淺談高危介質(zhì)承壓裝置氣密性試驗(yàn)

【摘要】介紹了承壓裝置的氣壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)的概念，確定泄漏試驗(yàn)的方法，并對壓力測量、流量測量進(jìn)行了探討。對泄漏試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)人員有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】氣密性試驗(yàn);泄漏率;自動試驗(yàn)

引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種承壓裝置越來越多應(yīng)用于石油、燃?xì)夂秃穗姷刃袠I(yè)，但也對各種承壓裝置提出更高的要求。本文所述承壓裝置運(yùn)行條件是內(nèi)部裝有危險性介質(zhì)。

1、氣密性試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)的概念

承壓裝置制成后需進(jìn)行耐壓試驗(yàn)（液壓和氣壓），驗(yàn)證其是否具有在設(shè)計(jì)壓力下安全運(yùn)行所需的承壓能力，檢驗(yàn)其焊縫是否有潛在缺陷，耐壓試驗(yàn)合格后還需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，檢驗(yàn)其焊縫、可拆連接部件的致密性。

氣密性試驗(yàn)與氣壓試驗(yàn)是不一樣的。首先，它們的目的不同，氣密性試驗(yàn)是檢驗(yàn)承壓裝置的嚴(yán)密性，氣壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)承壓裝置的耐壓強(qiáng)度。其次試驗(yàn)壓力不同，氣密性試驗(yàn)壓力為裝置的設(shè)計(jì)壓力，氣壓試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.15倍。

氣密性試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)裝置內(nèi)部的各聯(lián)接部位是否有泄漏現(xiàn)象。對于內(nèi)部裝有危險性介質(zhì)的承壓裝置，必須進(jìn)行氣密試驗(yàn)，不允許有泄露。但密封是一個相對的概念，沒有絕對不泄漏的裝置。對于不同的應(yīng)用有不同的密封程度要求，因此必須首先確定氣密性試驗(yàn)的方法、試驗(yàn)壓力及允許的泄漏率。

2、氣密性試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)包括兩個數(shù)據(jù)：試驗(yàn)壓力和允許泄漏率。中心問題是：多大的泄漏率能保證裝置在工作條件下正常工作。允許泄漏率隨具體應(yīng)用而不同，它取決于很多因素。比如：裝置的材料、結(jié)構(gòu)及上述的實(shí)際工作狀態(tài)下的后續(xù)工作重點(diǎn)。同樣，裝置壁厚、表面狀態(tài)及疏松結(jié)構(gòu)（鑄造沙眼、裂隙）也起到關(guān)鍵作用。通常，允許泄漏率都要參考給定的試驗(yàn)壓力，而試驗(yàn)壓力模擬后續(xù)的工作狀態(tài)選擇，這就首先提出一個試驗(yàn)壓力等級的問題，其次是試驗(yàn)的方向。確定試驗(yàn)壓力時會遇到泄漏率與試驗(yàn)壓力的關(guān)系問題。疏松度高，泄漏率與試驗(yàn)壓力成正比;疏松度低，泄漏率與試驗(yàn)壓力之比變小（見圖1）。

以空氣為介質(zhì)的泄漏試驗(yàn)中（測量壓力或流量），泄漏率以標(biāo)準(zhǔn)cm3/min給出，如果用特殊氣體（比如氦氣），通常以102Pa 1/s表示，1 Std cm3/min=60×102Pa l/s。

要指出的是1 Std cm3/min是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃、1.013×105Pa）充滿1cm3的氣量。1Std cm3不是指三維測量，而是以三維尺寸表示的氣量。因此Std cm3/min表示的是質(zhì)量流量而不是體積流量。對于氣密性試驗(yàn)嚴(yán)格來講，如果泄漏率以Std cm3/min表示，則不論是用質(zhì)量流量法還是用壓力法測量，測量信號必須加以修正以消除大氣壓和環(huán)境溫度的影響。如果不這樣做，泄漏率應(yīng)以cm3/min或ml/min表示。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與試驗(yàn)狀態(tài)的平均差別在10%左右。

