 根。試驗開始后，先將系統真空度抽至0.08MPa，隨后向系統傳熱管內注滿水并進行預檢。在加裝10-2Pa·m3/s 的漏孔后，經過5min 的反應時間，漏孔對應傳熱管管口開始產生連續氣泡，驗證成功。經計算，每組試驗選擇10min 作為系統監測穩定時間。

在對每臺管殼式換熱器進行15 組的試驗中，未發現存在泄漏狀況的傳熱管。在每組標定試驗中，加裝10-2Pa·m3/s 的漏孔后均可在管板處觀察到明顯的連續氣泡現象，證明了該方法具備可行性。

4 小結

首先，檢測工藝直接、高效。當被檢傳熱管兩端區域能夠匹配后，整個系統可迅速啟動工作，可快速完成檢測任務。

其次，結果直觀。傳熱管發生泄漏時，會在水中形成氣泡并被直接觀察到，易于判別。

再次，檢測效率高。該方法可同時對數根傳熱管（根據傳熱管內徑大小，幾十到上百不等）同時進行檢測，檢測效率大幅提高。系統檢測介質采用低加同源介質，不受環境限制，使用范圍廣且可兼容性強。

從次，靈敏度高。采用經校準的標準漏孔進行試驗，真空氣泡水法可有效檢測出10-2Pa·m3/s，當建立足夠的條件后，靈敏度甚至可達10-4Pa·m3/s。

最后，可進行定位半定量測量。當補充特殊的檢測工藝后，可以對傳熱管的泄漏點進行定位以及半定量測定。

5 結語

該文提出了一種針對管殼式換熱器的新型泄漏檢測工藝。真空氣泡水法雖然具有單次檢測效率高、檢測結果直觀明顯和工藝流程簡單等優點，但也存在較多不足之處，需要進行改進開發。例如其需要水作為檢測介質，而對管殼式換熱器這一類管殼式換熱器來說，其傳熱管眾多且管程較長，對水的用量很大且回收難度很高。不同加熱器的管板及管徑均有所區別，需要開發一款可通用的真空罩可大幅度縮減由不同尺寸換熱器帶來的耗材成本。同時，對檢測結果，如何能進行定量測量是未來值得進行技術突破的難點。綜上所述，該文方法具有較廣的應用前景，但對不足之處還需要進行后續研究、技術升級和突破，如何實現自動化檢測將會是一個重要的研究方向。