針對(duì)管殼式換熱器的新型泄漏檢測(cè)工藝研究

周 濤 袁會(huì)勇 柏佳磊 孫文彬

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

泄漏檢測(cè)主要是為保證承壓部件或真空環(huán)境下工作的設(shè)備、系統(tǒng)等安全運(yùn)行而進(jìn)行的檢測(cè)工作。常規(guī)的泄漏檢測(cè)技術(shù)包括目視檢測(cè)法[1]、壓力變更法、正壓吸槍法[2]及真空噴氦法[3]。這些方法在使用過(guò)程中均有不同程度的缺陷。例如目視法只能檢測(cè)出比較明顯的缺陷和較大的泄漏；氦檢漏對(duì)整裝設(shè)備來(lái)說(shuō)存在邊界隔離困難的問(wèn)題；壓力變更法靈敏度不高且觀察現(xiàn)象不明顯，容易漏檢、誤檢且效率較低。

總之這些方法或多或少都具有比較明顯的應(yīng)用限制條件。該文針對(duì)管殼式換熱器，提出了一種適用于管殼式換熱器的多管束集中檢測(cè)的真空氣泡水法查漏方式，具有檢測(cè)效率高、可視化程度高和結(jié)果直接明顯等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，該方法大幅度提高了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)速度，檢測(cè)結(jié)果明顯，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，為后續(xù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 原理及特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

真空氣泡水法的技術(shù)原理主要基于負(fù)壓特性，通過(guò)主動(dòng)建立檢測(cè)系統(tǒng)的壓差，對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和感知。如圖1所示，當(dāng)傳熱管充滿水時(shí)，如果不存在泄漏，管內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)，水流不會(huì)發(fā)生任何變化；如果管束中某根傳熱管存在漏點(diǎn)，由于整體處于真空狀態(tài)，管外的氣體會(huì)持續(xù)泄漏進(jìn)管內(nèi)，導(dǎo)致內(nèi)部流體的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，因此流體流型開(kāi)始產(chǎn)生差異[4-5]。以U 型管為例，當(dāng)存在外界氣體泄漏進(jìn)管內(nèi)時(shí)，密閉空間內(nèi)構(gòu)成氣液兩相流動(dòng)，水平方向產(chǎn)生多種流型（分層流、波狀流和氣泡流等），相互產(chǎn)生影響，滑移速度出現(xiàn)差異性，最終泄漏進(jìn)管內(nèi)的氣體逐漸形成氣泡、聚集并發(fā)生定向移動(dòng)。豎直方向上由于自身存在重力作用，同時(shí)氣水兩相密度不同，因此導(dǎo)致氣泡的運(yùn)動(dòng)行為受到影響，加劇了這種運(yùn)動(dòng)行為。經(jīng)過(guò)時(shí)間積累后，由于真空邊界的影響，形成的氣泡會(huì)逐漸運(yùn)動(dòng)到傳熱管管束管板處，因此會(huì)形成連續(xù)不斷的“起泡”現(xiàn)象。

圖1 真空氣泡水法原理簡(jiǎn)圖

1.2 實(shí)現(xiàn)方式

真空氣泡水法的整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：采用透明隔罩對(duì)被檢系統(tǒng)進(jìn)行邊界隔離，抽真空至極限，然后注水。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存在漏點(diǎn)時(shí)，外界的氣體會(huì)因壓力梯度作用而被“吸入”系統(tǒng)內(nèi)，隨著真空作用向透明隔罩方向運(yùn)動(dòng)，最終在其表面形成連續(xù)不斷的氣泡。因此，在技術(shù)方面有2個(gè)核心問(wèn)題需要解決：1）如何高效建立系統(tǒng)真空，同時(shí)保證進(jìn)行注水時(shí)不破壞系統(tǒng)的真空度，也不會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)倒流而損壞真空泵等設(shè)備。2）采取何種方法對(duì)最終的泄漏結(jié)果進(jìn)行判別。例如由真空度變化導(dǎo)致水中溶解氣體析出形成氣泡的這種狀態(tài)就會(huì)對(duì)存在的真實(shí)泄漏形成干擾，從而影響判斷。因此，該文對(duì)這2 個(gè)方面進(jìn)行研究。

