承壓設(shè)備泄漏檢測(cè)方法綜述

秦先勇,沈功田,何仁洋 ,張 崢

(1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100013;2.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

一般而言,承壓設(shè)備是盛裝氣體、液化氣體、液體或氣液混合物介質(zhì),并承載一定壓力的密閉設(shè)備的統(tǒng)稱。但在工程中最常見的承壓設(shè)備主要是各類鍋爐、壓力容器(包括氣瓶)和壓力管道。因此,承壓設(shè)備為鍋爐、壓力容器(包括氣瓶)以及壓力管道的統(tǒng)稱[1]。承壓設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、制造和冶金等行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,對(duì)承壓設(shè)備的氣密性要求越來越高。因此,除了在承壓設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過程中應(yīng)采取有效措施,防止泄漏隱患外,在承壓設(shè)備的生產(chǎn)、組裝調(diào)試以及使用過程中,還要運(yùn)用有效的檢漏手段,將不允許存在的漏孔找出來,以便進(jìn)行修補(bǔ)。泄漏檢測(cè)在無損檢測(cè)行業(yè)中簡稱檢漏。承壓設(shè)備檢漏的任務(wù)主要包括[2]:①用適當(dāng)?shù)姆椒ㄑ杆倥袛喑袎涸O(shè)備是否發(fā)生泄漏。②測(cè)定漏孔漏率,確定它是否在允許漏率范圍之內(nèi)。 ③用適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ页雎┛椎拇_切位置,以便進(jìn)行修補(bǔ)。檢漏方法主要有以下要求:①檢漏靈敏度高。②反應(yīng)時(shí)間短。 ③能對(duì)漏孔進(jìn)行定位和定量。 ④能無損檢漏,即檢漏不需要破壞被檢設(shè)備原來的結(jié)構(gòu),也不致使被檢件受到污染。 ⑤穩(wěn)定性好,即足夠長的時(shí)間內(nèi)靈敏度穩(wěn)定可靠。 ⑥所用示漏物質(zhì)在空氣中含量低,無腐蝕作用,對(duì)人體無害,不堵塞漏孔。⑦檢漏范圍廣,即從大漏到小漏都能檢測(cè)。 ⑧檢漏儀器結(jié)構(gòu)簡單,啟動(dòng)快,操作維修方便。

筆者詳細(xì)介紹了氣泡檢漏法、氦質(zhì)譜檢漏法、鹵素檢漏法、熱導(dǎo)檢漏法、壓力變化檢漏法、聲波檢漏法以及氨檢漏法的檢漏原理、檢測(cè)方法、相關(guān)設(shè)備、靈敏度及適用范圍,并指出各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 氣泡檢漏法

氣泡檢漏的原理是當(dāng)漏孔兩側(cè)存在壓差時(shí),示漏氣體就通過漏孔從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)。如果在低壓側(cè)有顯示液體(如水、氟油或酒精等),漏孔處將有可能形成氣泡,從而顯示出漏率的大小及漏孔的位置。氣泡檢漏法可分為浸泡法和涂刷液體法。浸泡法適用于最大外形尺寸能允許浸沒在試驗(yàn)容器中的被檢件;涂刷液體法適用于任何能在漏孔兩側(cè)產(chǎn)生壓力差的被檢件,對(duì)于不宜采用浸泡法進(jìn)行氣泡檢漏的管路系統(tǒng)、壓力容器或大型設(shè)備都是適用的。

為了對(duì)被檢件作氣泡檢漏,就要使被檢件內(nèi)外產(chǎn)生壓差,主要有直接加壓法和真空罩法。直接加壓法是直接對(duì)被檢件充入干燥而清潔的示漏氣體來產(chǎn)生壓差;真空罩法是將示漏氣體封入被檢件中,然后將被檢件浸入到一個(gè)密封容器的顯示液中,將顯示液上部的空間抽成真空,從而使被檢件內(nèi)外產(chǎn)生壓差。常用的示漏氣體包括空氣和氮?dú)狻?/p>

檢漏設(shè)備包括加壓設(shè)備(空氣壓縮機(jī)、測(cè)壓設(shè)備、加壓管路和閥門等)、抽真空設(shè)備(真空泵、真空管路、真空閥門、真空表、真空檢漏容器和真空檢漏盒等)、檢漏工藝設(shè)備(堵蓋、堵帽、接頭、軟管和充氣控制臺(tái)等)、清洗烘干設(shè)備和觀察設(shè)備(照明燈具、光學(xué)觀察儀器及相機(jī)等)。

氣泡檢漏法由于具有操作簡單、檢測(cè)速度快和成本低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)精度要求不高的粗檢漏。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)漏孔的組件

