致密性试验在某些承压类设备中的必要性

张兴旺

北京市密云县质量技术监督局特种设备检测所，北京101500

摘要 利用和液压试验对比论证的方法，从吸附性、运动性、穿透性和综合作用四个方面阐述了致密性试验的原理和作用，揭示了在某些情况下致密性试验的必要性，对规范、标准中的相关内容提出了修改、补充建议。

关键词 致密性试验；特种设备；吸附性；运动性；穿透性

中图分类号TH490 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）61-0044-02

1 概述

在实际的检验过程中，一些易燃易爆介质、有毒有害介质的承压类特种设备只有液压试验而无致密性试验的情况还是会碰到的。《容规》[1]、《管规》[2]、GB150[3]、HG20584[4]等规范、标准中的规定或不合理，或不健全，容易让人产生歧义或误解，造成执行上的问题。

几种常规探伤方法都有漏检、误检或检不出的情况，而且是在设备无压状态下进行的检验，缺陷处于闭合状态。设备在承压状态下，缺陷是处于开合状态的。因此几种方法无法完全取代致密性试验的作用。

本研究不考虑这几种探伤方法和几种不适合致密性试验的情况，以及致密性试验中的其它几种试验方法，只考虑以空气、氮气或其它惰性气体为试验介质，主要从致密性试验本身的优越性这一点来分析研究致密性试验对某些设备的必要性。

2 理论与实践相结合分析研究

2.1 吸附性

气体和液体在检出设备微小穿透性缺陷的能力和作用原理上有着很大的不同，这首先体现在吸附性方面。在吸附性方面，主要从微观到宏观3个方面，即吸附质、附着层、黏性来分析研究气体与液体的不同。

第一，从吸附质方面。吸附作用分为物理吸附和化学吸附。以气体和液体为试验介质时，可分为固—气界面的吸附和固—液界面的吸附。实际运行中的设备，压力、温度等操作条件，存在的油污、锈蚀、杂质、介质等多种残留物，是很难彻底打扫干净的。气体在穿过孔隙时可能被吸附一些气体分子，吸附质比较单一，若遇氮气等惰性气体，其吸附会更少。水在穿过时就比较复杂。首先孔隙表面会有物理吸附和复杂的化学吸附，吸附质可能会有水分子、电解质、有机和无机物分子等，吸附质的种类比较多，这样孔隙会变得更小或堵住。而气体分子吸附少，对孔隙大小影响不大。因此，孔隙对气体分子的吸附比液体少得多，材料对液体的吸附性比气体大得多。

第二，从附着层方面。液体在检出穿透性缺陷方面，毛细现象原理[5]是很重要的一个方面。由毛细现象原理说明液体要渗透到微小缺陷中去的先决条件是它能润湿材料表面，不浸润的情况是不会发生毛细现象的。影响不浸润的因素，与液体和固体的性质有关，与固体表面的化学组成和微观几何结构有关，与固体表面的洁净度有关。浸润与不浸润现象，是分子力作用的表现。当液体与固体接触时，在接触处形成一个液体薄层，叫做附着层。附着层里的分子受到固体分子吸引的强弱形成浸润与不浸润现象。实际的检验中，许多设备内壁不洁净，时常会产生不浸润现象，影响穿透性缺陷的检出，而气压则不会。液体附着层的附着力是材料吸附性的一个原因，气体无附着层，不会产生附着层的附着力。

第三，从黏性方面。黏度是反映渗透液渗透到缺陷中的速度的性能参数。在压强为101.325kPa，温度为20℃条件下，空气和水的动力黏度，空气µ=0.0179×10-3Pa·s，水µ=1.01×10-3Pa·s，这相当于这样一个概念，即水的动力黏度是空气的56.42倍，可见水的黏度远远大于空气。液体与气体在流动时都会产生黏性力，产生的原因，液体是分子之间的力，是微观的力，这个力很大。气体是范德华力，这个力小，分子间距离大，造成的是宏观的力。因此液体的黏性远远大于气体。在穿过孔隙时材料对液体的吸附性远大于气体。由以上吸附质、附着层、黏性三个方面原因，在检出缺陷时材料对液体的吸附性远大于气体，是造成液体不易检出穿透性缺陷的原因之一。

实际情况也是如此。在实际检验中，在对液化气储罐进行全面检验过程中，液压试验2.206MPa，做完之后未发生泄漏，气密性试验的试验压力为1.765MPa，当压力刚升至1.10MPa时，在用洗涤灵水试人孔垫处时，发现人孔垫处泄漏，大个的气泡往外鼓。在乙炔瓶厂制造监检[6]过程中，乙炔瓶在5.2MPa水压试验时未产生泄漏，而在3.0MPa的气密性试验时，在颈套焊缝处却有大量的泄漏现象。以上这两个检验案例都证明了吸附性方面的理论是影响水压不漏气压漏的重要原因之一，也反映出气压试验在检出微小穿透性缺陷能力方面远强于水压。

2.2 运动性

气体和液体在运动性方面存在诸多差异，这是气体检出缺陷能力优于液体的又一个方面。流体上的作用力分为表面力和体积力。表面力又分为压力和切应力。在密闭容器中，在相同压力试验下，气体和液体单位面积上的压力是一样的。

气体分子间作用力与液体相比要小得多，和液体相比，气体的切应力可以忽略不计。体积力是重力、惯性力等。重力与密度有关，在常态下，水的密度是空气的772.4倍，容器中空气的重力与水相比可以忽略不计。惯性力与物体的质量和速度有关，相同体积以同一速度运行的气体和液体，液体惯性力要比气体大很多，气体的惯性力和液体相比可以忽略不计。