1.2.1 真空建立及維持

在管內(nèi)存在介質(zhì)的情況下進(jìn)行抽真空，會(huì)存在“倒吸”的問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中采取了“先抽真空，再注水的方式”進(jìn)行解決。當(dāng)真空度建立后，切換抽氣和注水閥，在真空狀態(tài)下進(jìn)行注水操作。在邊界隔離方面，將抽真空的氣口盡量設(shè)置在透明隔罩的上側(cè)，以盡可能減少介質(zhì)被吸入后端的可能性。同時(shí)在真空泵與系統(tǒng)中間設(shè)置汽水分離裝置，這樣即使注入系統(tǒng)的介質(zhì)被抽至后端，也可被汽水分離裝置分離。當(dāng)全部工作完成后，由于系統(tǒng)內(nèi)已建立極高真空，因此在不受其他過(guò)強(qiáng)外力干擾時(shí)可維持真空狀態(tài)。

1.2.2 泄漏結(jié)果的判別

該文對(duì)最終泄漏結(jié)果的判別，進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)測(cè)試。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)不加裝外置漏孔（系統(tǒng)無(wú)泄漏）時(shí)，在最初的注水完成階段也會(huì)觀察到存在間隔的氣泡產(chǎn)生，但存在時(shí)間極短且數(shù)量少，經(jīng)過(guò)5min 的時(shí)間間隔后，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，將不再產(chǎn)生氣泡。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)加裝1×10-2Pa·m3/s再進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定后會(huì)隨著固定的時(shí)間間隔生產(chǎn)大量的連續(xù)氣泡，存在狀態(tài)明顯、在不主動(dòng)破壞系統(tǒng)真空度的情況下，生成氣泡的狀態(tài)會(huì)持續(xù)存在，不會(huì)消失。因此，在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中可適當(dāng)延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間，以排除氣體溶解析出形成的氣泡對(duì)系統(tǒng)造成的判斷干擾。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

由于該方法最終將“是否可產(chǎn)生連續(xù)氣泡”作為判別泄漏的方式，基于該特點(diǎn)，在傳熱管邊界的封堵上通常需要采用可視化工裝（如透明真空罩）。在檢測(cè)過(guò)程中需要依靠人力將真空罩“緊貼”在傳熱管管板上，一方面需要保證不會(huì)影響對(duì)傳熱管壁面產(chǎn)生的連續(xù)氣泡的觀測(cè)，另一方面又需要保證工裝的強(qiáng)度。關(guān)于材料強(qiáng)度，既要保證工裝的密封性，又要保證不會(huì)在高真空的狀態(tài)下發(fā)生變形、破裂。同時(shí)，真空罩和壁面的接觸材料也需要受到限制，防止其對(duì)管板材料造成腐蝕甚至損害。

2 工藝系統(tǒng)及檢測(cè)流程

2.1 工藝系統(tǒng)

該方法涉及的工藝系統(tǒng)如圖2所示。整個(gè)工藝系統(tǒng)包括4 個(gè)模塊，模塊之間功能相互獨(dú)立，互不影響。根據(jù)實(shí)際情況，4 個(gè)模塊可以酌情進(jìn)行具體設(shè)備的調(diào)整，以適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境。

圖2 真空氣泡水法檢測(cè)工藝系統(tǒng)圖

2.1.1 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)真空度的建立并維持穩(wěn)定。在檢測(cè)過(guò)程中，如果真空狀態(tài)遭到破壞會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)逸出，從而導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低，嚴(yán)重者會(huì)損壞檢測(cè)設(shè)備。為了避免該情況發(fā)生，通?？紤]設(shè)置汽水分離裝置，以防止液體倒灌損害真空設(shè)備。該模塊主要設(shè)備包括真空泵、汽水分離器和壓力監(jiān)測(cè)器等。

