板式換熱器氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)應(yīng)用

楊崇安　李宜全

【摘 要】板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，且傳熱面上有凹凸，因此比傳統(tǒng)的光滑管的壓力損失大。在進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏時(shí)，存在不易抽真空，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等困難。本文根據(jù)以上特點(diǎn)，通過分析不同的檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)設(shè)備，針對(duì)不同的檢驗(yàn)環(huán)境和檢驗(yàn)時(shí)機(jī)，提出相應(yīng)的氦質(zhì)譜檢漏方案，并在實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】氦質(zhì)譜檢漏；板式換熱器；方法選擇；真空泵選擇；工程應(yīng)用

1 板式換熱器簡(jiǎn)介

板式熱交換器是一種廣泛應(yīng)用的新型、高效、緊湊的熱交換器，一般由傳熱板片、密封墊片、壓緊裝置三個(gè)主要部件組成。其結(jié)構(gòu)由一系列互相平行，具有波紋表面的薄金屬板片相疊而成。許多沖壓有波紋薄板按一定間隔，四周通過墊片密封，并用框架和壓緊螺旋重疊壓緊，板片和墊片的四個(gè)角孔形成了流體的分配管和匯集管，同時(shí)又合理地將冷熱流體分開，使其分別在每塊板片兩側(cè)的流道中流動(dòng)，通過板片進(jìn)行熱交換。板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2 常見故障與部位

2.1 外漏及部位

外漏主要表現(xiàn)為滲漏。外漏出現(xiàn)的主要部位為板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內(nèi)側(cè)密封處。 2.2 串液及部位

串液主要特征為壓力較高一側(cè)的介質(zhì)串入壓力較低一側(cè)的介質(zhì)中，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)壓力和溫度的異常。如果介質(zhì)具有腐蝕性，還可能導(dǎo)致回路中其它設(shè)備的腐蝕。串液通常發(fā)生在導(dǎo)流區(qū)域或者二道密封區(qū)域。

3 檢驗(yàn)范圍

為避免外漏故障發(fā)生，需對(duì)板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內(nèi)側(cè)密封處進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏。

為避免串液故障發(fā)生，需對(duì)導(dǎo)流區(qū)域和二道密封區(qū)域進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏。

4 檢驗(yàn)方法的選擇

在大型容器檢漏時(shí)可以把氦質(zhì)譜檢漏分為吸槍檢漏和真空檢漏兩大類，對(duì)于具體采用哪一種方法需根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、被檢容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、檢驗(yàn)部位、檢驗(yàn)時(shí)機(jī)、檢驗(yàn)環(huán)境、檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行選擇。在選取具體的檢漏方法時(shí)，該方法的檢驗(yàn)靈敏度應(yīng)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)匹配，太低不符合要求，太高費(fèi)用較高，且浪費(fèi)時(shí)間。為提高檢驗(yàn)效率，檢驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間要短，以便加快檢漏速度。對(duì)于板式換熱器泄漏檢驗(yàn)而言，不要求對(duì)漏孔進(jìn)行精確的定位，該特點(diǎn)增加了檢漏方法的選擇范圍。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域，還需考慮檢驗(yàn)方法的穩(wěn)定性，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里要求靈敏度可靠，以便進(jìn)行復(fù)查和定量測(cè)量，確保檢驗(yàn)的可靠性和可重復(fù)性。為滿足現(xiàn)場(chǎng)性能可靠、使用和維護(hù)方便的要求，需選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)適用的檢漏用設(shè)備和儀器。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是選擇檢驗(yàn)實(shí)施方法的關(guān)鍵，如果驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求的泄漏率小于1×10-7Pa.m3/s，一般采用實(shí)施較為方便的吸槍法，反之一般采用真空檢漏法。

對(duì)于可能發(fā)生外漏部位的氦質(zhì)譜檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)時(shí)機(jī)為出廠檢驗(yàn)，同時(shí)檢驗(yàn)環(huán)境通風(fēng)條件良好，可以采用氦罩法、噴氦法和吸槍法。由于板式換熱器的波紋狀表面無(wú)法進(jìn)行局部密封，只能采用整體氦罩法，但板式換熱器體積較大導(dǎo)致氦罩體積同樣會(huì)很大，造成容器底部氦氣濃度偏低，從而影響容器底部檢驗(yàn)的有效性，基于以上原因可以考慮其他兩種方法。吸槍法實(shí)施較為簡(jiǎn)單，能有效克服板式換熱器真空法檢驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，但使用吸槍法需考慮吸槍距離和移動(dòng)速度兩個(gè)因素。根據(jù)圖1漏率表讀值R與吸人器離漏孔距離s的關(guān)系（曲線1為標(biāo)準(zhǔn)吸槍，曲線2為快速吸槍）；圖2吸人器探尖離漏孔為1mm時(shí)，它的移動(dòng)速度與漏率表讀值的關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出吸人器的移動(dòng)速度以不超過10 mm/s為宜。吸槍法對(duì)吸槍距離和移動(dòng)速度的要求導(dǎo)致對(duì)人員操作要求嚴(yán)格，使檢驗(yàn)效率偏低。

