氦氣檢漏技術(shù)及其在核電管道工程中的應(yīng)用

楊明山

摘 要：核電工程工藝復(fù)雜、對(duì)放射性物質(zhì)釋放控制極其嚴(yán)格，在核級(jí)管道工程中采用氦氣檢漏技術(shù)能夠準(zhǔn)確有效的檢測(cè)工藝系統(tǒng)嚴(yán)密性，從而保障核電安全運(yùn)行與人們的健康。本文重點(diǎn)介紹了氦氣檢漏技術(shù)的正壓吸槍法、正壓氦罩法、真空噴氦法和真空氦罩法的檢測(cè)工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇正壓吸槍法和真空噴氦法對(duì)在核電管道工程泄漏性檢測(cè)中如何應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：氦氣檢漏技術(shù)；核電；管道工程

中圖分類號(hào)： TL4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）25-67-2

0 引言

核電工程工藝復(fù)雜、系統(tǒng)繁多，對(duì)放射性物質(zhì)釋放量控制極其嚴(yán)格，其中核級(jí)管道系統(tǒng)安裝質(zhì)量直接關(guān)系到核電站的安全運(yùn)行與人們的健康，在其安裝完成后需要進(jìn)行泄露性檢測(cè)，以發(fā)現(xiàn)可能存在的微小泄漏，以保證工藝系統(tǒng)在運(yùn)行期間的嚴(yán)密性。氦氣檢漏技術(shù)以氦氣作為示蹤氣體的無損檢測(cè)技術(shù)，相較于其他檢漏技術(shù)具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，檢測(cè)靈敏度可以高達(dá)10-12Pa.m3/s，響應(yīng)時(shí)間可以縮短至3秒；此外，氦氣還具有無毒、無破壞性和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，應(yīng)用可靠安全。因此，氦氣檢漏技術(shù)非常適用于核電工程管道系統(tǒng)的泄漏性檢測(cè)。

1 氦氣檢漏技術(shù)的主要方法

氦氣檢漏技術(shù)由于應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用對(duì)象不同，其分類方式也有所不同，按照檢測(cè)過程中氦氣的流向可劃分為正壓法檢漏和真空法檢漏，現(xiàn)分別介紹如下：

1.1 正壓法檢漏

正壓法是對(duì)被檢對(duì)象內(nèi)充入一定壓力的氦氣或氦氣混合氣體（一般以氮?dú)庾鳛榛旌铣煞郑诒粰z對(duì)象內(nèi)外形成壓差，當(dāng)被檢對(duì)象表面存在漏孔或縫隙時(shí)，氦氣就會(huì)在壓差的條件下通過漏孔或縫隙進(jìn)入被檢對(duì)象外表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢對(duì)象的泄漏檢測(cè)。按照泄漏氦氣收集方式的不同，正壓法又可分為正壓吸槍法和正壓氦罩法。

①正壓吸槍法

正壓吸槍法采用檢漏儀吸槍對(duì)被檢對(duì)象外表面直接進(jìn)行掃查，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏部位的精確定位，如圖1所示。該方法是一種即可以定性又可以定位的方法，檢測(cè)靈敏度高、操作簡(jiǎn)單，適用于大型設(shè)備或系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)。

②正壓氦罩法

正壓氦罩法采用一個(gè)密閉的箱體將被檢對(duì)象整體罩起來，然后使用檢漏儀吸槍測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)氦罩內(nèi)氦氣濃度變化量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢對(duì)象漏率的精確測(cè)量，如圖2所示。氦罩累積法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小泄漏的檢測(cè)，但對(duì)于檢測(cè)部位較多則無法同時(shí)對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行定位，比較使用于單一設(shè)備且表面積不大的被檢對(duì)象。

1.2 真空法檢漏

真空法是利用真空泵將被檢對(duì)象內(nèi)部抽成真空，然后在被檢對(duì)象外表面施加氦氣，當(dāng)被檢對(duì)象表面有漏孔時(shí)，氦氣就會(huì)通過漏孔進(jìn)入被檢對(duì)象內(nèi)部，再進(jìn)入氦質(zhì)譜檢漏儀，從而實(shí)現(xiàn)被檢對(duì)象泄漏檢測(cè)。按照施加氦氣方法的不同，可以將真空法分為真空噴氦法和真空氦罩法。

①真空噴氦法

真空噴氦法采用噴槍向被檢對(duì)象外表面噴吹氦氣，可以實(shí)現(xiàn)漏孔的精確定位，如圖3所示。該方法是一種定性檢測(cè)技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，可以檢測(cè)復(fù)雜和大型設(shè)備。

