氦質(zhì)譜檢漏密封性在核級金屬波紋管試驗(yàn)中的應(yīng)用

王 雪，于翔麟，張文良，張秀華，張大林，楊志新，高 爽

(沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110043)

1 引 言

隨著化石能源日益緊缺和人們環(huán)保意識不斷增強(qiáng)，清潔能源越來越受到重視。核電作為一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)且可以大規(guī)模利用的能源，未來在能源領(lǐng)域的占比將會越來越大。核電站輸送放射性物質(zhì)、液態(tài)金屬、有害介質(zhì)和危險介質(zhì)的管路上均采用波紋管閥門，其密封性是核電站安全運(yùn)行的重要保障。由于核電站的特殊性，其閥門產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造有著比常規(guī)閥門更高的測試要求和更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。

核電站閥用波紋管是防止泄漏最可靠的密封元件，須保證完全密封以防止沿閥桿的泄漏，波紋管的失效可能會引起分系統(tǒng)或整個系統(tǒng)的失效。核級波紋管的工作條件非?？量?，要確保在使用過程中實(shí)現(xiàn)零泄漏，防止管路介質(zhì)丟失和易燃、易爆、放射性、腐蝕等有害介質(zhì)的滲漏，保護(hù)人員和環(huán)境安全。因此，核級波紋管在制造過程中必須保證其密封性，對核級波紋管進(jìn)行檢漏十分重要。

2 密封的作用

密封是保證產(chǎn)品在使用中能可靠發(fā)揮作用的重要措施之一，密封試驗(yàn)是考核產(chǎn)品是否存在泄漏最有效的試驗(yàn)。為了滿足產(chǎn)品的不同使用要求，密封的指標(biāo)也有所不同，常用的泄漏檢測方法有氣壓浸水法、顏色浸染法、質(zhì)量流量法、差動壓力法、氦質(zhì)譜檢漏法等。觀測焊縫的質(zhì)量，可采用X射線探傷法，還可以通過氣密性試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)完成。

采用氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，保證真空密封性達(dá)到合格的水平，從根本上消除由于泄漏造成的危害。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、真空、儀器儀表、核工業(yè)等眾多行業(yè)，具有靈敏度高、操作使用方便的特點(diǎn)，可以定性、定點(diǎn)、定量地檢測出泄漏缺陷。另外，氦質(zhì)譜檢漏使用惰性氣體氦作為試驗(yàn)介質(zhì)，對環(huán)境、檢測人員以及被檢件無污染、無損害。核電用金屬波紋管組件在出廠檢驗(yàn)時要進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)，漏率要達(dá)到10-9Pa·m3/s量級，以此來保證波紋管具有良好的密封性能。

3 氦質(zhì)譜檢漏裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

氦質(zhì)譜檢漏裝置由氦質(zhì)譜檢漏儀、抽真空組、真空表、壓力表等組成(核級金屬波紋管氦質(zhì)譜檢漏裝置示意圖見圖1)。利用氦質(zhì)譜檢漏儀的氦分壓力測量原理，介質(zhì)為氣體氦，實(shí)現(xiàn)對被檢件氦泄漏量的測試。當(dāng)被檢件密封面上存在漏孔時，氦氣會從漏氣孔泄出，泄漏出來的氣體進(jìn)入氦質(zhì)譜檢漏儀后，對氦氣進(jìn)行識別并收集，通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔比對的方法可以獲得漏孔對氦泄漏量的測算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢漏的目的。氦質(zhì)譜檢漏裝置具有自動計(jì)算漏率值的功能，可以在顯示屏上直接讀出漏率的大小數(shù)值。

圖1 核級金屬波紋管氦質(zhì)譜檢漏裝置示意圖

4 核級金屬波紋管檢漏步驟

利用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢漏的方法較多，實(shí)際檢漏中要根據(jù)被檢件的結(jié)構(gòu)、大小和要求等特定條件來選擇合適的檢漏方法，目前多采用噴氦法進(jìn)行漏率的檢測(噴氦法檢漏示意圖見圖2)。漏率是指在已知漏泄處兩側(cè)壓差的情況下，單位時間內(nèi)流過漏泄處的給定溫度的干燥氣體量。采用國際單位制時，漏率的單位為Pa·m3/s。

圖2 噴氦法檢漏示意圖

首先按要求調(diào)整好設(shè)備，將被檢產(chǎn)品與抽氣系統(tǒng)相連接，用高真空硅脂對金屬波紋管兩端與O形橡膠密封圈貼合的部位進(jìn)行均勻涂抹密封，其中一端的密封結(jié)構(gòu)中間留有檢漏口，置于氦質(zhì)譜檢漏儀的漏口上，將波紋管內(nèi)腔抽真空，抽真空的時間會有所不同，具體以產(chǎn)品實(shí)際要求的情況為準(zhǔn)，一般真空度達(dá)到100Pa以下，然后利用噴氦法檢測波紋管的泄漏率。

