氦質(zhì)譜吸槍法在氣液分離罐氣密性檢測中的應用

李 鑫 余繼亮 蘇 宇

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

氣液分離罐是放射性廢物后處理的重要設備，其作用是將從供料槽輸送來的高放射性料液在分離罐內(nèi)進行分離，通過蒸發(fā)與凝結(jié)使供料槽料液實現(xiàn)氣相凈化和回收。部分放射性或有毒介質(zhì)在氣液分離罐里進行分離或發(fā)生反應，當這些容器密封性能出現(xiàn)問題發(fā)生泄漏時，就會有放射性氣液外逸，產(chǎn)生嚴重后果。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，氣液分離罐在產(chǎn)品制造階段要經(jīng)過各項嚴格的檢查，而氣液分離罐的最終氣密性檢測是其出廠前的一道關鍵工序，起著非常重要的作用。

1 氣液分離罐介紹

氣液分離罐分布有多道對接焊縫、接管焊縫及接管密封焊縫。某型號氣液分離罐，容積146 L，設計壓力0.10 MPa，允許泄漏率＜1.0×10-6Pa·m3/s，其結(jié)構如圖1所示。

圖1 氣液分離罐結(jié)構圖

一般來講，容器容易出現(xiàn)泄漏的部位是法蘭及接頭的密封面、焊縫或補焊位置、應力集中部位等。由于氣液分離罐出廠檢查時，其進出口已進行了焊接封堵，且現(xiàn)場安裝前會對其進出口重新焊接，因此，氣液分離罐出廠前氣密性檢測的重點部位包括筒體上各處拼接焊縫、接管焊縫及接管密封焊縫。

2 檢測方法的選擇

采用靜態(tài)壓降法查漏只能判別氣液分離罐是否有泄漏，難以進行準確定位，而氦質(zhì)譜檢漏技術用于氣密性檢測時具有靈敏度高，可以對漏點進行精確定位、定性、定量等優(yōu)點。同時，由于氦氣對環(huán)境和被檢產(chǎn)品無污染，故選用氦質(zhì)譜檢漏技術進行檢測。

當被檢容器的容積在100 L以上時，由于體積大（氣體量多）、表面積大（出氣量多），若采用氦質(zhì)譜真空法檢漏，抽至檢漏儀工作壓力所需時間和反應時間較長，檢漏效率很低，一般需額外配備輔助泵等抽真空設備，操作相對復雜。氣液分離罐的允許泄漏率為不大于1.0×10-6Pa·m3/s，吸槍法檢測靈敏度滿足設計要求，因此，從操作便捷成都和成本方面考慮，優(yōu)先采用氦質(zhì)譜吸槍法實施檢測。

3 檢測工藝

氣液分離罐氣密性檢測需要對漏點、進行定位和定量，同時需兼顧考慮檢測效率，以下從檢測步驟、檢測要點、工藝優(yōu)化和檢測結(jié)果四個方面進行評價和分析。

3.1 檢測步驟

氣液分離罐氣密性檢測試驗壓力采用容器的設計壓力，具體步驟如下：

（1）對干燥后的分離罐充氮氣和氦氣的混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，氦示蹤氣體的體積濃度約20%，保壓至少30 min；

（2）系統(tǒng)連接完成后啟動氦質(zhì)譜檢漏儀；

（3）待氦檢漏儀穩(wěn)定后讀取系統(tǒng)本底值I0，然后讀取標準漏孔在儀器上的示數(shù)值I1；

（4）按照從下到上的順序?qū)庖悍蛛x罐上的待檢部位進行檢測，當發(fā)現(xiàn)疑似漏點時，首先將探頭移開，等待儀器數(shù)值回到本底值I0后再重新檢測，如檢漏儀示值仍然發(fā)生明顯變化，證實漏點存在，記錄儀器數(shù)值穩(wěn)定后示值I2。

按照下面公式計算各漏點對氦氣的有效泄漏率Q：

式中，Q0為標準漏孔標稱漏率，單位Pa·m3/s；I0為系統(tǒng)本底值，單位Pa·m3/s；I1為系統(tǒng)標準漏孔讀數(shù)，單位Pa·m3/s；I2為漏點讀數(shù)，單位Pa·m3/s；C為氦氣體積濃度。

（5）重復上述步驟，直至完成所有檢測工作。

由于吸槍法檢測是一種半定量技術，如需準確測量漏點漏率，一般采用吸槍累積法進行準確定量，即用已知容積的容器或乙烯塑料做成的氦罩將該部位封裝起來，氦氣在容器或袋中封裝累積一定時間后，再用吸氣探頭進行檢測。氦罩內(nèi)的總漏率可用式（2）進行計算：

式中：qG為總漏率，單位Pa·m3/s；p，V為氦罩的壓力和體積，單位分別是Pa、m3；C0、C1為分別是在t0、t1氦罩試驗起始時和結(jié)束時的濃度；t0、t1分別是試驗起始時和結(jié)束時的時間。

