SF6示蹤檢測(cè)大型容器的動(dòng)態(tài)泄漏

羊衍秋 楊通在 郝樊華 羅順忠 何玉暉 姜 濤 楊 亮

（中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

核材料在爆炸沖擊波作用下的物理性質(zhì)研究，一般需在密封性很好的容器內(nèi)進(jìn)行，以盡量降低放射性物質(zhì)(氣體或氣溶膠)泄漏對(duì)實(shí)驗(yàn)人員和環(huán)境的危害。密封容器投入使用前，需掌握其可能泄漏點(diǎn)的爆炸后泄漏率的動(dòng)態(tài)變化，確定實(shí)驗(yàn)密封點(diǎn)的密封情況，評(píng)估實(shí)驗(yàn)周邊環(huán)境狀況和工作人員接近容器進(jìn)行后續(xù)操作的時(shí)間等。

氣體示蹤技術(shù)是研究氣體運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量傳遞等規(guī)律的常用方法，廣泛應(yīng)用于大氣污染物擴(kuò)散和傳輸研究、建筑物通風(fēng)設(shè)計(jì)、泄漏檢測(cè)等領(lǐng)域[1]。示蹤劑選擇是泄漏檢測(cè)示蹤技術(shù)的前提，示蹤劑需滿足無毒、大氣本底低、分析靈敏度高、化學(xué)惰性等條件[2]。SF6的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，有較強(qiáng)的抗輻射能力(特別對(duì) α射線)、大氣本底較低、氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)器(GC-ECD)分析靈敏度高[3]，是優(yōu)良的非放射性氣體示蹤劑[3–6]。本文以 SF6為示蹤劑，檢測(cè)了炸藥在一 9 m3容積的實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)爆炸后，容器主要密封部位的泄漏率及其動(dòng)態(tài)變化。

1 泄漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 基本原理

圖1是被檢容器密封部位示意圖，各焊縫均已通過無損探傷，容器共有4個(gè)法蘭密封部位，1#部位為Φ600 mm入孔，其余為Φ300 mm的工藝口，均采用特制橡膠圈密封。實(shí)驗(yàn)前分析認(rèn)為，內(nèi)爆后泄漏主要在4個(gè)密封法蘭部位，故對(duì)它們作動(dòng)態(tài)密封性能考核。

SF6的熱分解溫度約為500℃, 炸藥起爆后容器內(nèi)的最高溫度可達(dá)上千度，示蹤劑大量分解。為獲得示蹤劑的泄漏率Qtracer(L/h)，需知爆后容器內(nèi)示蹤劑的存活率ρtracer。因此，在容器內(nèi)定量投放不會(huì)分解的第二示蹤劑Kr，采集爆后容器內(nèi)氣體，測(cè)定其SF6和Kr濃度，用下述方法確定泄漏示蹤劑的存活率及示蹤劑的剩余量Vtracer,A(L)。

圖1 動(dòng)態(tài)密封考核容器示意圖Fig.1 Schematics of the dynamic leakage test container.

設(shè)泄漏示蹤劑SF6的投放量為Vtracer(L)，Kr的投放量為VKr(L)。爆后容器內(nèi)示蹤劑濃度(體積分?jǐn)?shù))分別為φtracer和φKr；各示蹤劑的大氣本底分別為φtracer,B和φKr,B。

定義示蹤劑濃度系數(shù)η為投放單位體積示蹤劑引起容器內(nèi)示蹤劑濃度的增量。

則爆炸后泄漏示蹤劑存活率為：

控制示蹤劑投放量，使爆后容器內(nèi)示蹤劑濃度滿足φtracer>>φtracer,B，則式(2)可簡(jiǎn)化為：

SF6示蹤劑的剩余量為：

密封集氣室用高純氮?dú)馇逑春蠖砍淙塍w積為VN(L)的高純氮(99.999%)，測(cè)定示蹤劑本底為φtracer,0。以起爆時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，監(jiān)測(cè)不同時(shí)刻t密封集氣室內(nèi)示蹤劑體積分?jǐn)?shù)φtracer,t。則示蹤劑通過該泄漏點(diǎn)的泄漏量為：

示蹤劑泄漏率為

1.2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.2.1 示蹤劑投放

通過測(cè)算EVA，企業(yè)會(huì)優(yōu)化資產(chǎn)結(jié)構(gòu)，在財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下，合理有效地使用財(cái)務(wù)杠桿，維持有競(jìng)爭(zhēng)力的資本成本率，進(jìn)一步優(yōu)化資本結(jié)構(gòu)。

用玻璃瓶定量封裝示蹤劑SF6和Kr，放置在容器內(nèi)距離炸藥盡量遠(yuǎn)處，以減少SF6示蹤劑在炸藥起爆后的燃燒損失。

1.2.2 集氣室制作及清洗

分別用120#汽油、無水乙醇和丙酮清洗特定檢測(cè)點(diǎn)法蘭與容器連接段外表面，用電吹風(fēng)吹干。將POPP復(fù)合真空膜袋子用雙面膠小心粘在法蘭連接段上，并作密封處理。集氣室用高純氮?dú)夥磸?fù)清洗后，定量充入高純氮?dú)猓?0 min后采樣分析SF6本底，結(jié)果見表1。

1.2.3 樣品分析[7]

爆后容器內(nèi)SF6和Kr分析采用氣相色譜熱導(dǎo)檢測(cè)器分析，氦載氣；集氣室內(nèi)SF6濃度采用氣相色譜電子捕獲檢測(cè)器分析，氮載氣，外標(biāo)法定量。

表1 集氣室充入N2的體積及SF6本底Table 1 The nitrogen volume and background of tracer in the gas collectors.