2 氦質(zhì)譜檢漏法

質(zhì)譜檢漏儀通過其主要部件質(zhì)譜室,使不同質(zhì)量的氣體變成離子后在場(chǎng)中彼此分開,且僅能使某一種氣體的離子通過擋板上的狹縫而被接收極接收形成離子流,而其他離子不能進(jìn)入狹縫而被該擋板擋掉,使其不能到達(dá)接收極上去。檢測(cè)時(shí)用某種氣體噴吹漏孔,該種氣體便通過漏孔進(jìn)入檢漏儀,使檢漏儀中的指示儀表反映出來。由于只用氦氣作示漏氣體進(jìn)行檢漏,所以稱為氦質(zhì)譜檢漏。氦質(zhì)譜檢漏儀的最小可檢漏率達(dá)10-13～10-14Pa·m3/s。氦質(zhì)譜檢漏包括噴吹法、吸槍法、氦罩法、檢漏盒法和背壓法[3]。

氦質(zhì)譜檢漏儀主要由質(zhì)譜室、真空系統(tǒng)和電氣部分組成。氦質(zhì)譜檢漏要用到標(biāo)準(zhǔn)漏孔,標(biāo)準(zhǔn)漏孔是人為制造的一種具有已知的恒定漏率的裝置,是由氣室、漏孔元件、漏氣閥、充氣閥和連接件構(gòu)成,如圖1 所示。標(biāo)準(zhǔn)漏孔可分為滲透型標(biāo)準(zhǔn)漏孔和通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔兩大類。其中滲透型標(biāo)準(zhǔn)漏孔是利用某些物質(zhì)對(duì)某種氣體有高的滲透性這一特性而制造的。其漏孔元件由玻璃、塑料、合成橡膠和金屬等材料制造,一般只能允許一種或幾種氣體通過。而通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏孔元件是物理節(jié)流的漏氣通道,如金屬毛細(xì)管、拉伸的玻璃毛細(xì)管、金屬壓扁管、粉末燒結(jié)和微孔板等,所以又稱物理標(biāo)準(zhǔn)漏孔。通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔對(duì)所有氣體成分都能通過。

由于氦是惰性氣體,對(duì)大氣無污染,使用比較安全;而且氦的原子量小、粘度小,容易滲透任何可能存在的漏隙,檢測(cè)靈敏度高;但由于氦質(zhì)譜檢漏費(fèi)用高、操作技術(shù)要求較高,因此適用于對(duì)檢測(cè)靈敏度要求較高的場(chǎng)合[4]。

3 鹵素檢漏法

鹵素檢漏儀是利用鹵素氣體在高溫時(shí)分解產(chǎn)生正離子的性質(zhì)而制成的檢測(cè)儀器。金屬鉑在800 ～900 ℃溫度下會(huì)發(fā)生正離子發(fā)射,如送入清潔的被檢氣體(鹵素含量極低),只有少量離子流通過鉑電極,假如有鹵素氣體存在時(shí),正離子發(fā)射將加劇,因此電極間電阻降低,離子流增高,經(jīng)檢漏儀電流放大,用電表與聲響來指示鹵素氣體的泄漏。鹵素檢漏儀靈敏度可達(dá)l0-9Pa·m3/s。

鹵素檢漏儀由傳感器(鉑電極間熱式二極管)、測(cè)量線路(穩(wěn)壓器、直流放大器、音頻發(fā)生器和整流器等)和氣路三大部分組成。鹵素檢漏儀操作簡單、費(fèi)用低,能確定漏孔的大小和位置,適用于各種能密封的承壓設(shè)備。

4 熱導(dǎo)檢漏法

由于不同氣體的熱導(dǎo)率不同,氣體或混合氣體的熱導(dǎo)率會(huì)隨著氣體或混合氣體濃度的改變(如泄漏區(qū)域的示蹤氣體導(dǎo)入)而改變,其檢漏靈敏度可達(dá)10-6Pa·m3/s。理論上,除空氣以外的任意氣體都能用作示蹤氣體,能達(dá)到的靈敏度取決于氣體熱導(dǎo)率的相互差異程度(比如背景空氣和泄漏區(qū)域的示蹤氣體)。表1 列出了一些典型示蹤氣體,所用的示蹤氣體應(yīng)根據(jù)要求的測(cè)試靈敏度來選擇。熱導(dǎo)檢漏法是一種半定量分析技術(shù),用來檢測(cè)泄漏并確定其位置,不能定量分析。

表1 示蹤氣體

5 壓力變化檢漏法

壓力變化檢漏法按被檢件壓力變化形式,可分為升壓檢漏法和降壓檢漏法。壓力變化檢漏的靈敏度可達(dá)10-5Pa·m3/s,該方法適用于容積不大的可密封的承壓設(shè)備檢漏。

