CN102269639A

CN102269639A - 用于工业设备的泄漏测试探针

Info

Publication number: CN102269639A
Application number: CN2011101105399A
Authority: CN
Inventors: 查尔斯·伯金斯; 彼得·帕勒斯特恩
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-12-07
Also published as: TW201144785A; US20110290006A1; EP2390643A1

Abstract

本发明涉及用于工业设备的泄漏测试探针，提供了用于在湿、多尘和/或充满流体的系统诸如发电厂中执行精确的、可重复的泄漏测试测量而不需要特殊的取样泵、载气或分离器的方法和装置。泄漏检测器探针被直接安装在管子或其他运输待测试的气流的部件中，并耦合到泄漏检测器的出口。泄漏检测器探针包括布置在待测试的气流中的测试气体透气膜。测试气体透气膜可以例如布置在管子的朝向抽空泵的气体流中的中心区域中。在一些实施方式中，管子或其他部件中泄漏检测器探针的位置是可调节的。

Description

用于工业设备的泄漏测试探针

技术领域

本发明涉及在低于大气压下操作的大型管道系统中的泄漏检测，尤其涉及例如用于在工业设备(如发电厂系统)中测试气体泄漏的方法和装置。

背景技术

氦质谱仪泄漏检测是已知的泄漏检测技术。氦被用作测试气体，该测试气体通过密封测试件中最小的泄漏处。在通过泄漏处之后，包含氦的测试样品被吸入到泄漏检测仪器中并被测量。在该仪器中，质谱仪或其他检测器检测并测量氦。在一种方案中，用氦对测试件加压。使得与泄漏检测器的测试端口连接的泄漏检测器探针或“嗅探器探针”围绕测试件的外部移动。氦通过测试件中的泄漏处，被吸入探针中，并由泄漏检测器测量。在另一方案中，测试件的内部与泄漏检测器的测试端口联接，并被抽空。氦被喷出到测试件的外部，通过泄漏处被吸入内部，并由泄漏检测器测量。

现有技术公开的泄漏检测器包含耦合在待测试的体积与泄漏检测器的测试端口之间的测试透气性部件。测试透气性部件允许测试气体(诸如氦)通过并阻隔其他气体、液体和颗粒。透气性部件可以是石英，其在受热时可透过氦。现有技术还公开了复合膜，所述复合膜顺序地包括可以充当基材的多孔膜和半透膜。

在现有技术中已知各种泄漏检测器探针构造。常规的泄漏检测器探针包括探针尖端，所述探针尖端具有已知尺寸的开孔，以控制去往泄漏检测器的气流。其他已知泄漏检测器探针包括气体管道和加热元件。当气体管道被加热时，玻璃可透过氦气。

有时需要在湿的、多尘的和/或充满流体的环境的真空应用(例如化学工厂、发电厂的冷凝器管或在用于涡轮的在线测试的蒸汽喷射器泵的排气中)中执行泄漏测试。

发电厂涡轮由在锅炉中生成的高压蒸汽转动。锅炉加热水，并将其转化为蒸汽，所述蒸汽流过涡轮，以转动涡轮并发电。在离开涡轮之后，蒸汽途径在真空下操作的冷凝器，所述冷凝器将蒸汽冷却回水，然后水被放回到锅炉，从而再次开始循环。

系统的管子和凸缘中的泄漏可以导致超过每涡轮一兆瓦的功率损耗。但是，发电厂部件的泄漏测试引起一系列的挑战性问题。通常，涡轮的高压区域操作在约200巴(2900PSIA)的压力下，而低压区域操作在50毫巴(38Torr)或更低的真空压力下。由于空气的漏入，真空水平可能劣化和降低系统效率。最被广泛接受的用于确定空气漏入的方法是使用测试气体，诸如氦。但是，在工业中的已知问题是难以完成精确和可靠的泄漏测试。