②真空氦罩法

真空氦罩法采用一個(gè)密閉的箱體將罩將被檢對(duì)象整體罩起來，在罩內(nèi)充滿一定濃度的氦氣，可以實(shí)現(xiàn)被檢對(duì)象總漏率的測(cè)量，如圖4所示。該方法可以直接測(cè)定被檢對(duì)象的泄漏情況，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏位置的準(zhǔn)確定位。

2 氦氣泄漏技術(shù)在核電管道工程中的應(yīng)用

構(gòu)成核電工藝系統(tǒng)的管道工程長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬米，而其中的核級(jí)管道系統(tǒng)由于關(guān)乎核電的運(yùn)行安全，其施工質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，管道系統(tǒng)中的焊口、閥門填料函、儀表接口、設(shè)備接口、法蘭連接處是最易出現(xiàn)泄漏的位置，而常規(guī)的氣壓試驗(yàn)或水壓試驗(yàn)手段，對(duì)于微小的泄漏往往難以發(fā)現(xiàn)，氦氣作為示蹤氣體具有極高的靈敏度且具有無腐蝕的特點(diǎn)，氦氣檢漏技術(shù)為核電工藝系統(tǒng)的泄露性檢測(cè)提供了更為可靠的無損檢測(cè)手段?，F(xiàn)針對(duì)其具體的檢測(cè)方法應(yīng)用予以闡述。

2.1 檢測(cè)方法選擇

核電管道工程中的氦氣檢漏方法，考慮到管道系統(tǒng)分布廣、檢測(cè)點(diǎn)繁多，可主要選擇正壓吸槍法和真空噴氦法。在對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行氦氣檢漏前，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行充壓或抽真空，然后使用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 檢測(cè)先決條件

①檢測(cè)人員

負(fù)責(zé)氦氣檢漏工作的人員應(yīng)按《民用核安全設(shè)備無損檢驗(yàn)人員資格管理規(guī)定》（HAF602）的要求通過培訓(xùn)、考核并確定相應(yīng)的資格。取得1級(jí)檢測(cè)資格的人員只允許實(shí)施檢測(cè)操作（不包括判定），取得2級(jí)資格以上的人員允許檢測(cè)的實(shí)施以及檢測(cè)結(jié)果判定與編寫報(bào)告。

②檢驗(yàn)設(shè)備

用于檢測(cè)的氦氣質(zhì)譜儀、計(jì)量器具和儀器等應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定且合格；確定好參考漏孔的安裝部位，并將標(biāo)準(zhǔn)漏孔盡可能地安裝在測(cè)試回路中對(duì)檢漏儀響應(yīng)最不利的部位。

③檢測(cè)氣體

示蹤氣體采用工業(yè)氦氣，符合GB4844.2-1995，純度≥99.99%；用于混合的氣體采用工業(yè)氮?dú)?，符合GB/T8979-2008，純度≥99.99%。

④檢測(cè)環(huán)境

檢漏儀工作條件應(yīng)滿足溫度5℃～35℃、濕度≤80%，附件無強(qiáng)電磁場(chǎng)、無劇烈震動(dòng)、無腐蝕氣體，被檢管道系統(tǒng)的內(nèi)外表面均應(yīng)清洗、除油脂、并充分干燥與清潔，確保無妨礙檢測(cè)準(zhǔn)確度的污物。

⑤被檢管道系統(tǒng)

被檢管道系統(tǒng)的管道及其組成件全部按設(shè)計(jì)文件完成安裝并驗(yàn)收合格；常規(guī)的管道系統(tǒng)壓力試壓合格并完成系統(tǒng)吹掃。將被檢管道系統(tǒng)的開口處及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)和測(cè)量裝置使用閥門或盲板封堵，密封用材料應(yīng)不含示蹤氣體。

⑥檢測(cè)工作文件

檢測(cè)前應(yīng)編制相應(yīng)的技術(shù)方案，明確被檢管道系統(tǒng)邊界、系統(tǒng)流程、封堵措施、檢測(cè)方法、檢測(cè)步驟與合格標(biāo)準(zhǔn)等；同時(shí)還應(yīng)編制用于控制檢測(cè)工作開展的質(zhì)量計(jì)劃，使檢測(cè)過程與結(jié)果處于受控。

2.3 正壓吸槍法檢測(cè)方法

①系統(tǒng)充壓

首次充壓之前，應(yīng)對(duì)管道系統(tǒng)部分抽真空，以盡可能去除管道內(nèi)殘余的水分和雜質(zhì)氣體。然后采用氦氣-氮?dú)饣旌蠚怏w作為加壓氣體，氦氣的濃度在設(shè)計(jì)壓力下的體積百分比應(yīng)不低于10%，充氣壓力為被檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。

向管道系統(tǒng)加壓時(shí)應(yīng)逐級(jí)緩慢升壓，首先向系統(tǒng)逐步通入體積百分比至少10%的純氦氣，氦氣達(dá)到預(yù)定量后，再逐步充入氮?dú)庵敝猎囼?yàn)壓力，然后保壓時(shí)間至少30min以上。