氣密性試驗(yàn)所用氣體應(yīng)當(dāng)為干燥潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w。批量生產(chǎn)中，以空氣為介質(zhì)的氣密性試驗(yàn)已被廣泛應(yīng)用。其原因是：①可靠性高;②客觀、定量地質(zhì)量表述;③試驗(yàn)時間短;④投資少、使用費(fèi)用低;⑤精度高;⑥不損傷裝置;⑦容易納入生產(chǎn)線中;⑧易于標(biāo)定;

鑒于如下領(lǐng)域的要求，空氣為介質(zhì)的氣密性試驗(yàn)將得到更為廣泛的應(yīng)用：①ISO9000要求;②產(chǎn)品質(zhì)量要求;③記錄、統(tǒng)計(jì)和分析的要求;④環(huán)保要求;⑤工廠設(shè)計(jì)。

3、氣密性試驗(yàn)方法

3.1 水下目測法。對于體積較小的承壓裝置，卻裝置內(nèi)部允許液體進(jìn)入，可侵入水中檢測。例如，在水下檢測時，空氣從裝置中滲出，在水中形成一個1mm大小的氣泡升出水面，每30秒出現(xiàn)了一個，則泄漏率為0.001cm3/min。假設(shè)試件是一個汽車輪胎（內(nèi)部容積約40升），這樣大的泄漏率相當(dāng)于在10年里壓力下降了104Pa，那么它被認(rèn)為是密封的，還是漏的呢？如果每3秒出現(xiàn)一個這么大的氣泡，相當(dāng)于0.01cm3/min泄漏率，在一年里壓力會下降104Pa，此時又應(yīng)被看作是漏還是不漏的呢？

當(dāng)提出“漏與不漏”的問題時，實(shí)際上是確定可允許的泄漏率，這樣當(dāng)裝置的泄漏率Vperml時則是漏的。在工業(yè)生產(chǎn)中確定允許泄漏率時，從經(jīng)濟(jì)角度考慮是關(guān)鍵，試驗(yàn)應(yīng)該是在必要條件下盡可能精確，而不是越精確越好。最終的允許泄漏率必須通過試驗(yàn)確定，在某些情況下，也可由經(jīng)驗(yàn)數(shù)值或推薦的數(shù)值來確定。

水下目測是一種相當(dāng)直觀的試驗(yàn)方法，可通過操作者仔細(xì)的觀察來實(shí)現(xiàn)。水下目測漏點(diǎn)直觀，價格便宜，另一個重要的優(yōu)勢在于檢測同時可確定泄漏部位。這種方法的缺點(diǎn)是，它取決操作者的水平（重復(fù)性低），節(jié)拍時間長，并會弄濕裝置，小泄漏在水下目測時不穩(wěn)定，隨時間而變化。因此，如果選擇水下目測法，就必須將這一問題考慮進(jìn)去。這些也是使用自動檢測儀的原因。

3.2 流量測量法。流量測量的測量信號與測試容積無關(guān)，不同于壓力測量中測量信號隨著測試容積的增大而減小。這在標(biāo)定時是個優(yōu)點(diǎn)，測量信號直接對應(yīng)于通過泄漏標(biāo)定儀的氣體流量，標(biāo)定過程中不再需要知道確切的測試容積，也不用考慮確定泄漏率。

體積流量法，一般不用于泄漏檢測而是用于流量控制中，如在用同樣的測量元件（差壓傳感器）進(jìn)行降壓法泄漏測試前，對氣體系統(tǒng)中的自由通道進(jìn)行流量監(jiān)控。

在質(zhì)量流量法中，測試信號不僅與測試容積無關(guān)且與測試壓力也無關(guān)，而是直接對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)泄漏率Std cm3/min，不象壓力法測量中要計(jì)算允許泄漏率。

3.3 壓力測量法。在工業(yè)氣密性試驗(yàn)中，壓力測量法是最常見的方法，在裝置容積腔小的情況下，可檢測到0.1cc/min或更小的泄漏率。

相對壓力或絕對壓力測量法具有試驗(yàn)單元集成化、測量系統(tǒng)自身容積最小的特點(diǎn)，且可靠性高、測量范圍寬。在試驗(yàn)壓力較高的情況下，差壓法測量的精度要高于絕對壓力法。