由此得出无论表面力中的切应力还是体积力，液体远大于气体，这就导致了液体的运动性远不如气体，无论在流动性上，在运动速度上，还是在运动方式上。由分子动理论[7]得出：气体可以以单个分子的状态穿过微小穿透性缺陷，而液体是以一定体积的分子集合态或附着层穿过缺陷；气体分子在穿过孔隙时与容器器壁之间没有相互作用力，而液体的附着层存在着附着力；气体分子之间无作用力，流动性大，液体分子之间作用力较大，运动性差；气体分子与器壁的碰撞为弹性碰撞，运动性强，液体为附着层式接触，运动性差。

这几种原因导致气体的运动性强于液体。气体分子在标准状态下的平均速率约为每秒几百米，液体运动速度为其流动的速度，穿过微小缺陷的速度为毛细现象的速度，要慢得多。在数量上，1立方微米里有2.67×107个分子，在检出微小穿透性缺陷时，气体分子在数量上足够。若以空气为试验介质，以成分中直径小的O2分子作为穿透介质，O2分子直径约为0.296nm，原则上O2分子可以检出纳米级的穿透性缺陷。1μm=1000nm，保证了氧气分子在立方微米级的空间内有足够大的活动范围。根据分子动理论，无论穿透性缺陷是什么形状的，气体分子都可充满其间，不会有遗漏的地方。

从存在形态、运动速度、单位体积内分子数量、单位体积内的活动范围及运动的形态上，气体明显强于液体，这几个方面保证了气体检出缺陷的速度上要比液体快得多。在一次锅炉内检时，后管板上有水印，但被司炉工打扫、冲洗掉了，只好重新打扫、冲洗、吹干，以平时锅炉工作状态下的表压0.4MPa（未超压）保压到晚上下班时去检查，才在后管板上找到一丁点水和水印，才确定出抽哪根管。可见液体检出缺陷的速度是很慢的。

在进行氨管道气密性试验时，在用洗涤灵水试漏时，其中一个法兰接头漏。紧固螺钉之后垫片处不再漏，但顺着一根螺钉处往外冒微小气泡，气泡是一丁点的小白点，不细看根本看不出来，螺钉处的水微微转动，说明法兰孔壁处漏，法兰孔壁与管壁有连通的孔洞或缝隙，使管内气体渗出来。气压要不仔细看都看不出来，可见气体在检出穿透性缺陷的速度及在现象反映上要明显好于液体。

在设备修复补焊后的水压试验时，在规定的保压时间内焊缝处看不出潮湿，在设备运行一段时间后此处焊缝部位又泄漏了。可见水压在现象反映上跟气压相比是有其局限性的。以上三例验证了气压在运动性方面，在检出缺陷的速度和现象反映上要比水压强得多。

2.3 穿透性

根据纳米分子筛原理[8]和气体扩散法[9]原理，穿透性缺陷相当于微孔，氧气分子直径约为0.296nm，水分子直径约为0.4nm，缺陷宽度介于两分子直径之间，不考虑其它因素，则氧气分子可完全穿过而水分子完全不能穿过，并且氧气分子比水分子撞击器壁的机会多。

实际情况也是如此，用20 000atm的压强压缩钢筒中的油，结果发现油可以透过筒壁渗出，这说明油能透过钢的晶格间隙。液化石油气储罐产生的氢鼓包[10]，说明氢气是不能穿透钢的晶格间隙的。日常的阀门试验，水压24小时检不出的缺陷，气压一试就行。可见空气比水在一定范围内能检出更小的缺陷。

2.4 综合作用

在液化气站的排残液阀的试验中，打气压时密封面漏气泡，但用水冲洗密封面之后，再打气压就一个气泡也不漏。可用吸附性中的附着层理论解释：液体薄层本身就有密封作用，使气体分子被阻挡住，无法穿过孔隙。也可用运动性中的弹性碰撞理论解释：气体分子弹性碰撞到水膜上，无法穿过孔隙。又可用穿透性中的分子筛理论解释：孔隙被水分子或水膜堵住，氧气分子直径小于水分子直径也无法穿过孔隙。以上所有检验案例都是如此，多数情况下是两个或三个方面中的几个因素综合作用的结果。

3 结论

综上所述，气体在检出微小穿透性缺陷的好几个方面的能力和效果要明显强于液体。对于一些易燃易爆介质、有毒有害介质的设备，那些只有水压试验而无致密性试验的情况是会存在一些微小穿透性缺陷无法检出的问题的。因此对于上述设备，致密性试验还是有其必要性的。应在其相应的规范、标准中作出明确、具体的规定。

参考文献

[1]TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程：17，27-28.

[2]GB50235-2010 工业金属管道工程施工规范：53-54.

[3]GB150-2011 压力容器：11-12.

[4]HG20584-1998 钢制化工容器制造技术要求：405-406.

[5]高世桥，刘海鹏.毛细力学[M].北京：科学出版社，2010，3

[6]王小华，王建德，刘国奇.乙炔瓶颈套填角焊缝缺陷的超声波检测.中国锅炉压力容器安全优秀论文选编，1998，无损检测专辑(3)：70

[7]张长林.分子动理论 内能 气体的性质[M].山东：山东教育出版社，1998，3-7.

[8]洑春干.医用供氧技术[M].北京：化学工业出版社，2004：81.

[9]邱陵.化学法分离同位素[M].北京：原子能出版社，1990：26.

[10]王晓雷，马昌华，侯明烈.在用压力容器氢鼓包检验、修复、补焊与预防.中国锅炉压力容器安全优秀论文选编，2002，压力容器专辑(2)：337.