换热器检漏,氦质谱检漏仪,检漏应用伯东Pfeiffer换热器检漏专用氦...
杨崇安 李宜全
【摘 要】板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，且传热面上有凹凸，因此比传统的光滑管的压力损失大。在进行氦质谱检漏时，存在不易抽真空，反应时间长等困难。本文根据以上特点，通过分析不同的检验方法和检验设备，针对不同的检验环境和检验时机，提出相应的氦质谱检漏方案，并在实际工程中得到成功应用。
【关键词】氦质谱检漏；板式换热器；方法选择；真空泵选择；工程应用
1 板式换热器简介
板式热交换器是一种广泛应用的新型、高效、紧凑的热交换器，一般由传热板片、密封垫片、压紧装置三个主要部件组成。其结构由一系列互相平行，具有波纹表面的薄金属板片相叠而成。许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。板式换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、使用寿命长等特点。
2 常见故障与部位
2.1 外漏及部位
外漏主要表现为渗漏。外漏出现的主要部位为板片与板片之间的密封处、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片与压紧板内侧密封处。 2.2 串液及部位
串液主要特征为压力较高一侧的介质串入压力较低一侧的介质中，系统中会出现压力和温度的异常。如果介质具有腐蚀性，还可能导致回路中其它设备的腐蚀。串液通常发生在导流区域或者二道密封区域。
3 检验范围
为避免外漏故障发生，需对板片与板片之间的密封处、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片与压紧板内侧密封处进行氦质谱检漏。
为避免串液故障发生，需对导流区域和二道密封区域进行氦质谱检漏。
4 检验方法的选择
在大型容器检漏时可以把氦质谱检漏分为吸枪检漏和真空检漏两大类，对于具体采用哪一种方法需根据设计技术要求中的验收标准、被检容器的结构特点、检验部位、检验时机、检验环境、检验设备进行选择。在选取具体的检漏方法时，该方法的检验灵敏度应与验收标准匹配，太低不符合要求，太高费用较高，且浪费时间。为提高检验效率，检验的反应时间要短，以便加快检漏速度。对于板式换热器泄漏检验而言，不要求对漏孔进行精确的定位，该特点增加了檢漏方法的选择范围。
在工程应用领域，还需考虑检验方法的稳定性，在足够长的时间里要求灵敏度可靠，以便进行复查和定量测量，确保检验的可靠性和可重复性。为满足现场性能可靠、使用和维护方便的要求，需选择结构简单，操作维护方便，经济适用的检漏用设备和仪器。
验收标准是选择检验实施方法的关键，如果验收标准要求的泄漏率小于1×10-7Pa.m3/s，一般采用实施较为方便的吸枪法，反之一般采用真空检漏法。
对于可能发生外漏部位的氦质谱检验，如果检验时机为出厂检验，同时检验环境通风条件良好，可以采用氦罩法、喷氦法和吸枪法。由于板式换热器的波纹状表面无法进行局部密封，只能采用整体氦罩法，但板式换热器体积较大导致氦罩体积同样会很大，造成容器底部氦气浓度偏低，从而影响容器底部检验的有效性，基于以上原因可以考虑其他两种方法。吸枪法实施较为简单，能有效克服板式换热器真空法检验反应时间长的缺点，但使用吸枪法需考虑吸枪距离和移动速度两个因素。根据图1漏率表读值R与吸人器离漏孔距离s的关系（曲线1为标准吸枪，曲线2为快速吸枪）；图2吸人器探尖离漏孔为1mm时，它的移动速度与漏率表读值的关系。从实验结果得出吸人器的移动速度以不超过10 mm/s为宜。吸枪法对吸枪距离和移动速度的要求导致对人员操作要求严格，使检验效率偏低。