噴氦法能夠克服氦罩法容器底部氦濃度偏低的缺點(diǎn)，同時(shí)在工程實(shí)現(xiàn)上省去了氦罩制作與密封環(huán)節(jié)，也能夠避免吸槍法操作要求嚴(yán)格，檢驗(yàn)效率偏低的缺點(diǎn)。在工廠內(nèi)可以使用純氦進(jìn)行大氣流噴吹被檢表面，所以對(duì)噴槍距離和移動(dòng)速度要求較低，使用噴氦法可以準(zhǔn)確找到漏孔位置。綜合以上因素，使用噴氦法是可以有效、快速地完成檢驗(yàn)的一種方法。

實(shí)施噴氦法需要重點(diǎn)關(guān)注漏率標(biāo)定、輔助泵分流、噴吹時(shí)間。在輔助泵的抽速選擇時(shí)必須對(duì)流導(dǎo)、放氣面積作為主要考慮因素。通常相同容積的板式換熱器比管式換熱器需要的輔助泵抽速要高。為提高檢驗(yàn)效率和有效性，可以使用純氦并在氣噴嘴前端安裝彈性聚集罩。

如果檢驗(yàn)時(shí)機(jī)為設(shè)備安裝并完成水壓試驗(yàn)后進(jìn)行，此時(shí)需考慮安裝狀態(tài)、通風(fēng)條件、檢驗(yàn)場(chǎng)地等因素。如不具備通風(fēng)條件且空間狹小，需排除噴氦法和氦罩法，以避免產(chǎn)生窒息危險(xiǎn)和高本底對(duì)質(zhì)譜儀、檢驗(yàn)和標(biāo)定產(chǎn)生影響。對(duì)于此種情況可以考慮吸槍檢漏法。為提高檢驗(yàn)效率和有效性，可以在吸槍前端安裝彈性收集罩。吸槍前端結(jié)構(gòu)及檢驗(yàn)環(huán)境對(duì)檢漏效果存在影響。圖3中（a）只有小部分氦氣進(jìn)入吸槍，（b）大部分氦氣進(jìn)入吸槍（c）。流通的強(qiáng)風(fēng)使氦氣無(wú)法進(jìn)入吸槍。

針對(duì)導(dǎo)流區(qū)域和二道密封區(qū)域的氦質(zhì)譜檢驗(yàn)，由于此處密封邊界驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)高、被檢部位不可達(dá)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜宜選用真空檢漏法。實(shí)施真空法需要重點(diǎn)關(guān)注漏率標(biāo)定、輔助泵分流。在輔助泵的抽速選擇時(shí)與噴吹法一樣，必須對(duì)流導(dǎo)、放氣量作為主要考慮因素。為方便調(diào)節(jié)檢驗(yàn)靈敏度需在輔助泵前加裝節(jié)流閥。實(shí)施真空法時(shí)，先用輔助泵將高溫側(cè)抽至一定的真空度，然后向低溫側(cè)充入一定壓力的混合示蹤氣體，連通氦質(zhì)譜儀至高溫側(cè)，檢驗(yàn)泄漏率是否滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，真空法應(yīng)在吸槍法之前進(jìn)行，否則需要多次氮?dú)庵脫Q才能滿足真空法的本底要求。

5 真空系統(tǒng)的建立

在使用真空檢漏法和噴氦法時(shí)，需對(duì)換熱器內(nèi)部建立真空狀態(tài)。板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使密封邊界的面積很大，在此必須考慮設(shè)備材料放氣和流導(dǎo)對(duì)氦質(zhì)譜檢漏的影響。通常材料的放氣現(xiàn)象會(huì)影響真空室的極限壓力和工作壓力，使氦質(zhì)譜儀無(wú)法啟動(dòng)。為建立良好的真空狀態(tài)，需增加輔助泵避免真空室壓力升高。為此需對(duì)真空泵進(jìn)行選擇。

