氦质谱吸枪积累检漏法在压力容器中的应用

郗运富

（南京宝色股份公司，江苏南京 211100）

氦质谱检漏技术广泛应用于航空航天、核电、石油、化工设备检测。氦质谱检漏技术三种检测方法中的吸枪模式在压力容器中应用最为常见。吸枪模式中针对被检测位置区域，一般采用吸枪扫查被检测部位，扫查距离保持在3mm以内；扫查速率约3mm/s（不超过能检出标准漏孔泄漏的速度），扫查方向从被检工件的最下部开始，然后渐层向上[1]。这种扫查待检部位的方法对于较大工件，或被检测区域较大的设备并不适用，因为上述方法工作效率低下，且操作者的劳动强度大。压力容器中换热器的管板与换热管的角焊缝检测，现在各个压力容器制造厂都采用“非真空积累检漏法”，制作临时的“柔性收集室”，就是用柔性材料包裹管板，使管头角焊缝被罩住，形成密封空间，用吸枪检测柔性密闭空间充氦前、后氦质谱仪显示的泄漏率读数，据此读数判断管头角焊缝是否泄漏。这种方法虽能够识别管头焊缝是否泄漏，但不能全面准确地判断或通过计算判断泄漏率是否超标。本文通过一台冷凝器利用“刚性收集室”采用吸枪积累检漏法，对换热管与内管板强度胀接质量的检测实验，根据检测结果判断实测泄漏率是否超标的依据。

1 实验方法

某单位生产的冷凝器由于物料的特性和工况的原因，采用双管板的结构，如图1所示：钛换热管与钛合金管板采用胀接加焊接的方式，其中内管板采用强度胀，外管板采用贴胀+强度焊。换热管头焊接前，内管板的胀接需经氦检漏试验合格，最大泄漏率不大于1.0×10-6Pa·m3/s。

图1 内外管板胀管示意图

1.1 检测设备及参数

氦检漏仪：型号ASM340；对氦气的最小泄漏率，吸枪模式：5E-10Pa·m3/s。

标准漏孔：吸枪专用漏孔VTL-6C，漏率值：1.46E-6Pa·m3/s。真空泵、真空表、压力表、阀门、氦气、温湿度计等。

检测方法：吸枪积累检漏模式，利用内管板与外管板的密闭空间（直径1 450、宽度25mm）作为刚性收集器。

1.2 检测过程及结果

冷凝器内管板胀接完成后，逐孔测量换热管胀接处内径，确保所有胀管率合格；清理壳程侧及两端进、出口侧内外管板间密闭腔，确保无可遮挡检测的污物；清理设备表面的油漆、油脂、油污等可能遮蔽泄漏的污物，且要使设备内部干燥。处理完成后将冷凝器放置于洁净车间内，通风良好，环境温度保持在5～40℃，相对湿度在50%～80%，现场无强烈电磁场无剧烈震动[2]。在对壳程侧充氦气前，如图2所示；

图2 冷凝器吸枪积累检漏法示意图

先对壳程（容积4.2m3）和进、出口两管板间密闭腔（容积分别0.03m3）抽真空，当真空表表压达到60kPa时，关闭真空泵，保持4h，当真空表压力值不低于30kPa时，向壳程侧充入体积浓度为10 %的氦氮混合气，压力升至0.103MPa开始保压[3]，在整个检测期间需保持气体压力值不变。升压前用胶带密封内管板上的两个检测孔。

用吸枪专用漏孔VTL-6C校核检漏系统（氦检仪、吸枪）的嗅测灵敏度，灵敏度不低于1.46×10-6Pa·m3/s。

在不同时间段，分别用吸枪插入两端进、出口侧两管板间的检测孔内，检测密闭腔内的氦气泄漏量（密闭腔等同于“刚性收集室”），在检测开始后，每隔2h校核一次检漏系统的灵敏度，灵敏度不能低于1.46×10-6Pa·m3/s，否则重新检漏。具体检测数据如表1所示。

表1 氦捡漏原始数据表

2 结果与分析

根据实验过程、实验结果结合平时工作经验分析，这种吸枪积累检漏法检测出的泄漏率数值并不是真正换热管与管板胀接的泄漏率，实验检测数据受影响因素较多：氦检的浓度、氦检的压力、氦检的保压时间、两管板间密闭空间的体积、环境温度等，具体关系如表2所示。

表2 氦检灵敏度与影响因素关系表

查阅相关文献资料发现有两位研究者分别对这种吸枪积累检漏法有明确的计算公式。下面结合这两位研究者的相关研究结果加以分析：

2006年安丰华[4]总结出了以下公式：

保压12h：

其中：G：氦气瓶的压力 MPa

p：混合气的总压力 MPa。

根据上述公式计算：将p=0.103MPa，G=12MPa，保压12h的氦质谱仪的漏率7.3×10-6Pa·m3/s带入上述公式算。

经计算，结果为6.3×10-8Pa·m3/s

此公式没有考虑影响观察到的氦质谱仪显示的泄漏率的诸多因素，仅考虑实验压力和氦气瓶压力，故计算结果仅供参考。

2017年， 眭霄翔等[5]详细分析了影响检测灵敏度的诸多因素，推导出了在泄漏率小于 1×10-7Pa·m3/s的前提下计算被检容器漏点的泄漏率公式：

试验检测数据代入公式分别计算为：

出口侧：Q0.5h=5.6×10-3Pa·m3/s 进口侧：

计算结果与实际实验情况有较大的差距，可能不在此计算公式的适用范围内。根据不同泄漏实验方法使用范围和灵敏度比较，由于部分被检容器不能将所有泄漏实验方法都检测一遍，导致计算泄漏率时，不知是否适用该计算公式。但通过考察计算公式偏离情况，结合实际情况验证了出口侧内管板胀接泄漏率大于1×10-7Pa·m3/s，才导致该公式不适用。

3 讨论

通过对实验数据以及其他研究者研究成果的分析，目前还没有精准的计算公式可以全面地计算出被检容器漏点的泄漏率。但是分析实验数据发现：内外管板间密闭空间的容积为0.03m3，当保压时间到达3h以后，质谱仪显示数值变化不大（在一个数量级），结合多年工作经验总结发现，当收集室的容积小于1m3时，保压4h以上氦质谱仪的显示数值变化不大。在压力容器行业中，实验压力、氦气浓度以及保压时间在标准图纸技术协议中有明确要求，且成本和工期都需制造厂综合考虑，实际工作中最常见的做法就是尽可能缩小“收集室”的容积，如检查换热器管头角焊缝时，把换热管分成若干容积小于1m3的“收集室”区域；或用铝箔纸密封每根换热管，使每根换热管成为独立的收集室。在此前提条件下可以近似认为该漏点的泄漏率就是氦质谱仪的显示读数。

4 结束语

在压力容器行业中普遍使用氦质谱吸枪积累检漏法的基础上，通过冷凝器内管板胀接质量的氦泄漏实验，利用实验数据验证了其他研究者提出的计算公式是否适用，且利用实验数据总结出一种简单直接读取被检容器漏点泄漏率的方法：当被检容器收集室的容积小于1m3时，且保压时间不少于4h时，该被检容器漏点的泄漏率约等于氦质谱仪的显示读数。分析了影响检测精度的主要因素，在条件允许的情况下，增加实验压力、提高氦气浓度、延长保压时间、缩小收集室容积。经过多年的实验验证，该方法可作为压力容器行业中的参考依据。