2.1.2 蓄水模塊

蓄水模塊主要負(fù)責(zé)提供檢測(cè)所需的循環(huán)水及相關(guān)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)介質(zhì)的引入及回收。為了避免水流瞬時(shí)沖擊作用導(dǎo)致管板避免破損及建立的真空遭到破壞，通常需要針對(duì)注水速率進(jìn)行控制。該模塊主要設(shè)備包括收集罐、水泵、流量控制器及進(jìn)出水控制閥。

2.1.3 真空氣泡檢測(cè)模塊

真空氣泡檢測(cè)模塊是整個(gè)工藝系統(tǒng)的核心模塊，也是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的主體，由一對(duì)透明真空罩和被檢管束組成，真空罩形狀可根據(jù)實(shí)際管板進(jìn)行針對(duì)性定制，表明有進(jìn)出注水及抽真空口。在實(shí)際應(yīng)用中，U 型管板存在邊界對(duì)不準(zhǔn)導(dǎo)致密封失效的問(wèn)題，因此在真空罩上設(shè)計(jì)了定位堵頭，方便進(jìn)行定位安裝。

2.1.4 校準(zhǔn)模塊

校準(zhǔn)模塊用于標(biāo)定整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度及準(zhǔn)確度。當(dāng)系統(tǒng)不存在漏點(diǎn)時(shí)，可通過(guò)校準(zhǔn)模塊判斷是否是檢測(cè)裝備功能失效導(dǎo)致漏檢，還是本身不存在泄漏狀態(tài)。該模塊主要設(shè)備包括標(biāo)準(zhǔn)漏孔及控制閥。

2.2 檢測(cè)流程

真空氣泡水法檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 真空氣泡水法檢測(cè)流程圖

檢測(cè)具體實(shí)施步驟如下：1）檢測(cè)系統(tǒng)連接。在被檢管束管板安裝檢測(cè)裝置，同時(shí)按照?qǐng)D2 連接檢測(cè)系統(tǒng)。2）建立真空度。當(dāng)系統(tǒng)連接完成并檢查無(wú)誤后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空操作并確認(rèn)符合要求。如果無(wú)法達(dá)到要求，則進(jìn)行系統(tǒng)連接檢查并確認(rèn)覆蓋管束是否對(duì)齊，修正后再次進(jìn)行此步操作。3）注水。當(dāng)系統(tǒng)真空度達(dá)到要求后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行注水操作以建立可檢測(cè)環(huán)境。中間需要控制注水流量，防止水流沖擊真空板導(dǎo)致系統(tǒng)真空度被破壞。4）連接檢測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)注水完成且達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，連接漏孔標(biāo)定系統(tǒng)以進(jìn)行系統(tǒng)靈敏度及準(zhǔn)確度驗(yàn)證，觀察到明顯現(xiàn)象時(shí)記錄反應(yīng)時(shí)間。如果無(wú)法觀察到對(duì)應(yīng)現(xiàn)象，則重復(fù)前步操作進(jìn)行檢查分析。5）維持狀態(tài)。將校準(zhǔn)模塊控制閥關(guān)閉，以標(biāo)定狀態(tài)下的5 倍反應(yīng)時(shí)間作為常規(guī)檢測(cè)系統(tǒng)的觀察時(shí)間。如果觀察到對(duì)應(yīng)管板管口存在產(chǎn)生連續(xù)氣泡的現(xiàn)象，則認(rèn)定該根傳熱管存在泄漏情況，并做好相關(guān)位置記錄，認(rèn)定不合格；如果無(wú)現(xiàn)象產(chǎn)生，則認(rèn)定傳熱管管束無(wú)問(wèn)題，記錄合格，進(jìn)行后續(xù)操作。6）泄壓。對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行閥門(mén)泄壓操作，將負(fù)壓環(huán)境緩慢恢復(fù)至常壓狀態(tài)。7）排水。打開(kāi)系統(tǒng)排水閥，將系統(tǒng)內(nèi)的水排至外界，拆卸檢測(cè)裝置，進(jìn)行下一組檢測(cè)準(zhǔn)備。

