氦质谱检漏密封性在核级金属波纹管试验中的应用

2022-09-27于翔麟张文良张秀华张大林杨志新

工程与试验 2022年3期

王雪，于翔麟，张文良，张秀华，张大林，杨志新，高爽

(沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110043)

1 引言

随着化石能源日益紧缺和人们环保意识不断增强，清洁能源越来越受到重视。核电作为一种安全、清洁、经济且可以大规模利用的能源，未来在能源领域的占比将会越来越大。核电站输送放射性物质、液态金属、有害介质和危险介质的管路上均采用波纹管阀门，其密封性是核电站安全运行的重要保障。由于核电站的特殊性，其阀门产品的设计、制造有着比常规阀门更高的测试要求和更严苛的标准。

核电站阀用波纹管是防止泄漏最可靠的密封元件，须保证完全密封以防止沿阀杆的泄漏，波纹管的失效可能会引起分系统或整个系统的失效。核级波纹管的工作条件非常苛刻，要确保在使用过程中实现零泄漏，防止管路介质丢失和易燃、易爆、放射性、腐蚀等有害介质的渗漏，保护人员和环境安全。因此，核级波纹管在制造过程中必须保证其密封性，对核级波纹管进行检漏十分重要。

2 密封的作用

密封是保证产品在使用中能可靠发挥作用的重要措施之一，密封试验是考核产品是否存在泄漏最有效的试验。为了满足产品的不同使用要求，密封的指标也有所不同，常用的泄漏检测方法有气压浸水法、颜色浸染法、质量流量法、差动压力法、氦质谱检漏法等。观测焊缝的质量，可采用X射线探伤法，还可以通过气密性试验、水压试验完成。

采用氦质谱检漏技术能够发现漏点，保证真空密封性达到合格的水平，从根本上消除由于泄漏造成的危害。氦质谱检漏技术广泛应用于航空航天、电力、真空、仪器仪表、核工业等众多行业，具有灵敏度高、操作使用方便的特点，可以定性、定点、定量地检测出泄漏缺陷。另外，氦质谱检漏使用惰性气体氦作为试验介质，对环境、检测人员以及被检件无污染、无损害。核电用金属波纹管组件在出厂检验时要进行氦质谱检漏试验，漏率要达到10-9Pa·m3/s量级，以此来保证波纹管具有良好的密封性能。

3 氦质谱检漏装置结构及工作原理

氦质谱检漏装置由氦质谱检漏仪、抽真空组、真空表、压力表等组成(核级金属波纹管氦质谱检漏装置示意图见图1)。利用氦质谱检漏仪的氦分压力测量原理，介质为气体氦，实现对被检件氦泄漏量的测试。当被检件密封面上存在漏孔时，氦气会从漏气孔泄出，泄漏出来的气体进入氦质谱检漏仪后，对氦气进行识别并收集，通过标准漏孔比对的方法可以获得漏孔对氦泄漏量的测算，进而实现检漏的目的。氦质谱检漏装置具有自动计算漏率值的功能，可以在显示屏上直接读出漏率的大小数值。

图1 核级金属波纹管氦质谱检漏装置示意图

4 核级金属波纹管检漏步骤

利用氦质谱检漏仪进行检漏的方法较多，实际检漏中要根据被检件的结构、大小和要求等特定条件来选择合适的检漏方法，目前多采用喷氦法进行漏率的检测(喷氦法检漏示意图见图2)。漏率是指在已知漏泄处两侧压差的情况下，单位时间内流过漏泄处的给定温度的干燥气体量。采用国际单位制时，漏率的单位为Pa·m3/s。

图2 喷氦法检漏示意图

首先按要求调整好设备，将被检产品与抽气系统相连接，用高真空硅脂对金属波纹管两端与O形橡胶密封圈贴合的部位进行均匀涂抹密封，其中一端的密封结构中间留有检漏口，置于氦质谱检漏仪的漏口上，将波纹管内腔抽真空，抽真空的时间会有所不同，具体以产品实际要求的情况为准，一般真空度达到100Pa以下，然后利用喷氦法检测波纹管的泄漏率。

将待检测波纹管充入氦气，在一定时间内确认波纹管是否发生泄漏。有些波纹管因使用条件或被测点部位的特点，可能通过测某点漏率比较准确。检漏时，把密封结构的密封面放在橡胶密封垫留作漏口的圆心透孔上，按检漏仪上的开始按钮，当抽至10-9Pa·m3/s以上时，按检漏仪上的清零按钮，然后用连接在装有氦气源的喷枪对金属波纹管由上至下进行喷氦。如果有氦气从漏孔中流入，则装置内的氦分压就会上升，由输出仪表显示出来，根据读数的大小可确定漏率大小，否则检漏仪的显示没有变化，据此完成核级金属波纹管的检漏工作。

通常保压的时间按下式计算：

式中，A为测试前的大气本底值；P为大气压强，Pa；V为外罩的净容积；m3；Qi为要求的漏率值；CP为被检件内的氦气浓度系数。

漏率的计算公式：

式中，P1为氦气的绝对压力，P0为空气的绝对压力，K为比例常数，C为氦气浓度(与分压成正比)。

为了准确地在漏孔位置喷氦，喷氦时应自上而下，这是因为在喷下方时氦气有可能被上方漏孔吸入，导致很难确定漏孔的位置。检测完毕后，如有泄漏，则进行返修。返修后经过设计要求的各项检验确认合格后，按以上步骤再次对返修部件进行检漏试验，从而完成核级金属波纹管的检测工作。