氦质谱吸枪法在气液分离罐气密性检测中的应用

李 鑫 余继亮 苏 宇

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

气液分离罐是放射性废物后处理的重要设备，其作用是将从供料槽输送来的高放射性料液在分离罐内进行分离，通过蒸发与凝结使供料槽料液实现气相净化和回收。部分放射性或有毒介质在气液分离罐里进行分离或发生反应，当这些容器密封性能出现问题发生泄漏时，就会有放射性气液外逸，产生严重后果。为保证产品质量，气液分离罐在产品制造阶段要经过各项严格的检查，而气液分离罐的最终气密性检测是其出厂前的一道关键工序，起着非常重要的作用。

1 气液分离罐介绍

气液分离罐分布有多道对接焊缝、接管焊缝及接管密封焊缝。某型号气液分离罐，容积146 L，设计压力0.10 MPa，允许泄漏率＜1.0×10-6Pa·m3/s，其结构如图1所示。

图1 气液分离罐结构图

一般来讲，容器容易出现泄漏的部位是法兰及接头的密封面、焊缝或补焊位置、应力集中部位等。由于气液分离罐出厂检查时，其进出口已进行了焊接封堵，且现场安装前会对其进出口重新焊接，因此，气液分离罐出厂前气密性检测的重点部位包括筒体上各处拼接焊缝、接管焊缝及接管密封焊缝。

2 检测方法的选择

采用静态压降法查漏只能判别气液分离罐是否有泄漏，难以进行准确定位，而氦质谱检漏技术用于气密性检测时具有灵敏度高，可以对漏点进行精确定位、定性、定量等优点。同时，由于氦气对环境和被检产品无污染，故选用氦质谱检漏技术进行检测。

当被检容器的容积在100 L以上时，由于体积大（气体量多）、表面积大（出气量多），若采用氦质谱真空法检漏，抽至检漏仪工作压力所需时间和反应时间较长，检漏效率很低，一般需额外配备辅助泵等抽真空设备，操作相对复杂。气液分离罐的允许泄漏率为不大于1.0×10-6Pa·m3/s，吸枪法检测灵敏度满足设计要求，因此，从操作便捷成都和成本方面考虑，优先采用氦质谱吸枪法实施检测。

3 检测工艺

气液分离罐气密性检测需要对漏点、进行定位和定量，同时需兼顾考虑检测效率，以下从检测步骤、检测要点、工艺优化和检测结果四个方面进行评价和分析。

3.1 检测步骤

气液分离罐气密性检测试验压力采用容器的设计压力，具体步骤如下：

（1）对干燥后的分离罐充氮气和氦气的混合气体至试验压力0.1 MPa，氦示踪气体的体积浓度约20%，保压至少30 min；

（2）系统连接完成后启动氦质谱检漏仪；

（3）待氦检漏仪稳定后读取系统本底值I0，然后读取标准漏孔在仪器上的示数值I1；

（4）按照从下到上的顺序对气液分离罐上的待检部位进行检测，当发现疑似漏点时，首先将探头移开，等待仪器数值回到本底值I0后再重新检测，如检漏仪示值仍然发生明显变化，证实漏点存在，记录仪器数值稳定后示值I2。

按照下面公式计算各漏点对氦气的有效泄漏率Q：

式中，Q0为标准漏孔标称漏率，单位Pa·m3/s；I0为系统本底值，单位Pa·m3/s；I1为系统标准漏孔读数，单位Pa·m3/s；I2为漏点读数，单位Pa·m3/s；C为氦气体积浓度。

（5）重复上述步骤，直至完成所有检测工作。

由于吸枪法检测是一种半定量技术，如需准确测量漏点漏率，一般采用吸枪累积法进行准确定量，即用已知容积的容器或乙烯塑料做成的氦罩将该部位封装起来，氦气在容器或袋中封装累积一定时间后，再用吸气探头进行检测。氦罩内的总漏率可用式（2）进行计算：

式中：qG为总漏率，单位Pa·m3/s；p，V为氦罩的压力和体积，单位分别是Pa、m3；C0、C1为分别是在t0、t1氦罩试验起始时和结束时的浓度；t0、t1分别是试验起始时和结束时的时间。