3 檢測(cè)案例

按照上述方法對(duì)某核電廠管殼式換熱器進(jìn)行系統(tǒng)泄漏檢測(cè)，完成了3 臺(tái)管殼式換熱器傳熱管及管板焊縫的泄漏檢測(cè)試驗(yàn)。

采用真空氣泡水法進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)裝檢測(cè)系統(tǒng)可單次覆蓋傳熱管120 根。試驗(yàn)開(kāi)始后，先將系統(tǒng)真空度抽至0.08MPa，隨后向系統(tǒng)傳熱管內(nèi)注滿水并進(jìn)行預(yù)檢。在加裝10-2Pa·m3/s 的漏孔后，經(jīng)過(guò)5min 的反應(yīng)時(shí)間，漏孔對(duì)應(yīng)傳熱管管口開(kāi)始產(chǎn)生連續(xù)氣泡，驗(yàn)證成功。經(jīng)計(jì)算，每組試驗(yàn)選擇10min 作為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定時(shí)間。

在對(duì)每臺(tái)管殼式換熱器進(jìn)行15 組的試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)存在泄漏狀況的傳熱管。在每組標(biāo)定試驗(yàn)中，加裝10-2Pa·m3/s 的漏孔后均可在管板處觀察到明顯的連續(xù)氣泡現(xiàn)象，證明了該方法具備可行性。

4 小結(jié)

首先，檢測(cè)工藝直接、高效。當(dāng)被檢傳熱管兩端區(qū)域能夠匹配后，整個(gè)系統(tǒng)可迅速啟動(dòng)工作，可快速完成檢測(cè)任務(wù)。

其次，結(jié)果直觀。傳熱管發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)在水中形成氣泡并被直接觀察到，易于判別。

再次，檢測(cè)效率高。該方法可同時(shí)對(duì)數(shù)根傳熱管（根據(jù)傳熱管內(nèi)徑大小，幾十到上百不等）同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率大幅提高。系統(tǒng)檢測(cè)介質(zhì)采用低加同源介質(zhì)，不受環(huán)境限制，使用范圍廣且可兼容性強(qiáng)。

從次，靈敏度高。采用經(jīng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行試驗(yàn)，真空氣泡水法可有效檢測(cè)出10-2Pa·m3/s，當(dāng)建立足夠的條件后，靈敏度甚至可達(dá)10-4Pa·m3/s。

最后，可進(jìn)行定位半定量測(cè)量。當(dāng)補(bǔ)充特殊的檢測(cè)工藝后，可以對(duì)傳熱管的泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位以及半定量測(cè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種針對(duì)管殼式換熱器的新型泄漏檢測(cè)工藝。真空氣泡水法雖然具有單次檢測(cè)效率高、檢測(cè)結(jié)果直觀明顯和工藝流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在較多不足之處，需要進(jìn)行改進(jìn)開(kāi)發(fā)。例如其需要水作為檢測(cè)介質(zhì)，而對(duì)管殼式換熱器這一類(lèi)管殼式換熱器來(lái)說(shuō)，其傳熱管眾多且管程較長(zhǎng)，對(duì)水的用量很大且回收難度很高。不同加熱器的管板及管徑均有所區(qū)別，需要開(kāi)發(fā)一款可通用的真空罩可大幅度縮減由不同尺寸換熱器帶來(lái)的耗材成本。同時(shí)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果，如何能進(jìn)行定量測(cè)量是未來(lái)值得進(jìn)行技術(shù)突破的難點(diǎn)。綜上所述，該文方法具有較廣的應(yīng)用前景，但對(duì)不足之處還需要進(jìn)行后續(xù)研究、技術(shù)升級(jí)和突破，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)將會(huì)是一個(gè)重要的研究方向。