余热排除热交换器氦检漏方法及实践

余热排除热交换器氦检漏方法及实践
作者：蔡泽波
来源：《科学大众》2018年第07期
摘要：余热排除热交换器（以下简称余排）是三代核电AP1000堆型的重要非能动装置，其结构特点之一就是它的整个管系是由不锈钢型钢焊接而成的钢结构，外部没有壳体包围。

该特殊工况提出的特殊要求给管子与管板封口焊的检漏带来了困难。

经深入研究分析，本文开发了全新的专用检测装置及方法，具有检测灵敏度高、检测速度快的优点。

关键词：余热排出热交换器；喷氦法氦检漏；真空吸枪
氦检漏是氦气从检测工件一侧泄漏至另一侧并通过质谱仪分析而得到泄漏率的一种重要检漏方法。

氦气由于质量小、易于穿过漏孔、在空气中的含量小、容易发现、灵敏度高等优点，被应用于氦质谱检漏中，可以检出微小的渗漏[1]。

余排的换热管是核岛系统重要的安全换热边界，其管子与管板焊缝在焊接过程中可能出现穿透性缺陷，从而导致设备在水压或在运行的时候出现渗漏，对核电站的正常运行造成威胁，所以，其封口焊的氦检漏非常重要。

余排结构复杂、外部没有壳体包裹，检测精度要求高，需要对余排的工况条件进行深入研究，确定最佳氦检漏方法，以精确检测出封口焊的穿透性缺陷，确保产品质量。

1 国外余排氦检漏方法和国内蒸发器氦检漏方法介绍
在检测过程中必须在工件两侧通过各种方式建立压差，以实现氦气受压通过缺陷，从而被检漏仪捕获显示漏率。

1.1 蒸发器氦检漏
在蒸发器SG完成穿管和封口焊焊接后，在抽真空和充气前，把锥形筒体部分用盖子密封，把各个手孔和眼孔密封。

先将二次侧抽至1 000 Pa以下的低真空，再充入氦气和氮气至表压0.1 MPa（绝对压力0.2 MPa），保证氦气质量分数大于20%。

SG封口焊检测如图1所示，在一次侧使用设计的特殊吸枪，对封口焊进行密封，在检测过程中，对密封腔抽真空可以实现焊缝两侧即一次侧密封腔和二次侧之间形成0.2 MPa的压差。

在此情况，氦检漏系统可以实现10-11 Pa·（m3/s）的检漏灵敏度，而此时的验收标准为4.0×10-9 Pa·（m3/s），可以检出微小的泄漏，实现检验目的。

1.2 余排喷氦法检漏
余排封口焊接完成后的结构如图3所示，二次侧没有壳体而是钢架，这无法实现SG工况下充气，给检测带来麻烦，必须研究新的方案。

一种方法是利用喷氦法原理（见图2），每焊接一排就进行一次检验，一次侧与SG使用的吸枪一样，二次侧则是用气囊连接一个可以控制气量的喷枪在所检验的管孔喷气。

这种方法简单快速，但精度低难以定量和定位。

2 检测方法分析及对比
2.1 喷氦法
喷氦法是在被检测件的一侧抽真空，在另一侧使用与氦气连接的喷头进行喷吹，氦气通过压差进入被检测件而被检漏仪捕获的一种检漏方法。

喷氦法具有很高的灵敏度，但它只是一种半定量的方法，不能作为一种定量的方法[2]。

在余排氦检漏中，图2所示的方法即喷氦法，检验时机为每排管子定位胀及封口焊结束后。

在通常的检测中，被检测的部位为焊缝或者容器壁，喷枪可以直接对焊缝或容器壁喷气。

但在余排封口焊工况条件下，喷氦的位置距离检测的封口焊相隔了一个管板，氦气必须通过管子外壁与管板孔之间小于0.5 mm的间隙，才能到达封口焊位置，测量结果存在不确定性。

为了进一步对该方法进行验证，采用喷氦法对SG封口焊试板进行了试验，试验结果表明，在试板的厚度仅为100 mm的情况下，该方法也仅能做定性检测缺陷，不能实现定量检测。

而余排管板厚度约为260 mm，喷吹的氦气从管板背面到达管板正面封口焊的距离更长，即使在封口焊存在泄漏，经过漫长的路径到达泄漏封口焊位置的氦气将非常少，给检测带来很大的不确定性，不仅不能定量，甚至会影响缺陷的检出。

2.2 真空吸枪法
本文说的真空吸枪是如图1所示的SG氦检漏方法，但氦气质量分数和压力可以不同。

这种方法要求在二次侧充适当质量分数的氦气并密封和保压一段时间。

由于余排二次侧没有壳体，我们提出了两种对二次侧密封的方法。

一种是制作一个合适大小和形状的塑料薄膜外套，将外套直接套在二次侧，在充气压力接近大气压的情况下，用胶布进行密封，但在试验情况下密封性难以保证。

第二种方法是制造一个钢制外壳，将余排的管系放入外壳中，露出两个管板，使用专用密封圈进行密封（见图3），该方案可实现稳定可靠的密封、充气和保压。

3 检测方法的确定
喷氦法检测不需要制造二次侧的密封装置，成本较低，而且在焊接过程中可以交替进行，工件不需要频繁的移动，检测过程简单快速，是一种较简单方便的方法。