发电厂冷却器系统极大，具有大量管子和凸缘，这些都可能泄漏。通常，沿着直径外侧用氦测试气体喷洒发电厂管子和凸缘的多个部分。氦被吸入到泄漏处中，并且与管子内的气体流一起向下游流到泄漏检测器的位置。由于大气的空气对流、风的作用等，仅仅少量的喷洒氦气实际进入泄漏处，并且遮蔽大型发电厂的一部分以提供受控的氦气氛是不现实的。实际进入给定泄漏处的氦气的量通常很小并且十分不稳定。此外，系统包含大量的水蒸汽和氨，这增加了测试难度。在泄漏检测器的连接点和泄漏位置之间常常存在长的距离，因此可靠和可重复的响应对于以时间和成本有效方式定位和维修泄漏是至关重要的。在发电厂冷凝器和其他工业设备中，与进入系统的少量测试气体相比，气体量非常大，因此难以检测。

多种方法已经被尝试以试图提高泄漏测试可靠性，包括使用多个泵、取样旁路、与测试管子并行的抽头部件以及以粘性流循环载体气体的供料部件。透气性膜也已经被用于现有技术的工业泄漏测试。但是，这些膜通常是夹在两个凸缘之间并且安放在管子的直径外侧上的凸缘侧端口上的平坦盘，远离测试的管子的中心处的主气流。在现有技术中还尝试了多种透气性部件，以试图获得可靠的结果。所有现有技术的方法导致了复杂和昂贵的系统，这些系统难以在大型、多层发电厂全套设备中到处移动，并且不能提供充分可靠的测试结果。

发明内容

本发明提供用于在湿的、多尘的和/或充满流体的系统(诸如发电厂)中执行精确的、可重复的泄漏测试测量而不需要特殊的取样泵、载气或分离器的方法和装置。泄漏检测器探针被直接安装在管子或其他运输待测试的气流的部件中，并耦合到泄漏检测器的出口，得到简单、高度可靠和高效的泄漏测试方法。泄漏检测器探针包括布置在待测试的气流中的测试气体透气膜。测试气体透气膜可以例如布置在管子的朝向抽空泵的气体流中的中心区域中。在一些实施方式中，管子或其他部件中泄漏检测器探针的位置是可调节的。在正常工厂操作期间执行泄漏测试的能力节省时间和金钱，并可以发现当系统在非操作压力下被测试时可能不能发现的泄漏。

根据本发明的第一方面，泄漏检测器探针组件包括：泄漏检测器探针，其包括具有构造用于将测试气体运输到泄漏检测器的内部通道的管子和可透过测试气体的透气元件，所述透气元件附装到所述管子并布置在所述探针的外部和所述管子的所述内部通道之间；以及安装机构，其构造用于将所述泄漏检测器探针安装到运输待测试的气体流的部件，使得所述透气元件处于待测试的所述气体流中期望的位置处。

在一些实施方式中，透气元件位于泄漏检测器探针的探针尖端。透气元件可以包括多孔结构元件和与所述结构元件串联的测试气体透气膜。在一些实施方式中，盘状的透气元件可以密封所述管子中的内部通道的内径。在其他实施方式中，透气元件可以具有中空的圆柱结构，并且可以被密封到所述管子。保护机构可以被布置在透气元件上。

安装机构可以被配置用于安装泄漏检测器探针，使得透气元件位于运输待测试的所述气体流的管子的中心区域中。在一些实施方式中，安装机构限定泄漏检测器探针的固定位置。在其他实施方式中，安装机构被配置用于可调节布置泄漏检测器探针。安装机构可以包括用于密封到运输待测试的气体流的部件中的开口的凸缘。

根据本发明的第二方面，用于泄漏检测的方法包括：将泄漏检测器探针布置在待测试的气体流中，所述泄漏检测器探针包括具有内部通道的管子和可透过测试气体的透气元件，所述透气元件放置在所述气体流中、所述探针的外部和所述管子的所述内部通道之间；以及将通过所述透气元件的测试气体抽吸到泄漏检测器中，以进行检测。