喷氦法能够克服氦罩法容器底部氦浓度偏低的缺点，同时在工程实现上省去了氦罩制作与密封环节，也能够避免吸枪法操作要求严格，检验效率偏低的缺点。在工厂内可以使用纯氦进行大气流喷吹被检表面，所以对喷枪距离和移动速度要求较低，使用喷氦法可以准确找到漏孔位置。综合以上因素，使用喷氦法是可以有效、快速地完成检验的一种方法。
实施喷氦法需要重点关注漏率标定、辅助泵分流、喷吹时间。在辅助泵的抽速选择时必须对流导、放气面积作为主要考虑因素。通常相同容积的板式换热器比管式换热器需要的辅助泵抽速要高。为提高检验效率和有效性，可以使用纯氦并在气喷嘴前端安装弹性聚集罩。
如果检验时机为设备安装并完成水压试验后进行，此时需考虑安装状态、通风条件、检验场地等因素。如不具备通风条件且空间狭小，需排除喷氦法和氦罩法，以避免产生窒息危险和高本底对质谱仪、检验和标定产生影响。对于此种情况可以考虑吸枪检漏法。为提高检验效率和有效性，可以在吸枪前端安装弹性收集罩。吸枪前端结构及检验环境对检漏效果存在影响。图3中（a）只有小部分氦气进入吸枪，（b）大部分氦气进入吸枪（c）。流通的强风使氦气无法进入吸枪。
针对导流区域和二道密封区域的氦质谱检验，由于此处密封边界验收标准高、被检部位不可达、结构复杂宜选用真空检漏法。实施真空法需要重点关注漏率标定、辅助泵分流。在辅助泵的抽速选择时与喷吹法一样，必须对流导、放气量作为主要考虑因素。为方便调节检验灵敏度需在辅助泵前加装节流阀。实施真空法时，先用辅助泵将高温侧抽至一定的真空度，然后向低温侧充入一定压力的混合示踪气体，连通氦质谱仪至高温侧，检验泄漏率是否满足验收标准要求。另外，真空法应在吸枪法之前进行，否则需要多次氮气置换才能满足真空法的本底要求。
5 真空系统的建立
在使用真空检漏法和喷氦法时，需对换热器内部建立真空状态。板式换热器的结构特点使密封边界的面积很大，在此必须考虑设备材料放气和流导对氦质谱检漏的影响。通常材料的放气现象会影响真空室的极限压力和工作压力，使氦质谱仪无法启动。为建立良好的真空状态，需增加辅助泵避免真空室压力升高。为此需对真空泵进行选择。
5.1 真空泵类型选择
水环真空泵，一种粗抽真空泵，能获得的极限真空为2000～4000Pa。因可以抽除含尘、含水的气体，所以当所检验的板式换热器为系统安装并进行水压试验后或在役检验时，选用水环泵作为初级泵使用。
2XZ型旋片式真空泵，2XZ 型旋片式真空泵具有結构紧凑，体积小，重量轻，噪音低，振动小等优点。在它适用的真空度范围内，可以单独使用，也可以与其他类型的真空泵配
由2XZ型旋片式真空泵抽气速率与进气口压力曲线可知，对于板式换热器的真空状态建立可选用该类型真空泵，该泵能够保证氦质谱仪达到启动需要的真空度，同时在一定条件下，能够允许仅用2XZ型旋片式真空泵作为辅助泵组成检漏系统，增加工程适用性。
5.2 真空泵抽速选择
5.2.1 水环真空泵抽速选择
一般粗抽时间不大于10～30分钟，根据抽气时间计算公式可以推算出，选用抽速在10L/S～20L/S的水环泵即可满足检验要求。
2XZ型旋片式真空泵抽速选择。
因2XZ型旋片式真空泵作为氦质谱检漏重要的辅助泵，必须对其抽速的计算进行多方面考虑。首先根据氦质谱仪的启动压力、换热器的容积、抽气时间由抽气时间计算公式可以计算出真空泵名义抽速。因抽速和抽气时间相互成反比，无法通过计算得出真空泵最小有效抽速。
任何固体材料在大气环境下都能溶解、吸附一些气体，当材料置于真空中时就会因解溶、解吸而出气。对于板式换热器而言，由于换热面积大在建立真空系统时，不锈钢和丁腈橡胶材料的出气是真空系统最主要的气源。根据板式换热器结构特点，换热板之间形成的空间类似于细长的真空室，所以其内部各处压力是不等的。如图5均匀出气的细长真空室的抽气。
真空室任意点压力为：
px=ql■+■-■ [4]