3.2 检测要点

除采用正确的检测步骤外，许多工艺要点也会对气液分离罐氦质谱检测结果产生重要影响，具体如下：

（1）每次检测前，应保持检测区域的清洁、干燥。

（2）在每次检测前都应用压缩空气对工装进行气密性测试，确保整体密封性可靠，以免氦气泄漏造成经济损失和检测现场氦质谱仪本底过高，影响检测。

（3）氦检时，需对气液分离罐上的检测部位从下至上逐个进行检测，一旦发现泄漏信号，应记录漏点所在位置，然后用塑料薄膜或胶带对漏点进行隔离或密封，避免污染检测环境。

（4）吸枪嘴距离被检表面1～3 mm为宜，距离过远会导致检测灵敏度降低，过近则容易吸入被检表面附着的灰尘堵塞吸枪，同时，吸枪移动速度应尽量缓慢。

（5）漏孔位置可以通过根据检漏仪示值的变化快慢和反应时间长短来判断，如检漏仪示值变化缓慢，且反应时间较长，说明吸枪所在位置没有漏点，应在附近寻找漏点位置。

3.3 工艺优化

因同型号和规格的气液分离罐数量较多，为减少该批分离罐总体保压等待时间，需要对检测工艺进行优化。技术人员根据分离罐的规格结构，设计出一套不锈钢工装，工装的各个进出气口由阀门控制，并在出气口侧留有压力表安装接口。在该工装上均匀分布6组出气接口，可同时连接6台气液分离罐，改进后的工装示意图如图2所示。

图2 改进后的检测工装示意图

当多台容器使用该工装同时进行充气及检测时，通常使用静置扩散的方式使不同容器的氦浓度趋向均匀，静置时间需要通过试验测得。首先将6台同规格的气液分离罐并联在工装上，充入氦气体积浓度为20%的混合气体至试验压力0.1 MPa，每间隔30 min，用氦浓度检测仪分别在6台分离罐的底部测试各分离罐内的氦气体积浓度，共进行6次测量，得到的测试数据如表1所示。

由表1可知，静置时间越长，各气液分离罐中的氦气体积浓度越接近，但静置时间过长会延长整体检测时间，降低检测效率。通过观察各分离罐在不同保压时间下的浓度值，我们可以发现，在静置1.5 h后，各分离罐监测点的氦气体积浓度相差在3%以内，各分离罐内浓度变化曲线趋向平直，表明各分离罐内的气体已接近均匀，已经能够将因浓度不同而产生的误差降低到可接受的水平。

4 检测结果

为验证该工装在实际检验期间的有效性，检验人员分别对存在单个漏点的单台气液分离罐及将其与同规格的5台分离罐并联在工装上后进行试验，结果如下：

表1 不同保压时间下氦气体积分数为20%的各取样位置体积浓度分布（单位：%）

试验1：将存在单个漏点的该台气液分离罐充入氦气浓度为20%的纯氦气与氮气混合气体至试验压力0.1 MPa，静置1.5 h后，用吸枪对漏孔区域进行检测，测得该漏点的漏率为7.2×10-5Pa·m3/s；

试验2：将该台气液分离罐与同规格的5台分离罐并联在工装上，充入氦气浓度为20%的纯氦气与氮气混合气体至试验压力0.1 MPa，静置1.5h后，用吸枪对漏孔区域进行检测，记录该漏孔的漏率，由漏率公式计算后可得该漏点的漏率为6.5×10-5Pa·m3/s。

由上述试验可知，将存在漏点的单台气液分离罐进行吸枪检验与将该台分离罐与同规格的分离罐连接在工装上相比，对于同一漏孔的漏率接近，进而验证了该工装的有效性，证明其可以应用在现场检验中。与此同时，检测工艺经优化后，6台容器同时保压，保压时间可缩短1.5 h。考虑到单台容器独立检测时工装连接、气密性检查、放气和拆除等时间，6台容器的整体检测时间至少可缩短2.5～3.0 h，大大提高了检测效率。

5 结语

氦质谱吸枪法检漏能够对漏孔进行准确定位，且操作简便、安全高效，可广泛应用于容器制造阶段的气密性检测。在对气液分离罐氦质谱吸枪法检漏检测中，通过严格遵守操作步骤，总结检测要点，并对工艺方法进行优化，确定合适的保压时间，气液分离罐能够实现批量检漏，从而高效完成现场检测工作。