真空-氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)在真空絕熱深冷壓力容器制造中的應(yīng)用

張紅軍，侯 靜

(1.烏魯木齊市隆盛達(dá)環(huán)保科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830032；2.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，低溫液化氣體得到大量應(yīng)用，相應(yīng)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的需求量增大。人類社會(huì)對(duì)環(huán)境的要求,人們對(duì)綠色能源天然氣的需求量與日俱增。新疆的天然氣資源豐富、質(zhì)量?jī)?yōu)良、生產(chǎn)成本低,從而成為本地生產(chǎn)生活的主要能源；加之開始的煤改氣工程,使得天然氣的需求量進(jìn)一步加大。烏魯木齊市隆盛達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?目前正以年產(chǎn)百余臺(tái)真空絕熱深冷壓力容器及低溫液體運(yùn)輸罐車的速度,適應(yīng)著市場(chǎng)需要其中，真空及真空-氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)是真空絕熱深冷壓力容器制造中保證其質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)予重視。

1 真空的基本概念

真正的“真空”是不存在的。通常說的真空是低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。真空是用真空度來表達(dá)的，真空度是對(duì)氣體稀薄程度的客觀度量，常用氣體的壓強(qiáng)來衡量真空度的高低；壓強(qiáng)越高，真空度越低；壓強(qiáng)越低，真空度越高。對(duì)于真空區(qū)域的劃分，目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，常見的劃分方法見表1[1]。

表1 真空分類[1]

2 檢漏的基本概念

漏是客觀存在的，是絕對(duì)的；而不漏則是相對(duì)的。通常說的“不漏”，一般是指產(chǎn)品存在的漏孔的漏率遠(yuǎn)小于產(chǎn)品允許的漏率或儀器的最高靈敏度；它不會(huì)影響產(chǎn)品的使用效果。如果泄漏量過大，產(chǎn)品就無法正常使用，故須采用合適的檢漏方法，測(cè)量出產(chǎn)品在規(guī)定條件下的漏率，以保證產(chǎn)品的整體質(zhì)量[2]。

檢漏的目的是：用適當(dāng)?shù)姆椒ㄑ杆倥袛嗍欠衤?。確定漏率，以便確定是否在產(chǎn)品允許的范圍之內(nèi)。選擇適當(dāng)?shù)臋z漏方法，找出漏孔的確切位置，以便進(jìn)行修補(bǔ)。真空技術(shù)中用漏率表達(dá)漏孔的大小，而不以漏孔的幾何尺寸表述漏孔的大小。所謂漏率，是指規(guī)定條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過漏孔的氣體量。漏率的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位為Pa·m3/s。通常用的漏率單位為Torr（托）·L/s。因?yàn)?Torr=133 Pa，所以1 Torr·L/s=0.133 Pa·m3/s；1 Pa·m3/s=7.5 Torr·L/s。

影響漏孔漏率的主要因素：環(huán)境溫度、漏孔兩端的壓強(qiáng)、氣體的質(zhì)量。檢漏的方法，按被檢容器所處的狀態(tài)，分為：加壓檢漏法和真空檢漏法。我們用的氦質(zhì)譜檢漏法是真空檢漏法的一種。使用氦質(zhì)譜儀和氦氣顯示劑確定容器夾層及管線真空泄漏的位置和泄漏率。

3 真空絕熱深冷壓力容器的檢漏

1）真空絕熱深冷壓力容器，按照絕熱型式分為：高真空多層絕熱和真空粉末絕熱，其技術(shù)要求見表2與表3。不論哪種形式，都需確保夾層真空度，生產(chǎn)中的檢漏也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。（1）檢漏方法：氦質(zhì)譜檢漏是目前靈敏度最高的檢漏方法，但因氦質(zhì)譜室至少要在10-3Pa的高真空狀態(tài)下才能正常工作，這對(duì)大容器（容積大于1 m3）真空檢漏來講，要求被檢容器達(dá)到10-3Pa的真空度是極困難的。因此我們采用了逆擴(kuò)散氦質(zhì)譜檢漏的方法，被檢容器只需在10-1Pa的低真空狀態(tài)下就能完成真空檢漏，大大縮短了抽真空的時(shí)間，其優(yōu)越性就顯而易見。（2）檢漏原理：通常（正檢法）氦質(zhì)譜儀工作時(shí)，被檢容器和儀器質(zhì)譜室相接，被檢容器內(nèi)的氣體（含漏入的氦氣）由儀器真空機(jī)組抽吸，流經(jīng)質(zhì)譜室時(shí)，其中的氦被質(zhì)譜室檢出(見圖1)[3]。氦質(zhì)譜儀逆擴(kuò)散工作時(shí)，被檢容器處于真空機(jī)組低真空一側(cè)。高真空機(jī)組工作，質(zhì)譜室處于高真空狀態(tài)下（～10-4Pa）。被檢容器內(nèi)的氣體（含可能漏入的氦氣）在前級(jí)機(jī)械真空泵抽走的路途當(dāng)中，經(jīng)擴(kuò)散泵出口處（見圖2）有部分氦氣經(jīng)擴(kuò)泵逆向擴(kuò)散到氦質(zhì)譜室而被檢出。氦逆擴(kuò)散質(zhì)譜檢漏的機(jī)理是：根據(jù)擴(kuò)散泵對(duì)不同氣體分子有不同的抽速，被檢氣體分子越小，擴(kuò)散泵對(duì)它的壓縮比越小，對(duì)其抽速越低。已知氦的分子量很小，加之質(zhì)譜室殘留氣體中氦的分壓較低，這樣當(dāng)擴(kuò)散泵出口處氦分壓較高時(shí)，就構(gòu)成了氦逆擴(kuò)散的必要條件[4]。