5.1 升壓檢漏法

將被檢件抽真空到一定壓力后,關(guān)閉閥門,將被檢件與泵隔開。由于被檢件漏氣,被檢件中的壓力將隨時(shí)間而上升,用相應(yīng)的真空表測(cè)出被檢件內(nèi)壓力隨時(shí)間的增大情況,就可以計(jì)算出總漏率。這種方法的檢漏靈敏度除了與容器本底壓力和真空表的靈敏度有關(guān)外,還與測(cè)量時(shí)間以及容器容積大小有關(guān)。本底壓力低,檢測(cè)時(shí)間長,容積小,檢漏靈敏度就高。

5.2 降壓檢漏法[5]

測(cè)試時(shí)對(duì)被檢件用干燥氮?dú)?或其他干燥氣體)通過充氣管道充到一定壓力(一般與被檢件的工作壓力一致)后,隔斷氣源,觀察被檢件內(nèi)壓力隨時(shí)間的下降情況。降壓法檢漏靈敏度和測(cè)壓設(shè)備的最小可檢壓力密切相關(guān)。如果不考慮溫度和出氣效應(yīng),從檢漏初始到終止時(shí),測(cè)量時(shí)間如果加長,就可以提高測(cè)試靈敏度,就可以提高測(cè)試靈敏度,但延長檢漏時(shí)間就會(huì)增加檢漏周期。當(dāng)溫度和壓力測(cè)試的精度越高,靈敏度越高,則漏率靈敏度也就越高,因此應(yīng)盡可能選擇分辨力和精度較高的溫度表和壓力表。

6 聲波檢漏法

6.1 聽音法

用耳朵、聽診器以及在耳朵和器壁之間采用定向的有聲接收器監(jiān)聽由漏孔產(chǎn)生的聲音信號(hào),這種方法的靈敏度低,漏孔產(chǎn)生的可聽聲音的大小以及環(huán)境噪聲信號(hào)的干擾都會(huì)影響探測(cè)結(jié)果。

6.2 超聲波定向探頭檢漏法

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中存在較大漏孔(10-3Pa·m3/s 以上)時(shí),氣體就會(huì)穿過漏孔形成湍流,這種湍流在漏孔附近產(chǎn)生頻率＞20 kHz 的連續(xù)寬帶超聲波,在空氣中傳播。氣體從漏孔中出來產(chǎn)生的超聲波的中心頻率為射流速度;d 為漏孔直徑;β 為系數(shù),一般取0.2)。射流速度ν與漏孔兩端壓差成正比,壓差變大且漏孔直徑變小,頻率峰值向高頻段移動(dòng)。發(fā)射的聲功率與ν的8 次方成正比,發(fā)射的聲壓衰減量與傳播距離成正比, 同時(shí)要考慮空氣的吸收。

超聲波檢漏儀采用一種定向的超聲波探頭,在離漏孔較遠(yuǎn)的地方(30 m)探測(cè)漏孔發(fā)出的超聲波信號(hào)。由于超聲波的方向性很強(qiáng),因此調(diào)整探頭的方向便可以找出輸出最大值,此時(shí)探頭所指的被檢件位置便為漏孔的位置。為了提高定向能力,探頭上可以安裝一個(gè)拋物面反射器,并且利用外差法將這種超聲波轉(zhuǎn)換成人耳能聽到的聲音,聲音的強(qiáng)度的變化由指示儀指示出來。檢漏儀具有固定波段頻率選擇模式,它通常設(shè)計(jì)成對(duì)30 ～40 kHz 信號(hào)頻率范圍有相應(yīng)。當(dāng)周圍環(huán)境噪聲較大時(shí),可以調(diào)整頻率,以減少噪聲的干擾。

6.3 超聲波接觸探頭檢漏法[6]

漏孔內(nèi)外存在較大壓差時(shí),氣體通過漏孔產(chǎn)生應(yīng)力波(固體聲波),這種應(yīng)立波通過漏孔所在系統(tǒng)的器壁以蘭姆波形式傳播。如果將聲發(fā)射換能器(接觸式探頭)置于器壁上,接收這種應(yīng)力波(聲能)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào),即可通過分析接收信號(hào)來確定漏孔是否存在。由于聲波的頻率很寬,因此檢漏儀必須對(duì)這些頻率有選擇性。直接與器壁耦合的接觸傳感器比利用超聲波定向裝置的間接的空氣耦合型傳感器的靈敏度高,因此,接觸傳感器與器壁之間的耦合非常重要。該方法可以檢測(cè)出40 kPa 壓差下＞25 μm 直徑的漏孔。