2 結(jié)果與討論

2.1 示蹤劑存活率

Kr 和 SF6示蹤劑投放量Vtracer分別為 0.47和2.48 L，爆后采樣分析容器內(nèi)示蹤劑濃度，結(jié)果為：φKr=1.14×10–4，φtracer=2.75×10–5。示蹤劑 Kr的天然本底為 1.14×10–6，示蹤劑的濃度系數(shù)為 2.67×10–4L–1。由此，爆后容器內(nèi) SF6濃度為 1.34×10–5，SF6的大氣本底為5.0×10–12，滿足式(3)的條件。因此，爆后SF6示蹤劑的存活率為0.114，剩余量為Vrracer,A=283.7 mL。

2.2 泄漏檢測(cè)結(jié)果

爆后各集氣室示蹤劑濃度監(jiān)測(cè)時(shí)間為100 h (表2)。四監(jiān)測(cè)部位在爆后短時(shí)間內(nèi)就有氣體泄漏發(fā)生，說明炸藥爆炸沖擊波對(duì)密封部位的密封狀況存在影響。其中1#監(jiān)測(cè)部位的第一個(gè)數(shù)據(jù)比其余部位高一個(gè)量級(jí)，可能是1#部位的密封面較大的緣故。但總體來看，各部位泄漏率隨時(shí)間快速降低，說明氣體泄漏主要發(fā)生在炸藥起爆后短時(shí)間內(nèi)，炸藥爆炸沖擊波的作用是造成泄漏的主要原因，各監(jiān)測(cè)部位的密封材料和密封結(jié)構(gòu)基本沒遭到破壞，密封材料變形在彈性形變范圍內(nèi)，隨著沖擊波的衰減逐漸恢復(fù)。

表2 集氣室內(nèi)SF6監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 2 Detected φtracer,t of the gas collectors.

2.3 容器泄漏與時(shí)間的關(guān)系

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑相對(duì)泄漏率隨時(shí)間的變化Fig.2 The tracer leakage as a function of time.

3 結(jié)論

采用SF6示蹤技術(shù)成功檢測(cè)了大型容器在內(nèi)部炸藥爆炸后，各密封部位的動(dòng)態(tài)氣體泄漏率，考察了爆后容器的動(dòng)態(tài)密封狀態(tài)變化。

各密封部位的泄漏主要發(fā)生在爆后短時(shí)間內(nèi)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，各部位的泄漏率呈指數(shù)函數(shù)快速衰減，29 h后各檢測(cè)部位的泄漏率為 10–12–10–13L/h水平。

炸藥爆炸沖擊波的作用是造成泄漏的主要原因，各檢測(cè)部位的密封材料和密封結(jié)構(gòu)基本沒有遭到破壞，29 h后工作人員可以接近容器進(jìn)行后續(xù)處理操作。

1 羊衍秋, 楊通在, 邢丕峰. 氣候與環(huán)境研究, 2003, 8(4):485–494 YANG Yanqiu, YANG Tongzai, XING Pifeng. Clim Environ Res, 2003, 8(4): 485–494

2 Dietz R N. Gaseous-tracer technology and applications,BNL-33585, Upton, NY: Brookhaven National Laboratory,1983

3 Allwine K J, Lamb B K, Eskridge R. J Appl Meteorol,1992, 31: 1296–1311

4 酈桂芬, 彭楚淵, 施介寬. 環(huán)境科學(xué), 1986, 7(2): 18–22 LI Guifen, PENG Chuyuan, SHI Jiekuan. Environ Sci,1986, 7(2): 18–22

5 王景書, 余秀芬, 張永義, 等. 環(huán)境科學(xué), 1990, 11(4):65–69 WANG Jingshu, YU Xiufen, ZHANG Yongyi,et al.Environ Sci, 1990, 11(4): 65–69

6 朱 能, 田 哲, 王侃紅. 暖通空調(diào), 1999, 29(2): 58–62 ZHU Neng, TIAN Zhe, WANG Kanhong. Heat Vent Air Cond, 1999, 29(2): 58–62

7 羊衍秋, 何玉暉, 田 杰, 等. 色譜, 2007, 25(4):609–610 YANG Yanqiu, HE Yuhui, TIAN Jie,et al. Chin J Chromatogr, 2007, 25(4): 609–610