表2 真空夾層漏率

表3 封結(jié)后真空度(推薦值)

圖1 正檢法氦質(zhì)譜檢漏氣體流向圖

圖2 逆擴(kuò)散氦質(zhì)譜檢漏氣體流向圖

2）檢漏的裝置與操作[5]：逆擴(kuò)散氦質(zhì)譜檢漏裝置，由氦質(zhì)樸檢漏儀、真空機(jī)組（輔助泵）、被檢容器、噴氦槍、標(biāo)準(zhǔn)漏孔、管路系統(tǒng)組成。（1） 為保證最大流量通過，盡可能使連接管線和軟管的長(zhǎng)度縮短及加大內(nèi)徑。質(zhì)譜儀必須在周圍溫度為5～40 ℃的環(huán)境下啟動(dòng)和操作。周圍溫度低于5 ℃將導(dǎo)致啟動(dòng)困難和校定不準(zhǔn)。泄漏率校定器（標(biāo)準(zhǔn)漏孔）極易受周圍溫度的影響，一般情況下，每攝氏度泄漏率變化約4%（較低溫度=較低泄漏率）。質(zhì)譜儀供電電壓必須在（220±0.1）V。檢漏前必須對(duì)檢漏儀進(jìn)行校定。先將帶有已知漏率的校定器（標(biāo)準(zhǔn)漏孔）直接接在檢漏儀入口上，關(guān)閉校定器閥，再將質(zhì)譜儀顯示器調(diào)節(jié)至零，打開校定器閥，后將質(zhì)譜儀顯示器調(diào)節(jié)至已知漏率，校定完成。（2）將被檢容器、真空機(jī)組、氦質(zhì)樸檢漏儀按圖3 連接，對(duì)容器進(jìn)行抽真空（閥A 開啟，閥B 關(guān)閉），直至真空度小于2.5 Pa 時(shí)，可以開始檢漏。先慢慢打開檢漏儀與容器之間的閥門（閥門B），直至全部開啟，再將檢漏儀調(diào)至最低可使用范圍。使用低氦氣流率的噴槍，對(duì)容器及管線所有可能泄漏的地方（比如各類焊接處及密封處）進(jìn)行噴氦。在此過程中，要注意檢漏儀顯示器。從被檢罐的最上部開始，逐步向下操作，若有泄漏，檢漏儀讀數(shù)會(huì)增大，并會(huì)報(bào)警。對(duì)有泄露處做出標(biāo)記，經(jīng)返修后再進(jìn)行檢漏；若不漏，則檢漏工序完成。（3）注意事項(xiàng)：檢漏過程中要經(jīng)常校準(zhǔn)儀器的靈敏度，監(jiān)視氦峰的位置。由于氦氣比空氣輕，要注意檢漏順序，應(yīng)先檢被檢罐的上部、后再檢下部；并應(yīng)先從靠近檢漏儀的部分開始，由近而遠(yuǎn)進(jìn)行。氦檢漏工作區(qū)域的空氣流動(dòng)必須保持最低程度，避免有風(fēng)使氦氣飄移而降低氦檢漏的靈敏度。每臺(tái)容器檢漏的間隙之時(shí)，應(yīng)對(duì)檢漏工作區(qū)域強(qiáng)制通風(fēng)，使氦氣無法大量囤積、造成檢漏儀本底過高，從而影響氦檢漏的靈敏度。

圖3 低溫絕熱壓力容器用逆擴(kuò)散氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過多年的生產(chǎn)、實(shí)踐、產(chǎn)品使用過程中的跟蹤檢定，我們認(rèn)為采用氦質(zhì)譜檢漏儀逆擴(kuò)散檢漏法，對(duì)真空絕熱深冷壓力容器的內(nèi)容器及夾層漏率檢測(cè)，完全達(dá)到了產(chǎn)品漏率10-7Pa·L/s數(shù)量級(jí)的要求。此項(xiàng)技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、防止使用隱患的最有效技術(shù)。再者，由于被檢產(chǎn)品預(yù)抽真空度不高，大大減輕了容器抽空的工作量，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。今后我們還將繼續(xù)使用并發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)，使其在生產(chǎn)生活中發(fā)揮更大作用。

[1] 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 第3 版. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[2] 周小弟.真空與檢漏技術(shù)[M]. 北京：北京中科儀出版社，2000.

[3] 周小弟.檢漏技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用[M].北京：北京中科儀出版社，2001.

[4] 周小弟.檢漏技術(shù)在制冷、低溫容器（大容器）制造業(yè)中的應(yīng)用[M]．北京：北京中科儀出版社，2001.

[5] 中國(guó)真空學(xué)術(shù)委員會(huì).GB/T 18442—2011 固定式真空絕熱深冷壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.