5.1 真空泵類型選擇

水環(huán)真空泵，一種粗抽真空泵，能獲得的極限真空為2000～4000Pa。因可以抽除含塵、含水的氣體，所以當(dāng)所檢驗(yàn)的板式換熱器為系統(tǒng)安裝并進(jìn)行水壓試驗(yàn)后或在役檢驗(yàn)時(shí)，選用水環(huán)泵作為初級(jí)泵使用。

2XZ型旋片式真空泵，2XZ 型旋片式真空泵具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，噪音低，振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。在它適用的真空度范圍內(nèi)，可以單獨(dú)使用，也可以與其他類型的真空泵配

由2XZ型旋片式真空泵抽氣速率與進(jìn)氣口壓力曲線可知，對(duì)于板式換熱器的真空狀態(tài)建立可選用該類型真空泵，該泵能夠保證氦質(zhì)譜儀達(dá)到啟動(dòng)需要的真空度，同時(shí)在一定條件下，能夠允許僅用2XZ型旋片式真空泵作為輔助泵組成檢漏系統(tǒng)，增加工程適用性。

5.2 真空泵抽速選擇

5.2.1 水環(huán)真空泵抽速選擇

一般粗抽時(shí)間不大于10～30分鐘，根據(jù)抽氣時(shí)間計(jì)算公式可以推算出，選用抽速在10L/S～20L/S的水環(huán)泵即可滿足檢驗(yàn)要求。

2XZ型旋片式真空泵抽速選擇。

因2XZ型旋片式真空泵作為氦質(zhì)譜檢漏重要的輔助泵，必須對(duì)其抽速的計(jì)算進(jìn)行多方面考慮。首先根據(jù)氦質(zhì)譜儀的啟動(dòng)壓力、換熱器的容積、抽氣時(shí)間由抽氣時(shí)間計(jì)算公式可以計(jì)算出真空泵名義抽速。因抽速和抽氣時(shí)間相互成反比，無(wú)法通過計(jì)算得出真空泵最小有效抽速。

任何固體材料在大氣環(huán)境下都能溶解、吸附一些氣體，當(dāng)材料置于真空中時(shí)就會(huì)因解溶、解吸而出氣。對(duì)于板式換熱器而言，由于換熱面積大在建立真空系統(tǒng)時(shí)，不銹鋼和丁腈橡膠材料的出氣是真空系統(tǒng)最主要的氣源。根據(jù)板式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，換熱板之間形成的空間類似于細(xì)長(zhǎng)的真空室，所以其內(nèi)部各處壓力是不等的。如圖5均勻出氣的細(xì)長(zhǎng)真空室的抽氣。

真空室任意點(diǎn)壓力為：

px=ql■+■-■ [4]

px-真空室長(zhǎng)度方向上的壓力值；l-真空室截面周長(zhǎng)；L-真空室長(zhǎng)度；Q-真空室壁的出氣量；q-真空室壁材料出氣率；U-長(zhǎng)度為L(zhǎng)的管道的流導(dǎo)；S-X=0處機(jī)組的有效抽速。

根據(jù)板式換熱器的規(guī)格和驗(yàn)收技術(shù)規(guī)格書，可以得到距離抽氣口最遠(yuǎn)端的壓力值pL，為簡(jiǎn)化計(jì)算，以克勞辛系數(shù)先計(jì)算最遠(yuǎn)端處一個(gè)細(xì)長(zhǎng)真空室的流導(dǎo)U，通過不銹鋼和丁腈橡膠的出氣率和真空室壁面積，計(jì)算真空室壁的出氣量Q，根據(jù)公式：

S=■ [5]

計(jì)算所需的有效抽速，然后累計(jì)每一細(xì)長(zhǎng)真空室所需的有效抽速，即可得到所需真空泵最小抽速。通過以上計(jì)算所需要的最小有效抽速不低于12L/S，但為了可靠起見一般適當(dāng)增大20%。然后根據(jù)市場(chǎng)中已有的真空泵規(guī)格選取檢驗(yàn)用真空泵。

6 清潔與干燥方式選擇

對(duì)于氦質(zhì)譜檢漏而言，密封邊界的清潔與干燥關(guān)系到檢驗(yàn)?zāi)軌蝽樌麑?shí)施及數(shù)據(jù)的有效性。根據(jù)板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用吹熱空氣烘干的方式進(jìn)行干燥，但熱空氣的溫度不可超過80℃。一般在氦質(zhì)譜檢漏前，采用抽真空與氣體置換相結(jié)合的方法對(duì)換熱器內(nèi)部再進(jìn)行一次干燥。在干燥過程中可同時(shí)進(jìn)行真空計(jì)法和保壓法對(duì)真空系統(tǒng)及容器進(jìn)行初步檢漏，為更高精度的泄漏檢驗(yàn)做準(zhǔn)備。對(duì)于被檢部位的清潔，一般使用工業(yè)吸塵器對(duì)換熱器外表面進(jìn)行除塵和干燥，因板式換熱器蜂窩狀表面，應(yīng)避免使用壓縮空氣進(jìn)行表面吹掃造成揚(yáng)塵和漏孔堵塞。