中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院與北京聲華興業(yè)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的埋地壓力管道泄漏點(diǎn)定位檢測(cè)儀能在管道0.4 M Pa 的壓力下及100 m 傳感器間距時(shí)探測(cè)到3 mm 孔的泄漏信號(hào)。該檢測(cè)儀包括傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、GPS 天線、CDM A 天線、充電器、計(jì)算機(jī)通訊、數(shù)據(jù)處理軟件和筆記本電腦等(圖2)。

圖2 埋地壓力管道泄漏點(diǎn)定位檢測(cè)儀

6.4 超聲波人造聲源檢漏法

當(dāng)容器內(nèi)沒有壓力時(shí)漏孔不會(huì)產(chǎn)生超聲波源,此時(shí)可將顫聲發(fā)生器放入容器內(nèi)部,發(fā)生器產(chǎn)生強(qiáng)烈的顫音脈沖信號(hào)(40 kHz)充滿容器, 并穿過漏孔。如果在容器外部用超聲波定向探頭檢漏儀的探頭進(jìn)行掃查,便可以檢測(cè)出聲波穿透點(diǎn),從而確定漏孔位置。

6.5 脈沖超聲波檢漏法

這種方法是利用高頻脈沖電路產(chǎn)生的高頻電壓(1.6 ～5 M Hz)加在脈沖超聲波探傷儀的換能器(接觸式探頭)的壓電晶片上發(fā)射的脈沖波在器壁內(nèi)傳播,當(dāng)超聲波遇到漏孔時(shí),超聲波能量的一部分與漏孔端部相互作用,在相當(dāng)大的角度范圍進(jìn)行散射,產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖超聲回波信號(hào),被探頭接收,并轉(zhuǎn)變成高頻脈沖電壓,輸入到儀器的接收示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上,在熒光屏的縱坐標(biāo)上顯示出來。移動(dòng)探頭使脈沖超聲波束射到漏孔的各個(gè)部位,根據(jù)漏孔進(jìn)口、出口以及漏孔中部的脈沖超聲回波信號(hào)大小和動(dòng)態(tài)波形,可以間接測(cè)出漏孔的漏率。用此方法較好地解決了較大容器(≥1 000 m3)的檢漏問題,檢出的最小漏率為10-7Pa·m3/s。

7 氨檢漏法[7]

將氨壓入被檢件,通過觀察覆在可疑表面上試紙或試布的顏色的改變來確定漏孔的位置。氨檢漏法使用場(chǎng)合同氣泡檢漏,但氨檢漏法比氣泡檢漏法的靈敏度要高,可達(dá)10-7Pa·m3/s。

氨檢漏法包括充入100%氨氣法、充入10%～30%氨氣法和充入1%氨氣法。充入100%氨氣法常用于被檢件的充氨空間不大、所充氨氣的壓力較低并能將其抽真空,真空度約為93.7 kPa 的情況下。充入10%～30%氨氣法常用于被檢件的充氨空間較大,且不易達(dá)到93.7 kPa 的真空情況下。充入1%氨氣法常用于被檢件的充氨空間大的情況。

8 小結(jié)

本文詳細(xì)介紹了承壓設(shè)備的各種泄漏檢測(cè)方法。氣泡檢漏法和聽音法用于檢測(cè)精度要求不高的粗檢漏;熱導(dǎo)檢漏法是一種半定量分析方法;氨檢漏法的應(yīng)用范圍與氣泡檢漏法相同;氦質(zhì)譜檢漏法可用于檢測(cè)精度要求較高的場(chǎng)合;超聲波接觸探頭檢漏法可用于埋地壓力管道的泄漏檢測(cè)。由于各種檢漏方法的靈敏度、適用范圍和對(duì)不同承壓設(shè)備的可操作性都不一樣,因此在對(duì)承壓設(shè)備檢漏過程中應(yīng)綜合考慮各因素選擇合適的檢漏方法。

[1] 王威強(qiáng), 吳俊飛.承壓設(shè)備安全技術(shù)與監(jiān)察管理[M] .北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2] 《國防科技工業(yè)無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì).泄漏檢測(cè)[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[3] 王利鳴, 王敏鴻.氦質(zhì)譜檢漏儀的靈敏度[J] .高能量密度物理, 2006(3):124-126.

[4] 蘇麗萍, 周偉明.關(guān)于真空容器檢漏方法的探討——以氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢漏方法[J] .化工裝備技術(shù), 2004,25(2):37-38.

[5] 閆榮鑫, 劉 平,馮 琪, 等.壓降檢漏法的影響因素及改進(jìn)措施[J] .中國空間科學(xué)技術(shù),2006(4):37-41.

[6] ASTM E1211-07 Standard Practice for Leak Detection and Location Using Surface-mounted Acoustic Emission Sensors[S] .

[7] HG 20584—1998 鋼制化工容器制造技術(shù)要求[S] .