將待檢測波紋管充入氦氣，在一定時間內(nèi)確認(rèn)波紋管是否發(fā)生泄漏。有些波紋管因使用條件或被測點(diǎn)部位的特點(diǎn)，可能通過測某點(diǎn)漏率比較準(zhǔn)確。檢漏時，把密封結(jié)構(gòu)的密封面放在橡膠密封墊留作漏口的圓心透孔上，按檢漏儀上的開始按鈕，當(dāng)抽至10-9Pa·m3/s以上時，按檢漏儀上的清零按鈕，然后用連接在裝有氦氣源的噴槍對金屬波紋管由上至下進(jìn)行噴氦。如果有氦氣從漏孔中流入，則裝置內(nèi)的氦分壓就會上升，由輸出儀表顯示出來，根據(jù)讀數(shù)的大小可確定漏率大小，否則檢漏儀的顯示沒有變化，據(jù)此完成核級金屬波紋管的檢漏工作。

通常保壓的時間按下式計(jì)算：

式中，A為測試前的大氣本底值；P為大氣壓強(qiáng)，Pa；V為外罩的凈容積；m3；Qi為要求的漏率值；CP為被檢件內(nèi)的氦氣濃度系數(shù)。

漏率的計(jì)算公式：

式中，P1為氦氣的絕對壓力，P0為空氣的絕對壓力，K為比例常數(shù)，C為氦氣濃度(與分壓成正比)。

為了準(zhǔn)確地在漏孔位置噴氦，噴氦時應(yīng)自上而下，這是因?yàn)樵趪娤路綍r氦氣有可能被上方漏孔吸入，導(dǎo)致很難確定漏孔的位置。檢測完畢后，如有泄漏，則進(jìn)行返修。返修后經(jīng)過設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)檢驗(yàn)確認(rèn)合格后，按以上步驟再次對返修部件進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，從而完成核級金屬波紋管的檢測工作。

5 試驗(yàn)分析

要求：波紋管規(guī)格Ф36.5×Ф24.5×0.2×3×18；波紋管材料316L；泄漏率不大于6.5×10-9Pa·m3/s；檢測設(shè)備：氦質(zhì)譜檢漏儀；使用介質(zhì)：氦氣；數(shù)量：15只。試驗(yàn)中得到的實(shí)測數(shù)據(jù)如圖3所示。從測試結(jié)果可以看出，結(jié)果全部滿足產(chǎn)品的泄漏率要求，測試數(shù)據(jù)較平穩(wěn)。

圖3 實(shí)測數(shù)據(jù)情況

6 影響氦檢漏的主要因素

(1)對空氣流動的要求。由于操作空間密閉、持續(xù)工作時間較長的原因，室內(nèi)氦氣濃度會有所提高，且設(shè)備對氦氣比較敏感，這會導(dǎo)致實(shí)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。應(yīng)采取通風(fēng)措施，在室內(nèi)空氣條件滿足檢漏要求后再進(jìn)行測試。

(2)被檢產(chǎn)品的焊接要求。被檢產(chǎn)品應(yīng)保證焊縫坡口處平整、無毛刺、不得有氧化皮、銹蝕、油污等，也不得有裂紋、氣割熔瘤等缺陷。在焊縫內(nèi)填充焊條等會導(dǎo)致焊縫未融合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。焊接材料表面不應(yīng)受潮、污染，焊絲表面應(yīng)光滑、整潔。焊材的標(biāo)識應(yīng)清晰、牢固，與產(chǎn)品實(shí)物相符。

(3)被檢件不應(yīng)有雜物。被檢件應(yīng)在超聲波清洗后，烘干24h后進(jìn)行焊接，如有油類及雜物都會影響檢漏的準(zhǔn)確性。另外，如果高真空硅脂清洗不干凈，會給后續(xù)的焊接帶來諸多麻煩，影響焊接質(zhì)量。

(4)密封不嚴(yán)，抽真空不達(dá)標(biāo)。將被檢產(chǎn)品與抽氣系統(tǒng)連接，用高真空硅脂對波紋管與O形橡膠密封圈貼合的部位進(jìn)行均勻涂抹密封，得到高真空度，如果真空度不夠，會嚴(yán)重影響檢漏的結(jié)果，效率也會有所降低。

(5)對操作人員的要求。焊接人員應(yīng)具備相應(yīng)的焊接技能評定證，具備相應(yīng)的能力，焊接操作者應(yīng)按規(guī)定的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，了解被檢件的結(jié)構(gòu)及其工藝，熟悉檢漏方法，檢漏過程要求細(xì)致、全面，波紋管與法蘭焊接面逐點(diǎn)檢測，確保工作時間，確定漏點(diǎn)大致位置。

7 結(jié) 論

利用氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)，使核級金屬波紋管密封性問題得到了有效解決。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)安全高效，操作方便，準(zhǔn)確可靠，靈敏度高，可以精確定位，能實(shí)現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的檢漏。氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)提高了產(chǎn)品的合格率，解決了生產(chǎn)效率低的問題，可在更多行業(yè)推廣使用。