但由于管板厚度大，管板与管子之间的间隙小，造成氦气很难到达检测部位，檢测难以定量和定位，该方法首先被排除。

真空吸枪法的第一种方法与第二种方法相比，在二次侧充气工装制作上要相对经济简单，但由于工件尺寸大，重量重达42 t，而塑料薄膜本身就存在厚度薄、容易产生破损的缺点，在大工件状态下更难以实现良好密封，而且在长时间的检测过程中，氦气很容易通过薄膜破损位置扩散到空气中，逆扩散进入氦检漏仪，从而造成本底升高，影响实际氦检漏精度。

而制作钢制外壳对余排管系进行包裹密封，在一次侧采用真空吸枪法进行检测的方法，具有密封稳定可靠、检测灵敏度高、检测效率高、工况参数易于控制的优点，因此最终被选用。

4 检测步骤和参数的确定
在检漏装置上部靠近两个管板位置分别设有一个充气口，实现两侧的同时进气，检漏装置下部两侧分别设有一个压力表，对检漏过程的压力进行监控，排气口设置在最下方以方便排气。

在检漏装置安装密封完毕以后，首先，进行气密性试验以保证工装的密封。

其次，将排气口关闭，两个充气口接通压缩空气，打开充气口和压力表阀门，让气压缓慢升高。

气压缓慢升压至额定压力，保压30 min，检漏装置无异常响声，经肥皂液或其他检漏液检查无漏气，无可见变形即为合格。

气密性试验过程中，严禁带压紧固螺栓。

气密性试验结束后，在检漏装置上部的充气口充入氦气，保证最后氦气质量分数大于20%。

利用氦气比空气轻的原理，在容器上部充气口充入氦气置换装置中的空气，以达到需要的氦质量分数。

对检漏容器实施氦气及空气的气体置换试验，直至检漏容器内压力达到额定压力，并且氦质量分数≥20%（氦质量分数分析取样在检漏容器上方取样口实施，并且在检测过程中每小时进行取样全程监控检质量分数）。

保压2 h后，再次进行氦质量分数分析，若氦质量分数均≥20%且容器压力没有下降，则充气置换完成，可以进行检漏工作。

验收标准及检验的灵敏度的确定。

验收标准在标准状况下（C=100%氦气，压差Δp=0.1 MPa）的泄漏率Tfa=10-8 Pa·（m3/s），在实际情况下的验收标准TF=C×（P1/ Pa）×Tfa（C：检漏容器内的氦气质量分数，P1：检漏容器内混合气体的绝对压力，Pa：大气压力），在以上充气条件下的验收标准高达10-9 Pa·（m3/s）数量级。

检测系统的灵敏度S=（VFE×最小可检信号）/（SFE-R）（记录参考漏孔信号SFE的值，关掉标准漏孔并记录剩余信号R，VFE：标准漏孔值），灵敏度S应为10-10 Pa·（m3/s）数量级。

氦检漏前的清洁非常重要，正式检测前，应仔细检查每一个管孔的清洁度，确认无渗透探伤残留物和其他任何可能造成漏孔堵塞的污染，以避免对后续检漏效果产生影响。

在检测过程中如遇泄漏的情况，应当反复检測并确定，然后用气泡法、渗透检验、目视等方法对缺陷进行定位。

如有返修孔，返修可在检漏装置放气至常压下进行（该情况下，检漏装置内的氦质量分数保持与放气前保持一致），在返修完成后的检测过程中应当延长检测的时间以确保检漏精度。

5 实际检测情况
在充气过程中，气体置换顺利，从进气口测得的氦气质量分数满足要求。

检测过程中，四孔的密封吸盘，密封良好，在试块上本底达10-10 Pa·（m3/s）量级，系统的灵敏度高达10-11 Pa·（m3/s）量级，反应时间小。

检测过程中，采用的四孔吸枪可实现一次检测4个封口焊，高效快捷。

采用专用标记笔对检测过的管孔进行标记以避免漏检，有效保障检测质量。

6 结语
实际检测的高效准确实施，证明了选择的氦检漏方法适当，制作的氦检漏装置密封良好，充分满足了检测过程中的各种要求，保证了检测的顺利进行。

检测结果表明，两块管板所有的封口焊全部合格，而之前的目视检测、尺寸检测、渗透检测同样全部合格，进一步验证了余排
封口焊的质量。

余排氦检漏的成功实施，确保了余排封口焊的质量，为实现国内首台余热排出热交换器的顺利制造打下了坚实的基础。

[参考文献]
[1]Asme Bpvc-V-2007 append IX V—helium mass spectrometer test [Z].Tracer Probe Technique，2007.
[2]吴孝俭，闫荣鑫.泄漏检测[M].北京：机械工业出版社，2005.。