用壓力測量法進(jìn)行一個完整的氣密性試驗(yàn)包括四個階段：一、充氣階段;二、平衡階段;三、測量階段;四、排氣階段。

3.3.1 充氣階段。被測裝置按一定壓力進(jìn)行充氣，充氣何時結(jié)束，可由時間或壓力控制。通過充氣階段的壓力上升曲線可粗略地對被測容積加以估算，或者檢查儀器中與裝置相連的自檢閥是否處于“開”位置。

3.3.2 平衡階段。在這一階段檢測系統(tǒng)必須穩(wěn)定下來，充氣階段的波動必須停止，試驗(yàn)空氣的溫度變化也須消失，進(jìn)入裝置的氣體在充氣閥處膨脹并冷卻，而原先裝置中的空氣被壓縮并升溫，如圖2某裝置在四個氣密性試驗(yàn)階段的溫度曲線所示，后者在充氣階段占主導(dǎo)地位。

裝置內(nèi)部的壓力與溫度相同也在變化。如果要使一個泄露檢測儀指示為零，則需等到恒溫狀態(tài)，然而要達(dá)到“完全平衡”所需的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)比正常批量生產(chǎn)允許的節(jié)拍長。

有三種方法縮短平衡時間：①補(bǔ)償充氣——補(bǔ)償充氣指充氣階段以稍高于檢測壓力的氣壓充氣，到平衡階段降至檢測壓力，在這一膨脹過程中，被測腔內(nèi)的氣體冷卻，這樣即可對“不完全平衡”加以補(bǔ)償。對一個密封件來說，通過改變充氣壓力，即使在短暫的平衡后也可能獲得零指示，并且還可縮短充氣時間。②參考容器=被測容器——在差壓法泄漏檢測系統(tǒng)中，在參考側(cè)連接一個密封件，以便在充氣平衡階段壓力傳感器兩側(cè)具有相同的狀態(tài)，這樣可對消它們的影響。③提前測量時間——因?yàn)楂@得零指示并非泄漏試驗(yàn)的目的，所以最簡單的是通過提前測量階段來縮短平衡時間。平衡時間可以減少到測量階段前的系統(tǒng)狀態(tài)不再現(xiàn)為止。這樣，對于一個密封裝置，其測量結(jié)果可能不為“0”而為“X”。實(shí)際工作中，上述三種方法經(jīng)常一起使用。3.3.3 測量階段。被測裝置內(nèi)部空氣的滲漏將產(chǎn)生一個壓力降，這就可通過差壓傳感器測出相對于參考容器的壓力差，也可通過壓力傳感器測出壓力變化，測量方法見圖3所示。

充氣、平衡時間可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，但測量時間可用波義耳-瑪略特氣體方程計(jì)算出：P.V/T=常數(shù)

這里，我們假設(shè)測量過程中溫度不變，則方程變?yōu)椋篜.V=常數(shù)。

轉(zhuǎn)化成降壓法泄漏檢測的形式，方程變?yōu)椋篜1.Vt=P2.Vt+Pat.VL

式中：P1——測量階段開始時被測腔內(nèi)的壓力;P2——測量階段末被測腔內(nèi)的壓力;

Vt——被測腔容積;Pat——大氣壓;VL——泄漏的氣體體積（大氣壓下的體積）

測量階段的壓力變化ΔP=P1-P2

即，P2=P1-ΔP，測量過程的方程變?yōu)椋害.Vt=Pat.VL或者ΔP=Pat.VL/Vt

值得注意的是公式中沒有試驗(yàn)壓力，試驗(yàn)壓力對被測腔中的壓力變化無影響，即在相同泄漏率條件下，無論試驗(yàn)壓力是0.1MPa還是1MPa裝置中的壓力降是相同的。但是泄漏率隨著試驗(yàn)壓力升高而增大，試驗(yàn)壓力與泄漏率的關(guān)系見圖1。

4、結(jié)束語

大多壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中對氣密性試驗(yàn)的要求為裝置是否有泄漏現(xiàn)象，本文針對內(nèi)部裝有危險性介質(zhì)的承壓設(shè)備引入了泄漏率的概念及測量方法。對泄漏試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)人員有一定的參考價值。