3.2 檢測要點

除采用正確的檢測步驟外，許多工藝要點也會對氣液分離罐氦質(zhì)譜檢測結(jié)果產(chǎn)生重要影響，具體如下：

（1）每次檢測前，應保持檢測區(qū)域的清潔、干燥。

（2）在每次檢測前都應用壓縮空氣對工裝進行氣密性測試，確保整體密封性可靠，以免氦氣泄漏造成經(jīng)濟損失和檢測現(xiàn)場氦質(zhì)譜儀本底過高，影響檢測。

（3）氦檢時，需對氣液分離罐上的檢測部位從下至上逐個進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏信號，應記錄漏點所在位置，然后用塑料薄膜或膠帶對漏點進行隔離或密封，避免污染檢測環(huán)境。

（4）吸槍嘴距離被檢表面1～3 mm為宜，距離過遠會導致檢測靈敏度降低，過近則容易吸入被檢表面附著的灰塵堵塞吸槍，同時，吸槍移動速度應盡量緩慢。

（5）漏孔位置可以通過根據(jù)檢漏儀示值的變化快慢和反應時間長短來判斷，如檢漏儀示值變化緩慢，且反應時間較長，說明吸槍所在位置沒有漏點，應在附近尋找漏點位置。

3.3 工藝優(yōu)化

因同型號和規(guī)格的氣液分離罐數(shù)量較多，為減少該批分離罐總體保壓等待時間，需要對檢測工藝進行優(yōu)化。技術人員根據(jù)分離罐的規(guī)格結(jié)構，設計出一套不銹鋼工裝，工裝的各個進出氣口由閥門控制，并在出氣口側(cè)留有壓力表安裝接口。在該工裝上均勻分布6組出氣接口，可同時連接6臺氣液分離罐，改進后的工裝示意圖如圖2所示。

圖2 改進后的檢測工裝示意圖

當多臺容器使用該工裝同時進行充氣及檢測時，通常使用靜置擴散的方式使不同容器的氦濃度趨向均勻，靜置時間需要通過試驗測得。首先將6臺同規(guī)格的氣液分離罐并聯(lián)在工裝上，充入氦氣體積濃度為20%的混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，每間隔30 min，用氦濃度檢測儀分別在6臺分離罐的底部測試各分離罐內(nèi)的氦氣體積濃度，共進行6次測量，得到的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，靜置時間越長，各氣液分離罐中的氦氣體積濃度越接近，但靜置時間過長會延長整體檢測時間，降低檢測效率。通過觀察各分離罐在不同保壓時間下的濃度值，我們可以發(fā)現(xiàn)，在靜置1.5 h后，各分離罐監(jiān)測點的氦氣體積濃度相差在3%以內(nèi)，各分離罐內(nèi)濃度變化曲線趨向平直，表明各分離罐內(nèi)的氣體已接近均勻，已經(jīng)能夠?qū)⒁驖舛炔煌a(chǎn)生的誤差降低到可接受的水平。

4 檢測結(jié)果

為驗證該工裝在實際檢驗期間的有效性，檢驗人員分別對存在單個漏點的單臺氣液分離罐及將其與同規(guī)格的5臺分離罐并聯(lián)在工裝上后進行試驗，結(jié)果如下：

表1 不同保壓時間下氦氣體積分數(shù)為20%的各取樣位置體積濃度分布（單位：%）

試驗1：將存在單個漏點的該臺氣液分離罐充入氦氣濃度為20%的純氦氣與氮氣混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，靜置1.5 h后，用吸槍對漏孔區(qū)域進行檢測，測得該漏點的漏率為7.2×10-5Pa·m3/s；

試驗2：將該臺氣液分離罐與同規(guī)格的5臺分離罐并聯(lián)在工裝上，充入氦氣濃度為20%的純氦氣與氮氣混合氣體至試驗壓力0.1 MPa，靜置1.5h后，用吸槍對漏孔區(qū)域進行檢測，記錄該漏孔的漏率，由漏率公式計算后可得該漏點的漏率為6.5×10-5Pa·m3/s。

由上述試驗可知，將存在漏點的單臺氣液分離罐進行吸槍檢驗與將該臺分離罐與同規(guī)格的分離罐連接在工裝上相比，對于同一漏孔的漏率接近，進而驗證了該工裝的有效性，證明其可以應用在現(xiàn)場檢驗中。與此同時，檢測工藝經(jīng)優(yōu)化后，6臺容器同時保壓，保壓時間可縮短1.5 h?？紤]到單臺容器獨立檢測時工裝連接、氣密性檢查、放氣和拆除等時間，6臺容器的整體檢測時間至少可縮短2.5～3.0 h，大大提高了檢測效率。

5 結(jié)語

氦質(zhì)譜吸槍法檢漏能夠?qū)β┛走M行準確定位，且操作簡便、安全高效，可廣泛應用于容器制造階段的氣密性檢測。在對氣液分離罐氦質(zhì)譜吸槍法檢漏檢測中，通過嚴格遵守操作步驟，總結(jié)檢測要點，并對工藝方法進行優(yōu)化，確定合適的保壓時間，氣液分離罐能夠?qū)崿F(xiàn)批量檢漏，從而高效完成現(xiàn)場檢測工作。