②儀器校準(zhǔn)

在將氦質(zhì)譜檢漏儀吸槍與儀器連接后、進(jìn)行檢測(cè)前的系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)將吸槍嘴在校準(zhǔn)漏孔上掃查。掃查時(shí)，吸槍嘴與標(biāo)準(zhǔn)漏孔應(yīng)保持3mm以內(nèi)，對(duì)被檢系統(tǒng)的掃查速率不應(yīng)超過能檢出標(biāo)準(zhǔn)漏孔泄露的速率。

在系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)觀察出現(xiàn)一個(gè)指示信號(hào)以及使儀器輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間，通常希望這個(gè)時(shí)間盡可能短，以減少確定泄露位置所需的時(shí)間。

③泄漏檢測(cè)

檢測(cè)場(chǎng)所應(yīng)避免過度通風(fēng)而使檢測(cè)所要求的靈敏度降低。檢測(cè)時(shí)使用噴槍嘴對(duì)被檢表面進(jìn)行掃查，距離保持在6mm以內(nèi)，如果系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)采用更小的距離，則掃查時(shí)的距離不小于該距離。

檢測(cè)時(shí)，應(yīng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的所有管線和設(shè)備，包括設(shè)備法蘭連接區(qū)、閥門填料函、螺紋連接處、排氣閥、儀表管、管道焊縫等所有密封點(diǎn)。

計(jì)算被檢位置的漏率Q，小于設(shè)計(jì)容許的最大漏率，則該區(qū)域認(rèn)定為合格；否則，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記返修。

2.4 真空噴氦法檢測(cè)方法

①系統(tǒng)抽真空

要對(duì)被檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行吹掃干燥，干燥的溫度和時(shí)間要保證符合要求，溫度應(yīng)當(dāng)<60℃，時(shí)間應(yīng)當(dāng)>2小時(shí)，干燥結(jié)束后要啟動(dòng)真空泵，將被檢系統(tǒng)抽成真空。

②儀器校準(zhǔn)

將真空泵的抽氣速率保持穩(wěn)定，在壓力小于10Pa的狀態(tài)下，連通檢漏儀質(zhì)譜室和被檢測(cè)的系統(tǒng)，并將質(zhì)譜儀調(diào)整到檢測(cè)狀態(tài)，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的氦氣本底數(shù)值進(jìn)行測(cè)定。

將參考漏孔打開，使氦氣進(jìn)入被檢系統(tǒng)之中，質(zhì)譜儀會(huì)顯示出氦峰的變化值，測(cè)定參考漏孔的數(shù)值和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。然后關(guān)閉參考漏孔，記錄質(zhì)譜儀穩(wěn)定的時(shí)間，并記錄二次本底數(shù)值。

③檢測(cè)

當(dāng)系統(tǒng)在10Pa的狀態(tài)下實(shí)施檢測(cè)，用氦氣噴槍向系統(tǒng)的檢測(cè)部位引入氦氣，并運(yùn)用氦濃度儀設(shè)備測(cè)出密封部位的氦氣濃度CHe，要使氦氣濃度CHe≥10%，記錄該濃度狀態(tài)下的時(shí)間T1。

從T1時(shí)間段開始到檢測(cè)確定系統(tǒng)是否泄漏的時(shí)間T2的過程中，T2的響應(yīng)時(shí)間至少應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的3倍，同時(shí)，其響應(yīng)的時(shí)間應(yīng)當(dāng)至少持續(xù)10分鐘，如果在T2時(shí)間段之內(nèi)，檢漏儀沒有出現(xiàn)讀數(shù)的變化，則證實(shí)這個(gè)檢測(cè)部位沒有泄漏的問題。相反，如果在這個(gè)T2時(shí)間段之內(nèi)，質(zhì)譜儀出現(xiàn)了讀數(shù)變化，則說明被檢測(cè)部位有泄漏現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

目前，我國(guó)的核電建設(shè)事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，“走出去”的步伐也在加快，核電建設(shè)質(zhì)量是保證核電安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。氦氣檢漏技術(shù)是一種高效、快捷、準(zhǔn)確的無損檢測(cè)方式，具有其他檢測(cè)方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)特征，氦氣檢漏技術(shù)在核電管道工程中的應(yīng)用，為核電工藝系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了重要保障。此外，由于核電系統(tǒng)與設(shè)備的復(fù)雜性，氦氣檢漏技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分了被檢對(duì)象的結(jié)構(gòu)和特征，依照相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，選擇有針對(duì)性的檢測(cè)方法，方能實(shí)施更為準(zhǔn)確、有效的檢測(cè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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