7 工程應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，所檢驗(yàn)的板式換熱器相關(guān)參數(shù)詳見表1：某換熱器相關(guān)參數(shù)。

該換熱器檢漏是在現(xiàn)場(chǎng)安裝后進(jìn)行的，空間較小，并已占房間面積的1/3，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)通風(fēng)條件，檢驗(yàn)實(shí)施場(chǎng)地有限，大型設(shè)備無(wú)法進(jìn)入。針對(duì)以上情況采用吸槍法和真空法實(shí)施氦質(zhì)譜檢驗(yàn)，采用水環(huán)泵、旋片泵、不銹鋼波紋管、球閥、節(jié)流閥組建真空系統(tǒng)。首先使用水環(huán)泵抽真空，然后充入氮?dú)?，再次使用水環(huán)泵抽真空，反復(fù)幾次對(duì)換熱器內(nèi)部抽除水蒸氣和粉塵。使用工業(yè)吸塵器對(duì)換熱器外表面除塵和干燥。使用旋片泵抽真空和氮?dú)庵脫Q的方式對(duì)換熱器內(nèi)部進(jìn)一步干燥。干燥后首先進(jìn)行真空檢漏法，然后實(shí)施吸槍法。因真空法只對(duì)換熱器的一側(cè)抽真空，所以降低了檢驗(yàn)對(duì)真空系統(tǒng)建立的要求，同時(shí)選用的旋片真空泵抽速較高，容器內(nèi)部干燥充分，系統(tǒng)標(biāo)定得以較快完成。

在實(shí)施吸槍檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)進(jìn)度約完成3/4左右，檢驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)氦質(zhì)譜儀本底噪聲逐漸增大，為此重新對(duì)質(zhì)譜儀進(jìn)行儀器標(biāo)定和系統(tǒng)標(biāo)定，進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)吸槍盡量遠(yuǎn)離檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，以防止檢漏系統(tǒng)中的漏氣對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定產(chǎn)生影響，標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)一切正常。當(dāng)吸槍靠近被檢件時(shí)發(fā)現(xiàn)，信號(hào)本底出現(xiàn)2～3數(shù)量級(jí)的跳動(dòng)而非穩(wěn)定的泄漏信號(hào)，于是推斷氦氣充壓系統(tǒng)可能有泄漏，使用吸槍對(duì)充壓系統(tǒng)的管線進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)在工作實(shí)施過程中，由于檢驗(yàn)場(chǎng)地過于狹小，操作人員不慎將換熱器附近的氦氣壓力表?yè)p壞，造成漏氣。關(guān)閉氦氣瓶閥門，停止氦質(zhì)譜儀運(yùn)轉(zhuǎn)，封堵檢漏口，更換壓力表并用風(fēng)扇向換熱器房間內(nèi)吹風(fēng)，以降低檢驗(yàn)環(huán)境本底。吹風(fēng)約半小時(shí)后重新對(duì)儀器和系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，合格后繼續(xù)檢驗(yàn)，直至檢驗(yàn)完成。

8 結(jié)論

綜合以上理論計(jì)算及工程應(yīng)用，對(duì)于不同的檢驗(yàn)時(shí)機(jī)和檢驗(yàn)條件下的板式換熱器氦質(zhì)譜檢漏而言，采用吹熱空氣、抽真空與氣體置換相結(jié)合的方法對(duì)換熱器內(nèi)部進(jìn)行干燥，使用工業(yè)吸塵器對(duì)換熱器外表面進(jìn)行除塵和干燥，采用水環(huán)真空泵、2XZ型旋片式真空泵作為輔助泵，采用噴氦法、吸槍法、真空法三種具體方法，針對(duì)板片與板片之間的密封處、板片二道密封泄漏槽部位以及端部板片與壓緊板內(nèi)側(cè)密封處，可采用噴氦法和吸槍法進(jìn)行檢驗(yàn)；針對(duì)導(dǎo)流區(qū)域和二道密封區(qū)域采用真空法進(jìn)行檢驗(yàn)，以上檢驗(yàn)方法滿足板式換熱器對(duì)出廠、役前、在役氦質(zhì)譜檢漏的相關(guān)技術(shù)要求。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]