px-真空室长度方向上的压力值；l-真空室截面周长；L-真空室长度；Q-真空室壁的出气量；q-真空室壁材料出气率；U-长度为L的管道的流导；S-X=0处机组的有效抽速。
根据板式换热器的规格和验收技术规格书，可以得到距离抽气口最远端的压力值pL，为简化计算，以克劳辛系数先计算最远端处一个细长真空室的流导U，通过不锈钢和丁腈橡胶的出气率和真空室壁面积，计算真空室壁的出气量Q，根据公式：
S=■ [5]
计算所需的有效抽速，然后累计每一细长真空室所需的有效抽速，即可得到所需真空泵最小抽速。通过以上计算所需要的最小有效抽速不低于12L/S，但为了可靠起见一般适当增大20%。然后根据市场中已有的真空泵规格选取检验用真空泵。
6 清洁与干燥方式选择
对于氦质谱检漏而言，密封边界的清洁与干燥关系到检验能够顺利实施及数据的有效性。根据板式换热器的结构特点，可采用吹热空气烘干的方式进行干燥，但热空气的温度不可超过80℃。一般在氦质谱检漏前，采用抽真空与气体置换相结合的方法对换热器内部再进行一次干燥。在干燥过程中可同时进行真空计法和保压法对真空系统及容器进行初步检漏，为更高精度的泄漏检验做准备。对于被检部位的清洁，一般使用工业吸尘器对换热器外表面进行除尘和干燥，因板式换热器蜂窝状表面，应避免使用压缩空气进行表面吹扫造成扬尘和漏孔堵塞。
7 工程应用
在实际应用中，所检验的板式换热器相关参数详见表1：某换热器相关参数。
该换热器检漏是在现场安装后进行的，空间较小，并已占房间面积的1/3，现场无通风条件，检验实施场地有限，大型设备无法进入。针对以上情况采用吸枪法和真空法实施氦质谱检验，采用水环泵、旋片泵、不锈钢波纹管、球阀、节流阀组建真空系统。首先使用水环泵抽真空，然后充入氮气，再次使用水环泵抽真空，反复几次对换热器内部抽除水蒸气和粉尘。使用工业吸尘器对换热器外表面除尘和干燥。使用旋片泵抽真空和氮气置换的方式对换热器内部进一步干燥。干燥后首先进行真空检漏法，然后实施吸枪法。因真空法只对换热器的一侧抽真空，所以降低了检验对真空系统建立的要求，同时选用的旋片真空泵抽速较高，容器内部干燥充分，系统标定得以较快完成。
在实施吸枪检验时，检验进度约完成3/4左右，检验人员发现氦质谱仪本底噪声逐渐增大，为此重新对质谱仪进行仪器标定和系统标定，进行系统标定时吸枪尽量远离检验现场，以防止检漏系统中的漏气对系统标定产生影响，标定后发现一切正常。当吸枪靠近被检件时发现，信号本底出现2～3数量级的跳动而非稳定的泄漏信号，于是推断氦气充压系统可能有泄漏，使用吸枪对充压系统的管线进行排查，发现在工作实施过程中，由于检验场地过于狭小，操作人员不慎将换热器附近的氦气压力表损坏，造成漏气。关闭氦气瓶阀门，停止氦质谱仪运转，封堵检漏口，更换压力表并用风扇向换热器房间内吹风，以降低检验环境本底。吹风约半小时后重新对仪器和系统进行标定，合格后继续检验，直至检验完成。
8 结论
综合以上理论计算及工程应用，对于不同的检验时机和检验条件下的板式换热器氦质谱检漏而言，采用吹热空气、抽真空与气体置换相结合的方法对换热器内部进行干燥，使用工业吸尘器对换热器外表面进行除尘和干燥，采用水环真空泵、2XZ型旋片式真空泵作为辅助泵，采用喷氦法、吸枪法、真空法三种具体方法，针对板片与板片之间的密封处、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片与压紧板内侧密封处，可采用喷氦法和吸枪法进行检验；针对导流区域和二道密封区域采用真空法进行检验，以上检验方法满足板式换热器对出厂、役前、在役氦质谱检漏的相关技术要求。
【参考文献】
ASME 锅炉压力容器规范 第V卷（2004）无损检验 第十章 泄漏试验.
[1][2]曹辉玲，王树鹏.大容器的检漏技术[A].
[3][4][5]达道安.真空设计手册[M].国防工业出版社，2006（5）.
[责任编辑：田吉捷]