附图说明

为了更好地理解本发明，可以参考附图，所述附图通过引用被结合到本文中并且其中：

图1是管子的示意性剖视图，示出了在管子的中心区域中测试气体的流动；

图2是现有技术的泄漏检测器构造的示意性框图；

图3是根据本发明的实施方式的泄漏检测器构造的示意性框图；

图4是根据本发明的实施方式的泄漏检测器探针组件的示意图；

图5是根据本发明的实施方式的泄漏检测器探针的探针尖端的放大剖视图；

图6是根据本发明的其他实施方式的泄漏检测器探针的示意图；以及

图7是根据本发明的其他实施方式的泄漏检测器探针的探针尖端的放大剖视图。

具体实施方式

本发明提供用于在湿的、多尘的和/或充满流体的系统(诸如发电厂)中执行精确可靠的泄漏测试测量的方法和设备。泄漏检测器探针被直接安装到运输待测试的气体流的管子或其它部件中，并且耦合到泄漏检测器的入口，获得简单、高度可靠和高效的泄漏测试工艺。泄漏检测器探针包括测试气体透气膜，所述测试气体透气膜被布置在待测试的气体流中。测试气体透气膜可以例如被布置在管子的中心区域中、朝向抽空泵的气体流中。在一些实施方式中，管子或其它部件中的泄漏检测器探针的位置可以是可调节的。在正常工厂操作期间执行泄漏测试的能力节省时间和钱，并且可能发现当系统在非操作压力下被测试时可能不会被发现的泄漏。

大型工业系统诸如发电厂中的气体动力学对于泄漏测试带来特殊问题。典型的发电厂管子的直径可能是10到100厘米，而氦示踪气体的平均自由程(气体分子在其碰撞另一气体分子之前可以移动的距离)要小若干个数量级。氦的平均自由程可以利用如下的一般方程求得：

λ＝2.33×10^-20(T)/(ζ²P)

其中，λ为平均自由程，单位厘米(cm)；T是温度，单位开尔文(K)；ζ是氦原子的直径，单位厘米(cm)；P是气体压强，单位为托(Torr)。在295K和38托(50毫巴)的压强下，氦的平均自由程为3.7×10^-4cm。在具有不同质量的气体混合物中，诸如在泄漏而来的水蒸气和空气中，氦的平均自由程将依赖于气体的相对浓度和温度而稍微改变，但是在所称的工作压强下仍然维持在10^-4cm的范围内。

如图1所示，典型发电厂管子10的直径较之氦的平均自由程大若干个数量级，使得氦测试气体难以迁移到测试管子的直径外侧处的测试端口。通过管子10的气体流包括大的分子12，诸如水蒸气、氮气和氧气，以及小的氦原子14。平均自由程为E-4cm量级的氦原子由于与更大质量和更大量的气体分子的连续碰撞而被捕集在基本的粘性层流中。因此，氦原子14趋向于在管子10的中心轴线附近的区域16中流动。

此外，在工程文献中已知的是，在管子中的粘性层流中气流速度在管子的中心轴线处最大，在管壁处为0。基本气体流以及氦测试气体流因此靠近管子的中心，远离管子的直径外侧的测试端口。考虑到在实际应用中(诸如在发电厂的冷凝器管线中)，实际进入泄漏处的氦气的小浓度、氦测试气体的极小的平均自由程以及仅仅在管子的中心附近的高气体流量，通过泄漏处进入系统的任何氦测试气体被捕集在管子的中心轴线附近的高流量区域中。由于小的平均自由程，所以氦原子不能侧向迁移到处于管子的直径外侧处的泄漏测试端口。

在图2中示出了用于管子中的泄漏检测的现有技术构造。管子30运输气体流32，所述气体流32具有流动曲线34，该曲线在管子30的中心轴线36处具有最大流量并且在管子30的壁处具有零流量。透气膜40被安装在侧向测试端口42的凸缘之间。如果有的话，进入侧向测试端口42的氦气通过膜40到达泄漏检测器46。由于与气流体积相比氦气的量很小并且由于在管子的壁处流量为零，所以非常少的氦气进入测试端口42。

对于图2的构造，通常直接在泄漏处上喷洒氦气，并且通常在泄漏检测器中根本观察不到响应。在一定时间之后，管子内的湍流可能使得氦测试气体能够侧向迁移到管子侧面中的测试端口，并且被检测。但是，精确定点大系统中的小泄漏处或多个泄漏处可能是非常困难且耗时的问题。

一种利用上述的气体动力学的泄漏测试方案是将泄漏检测器连接到用于维持冷凝器系统中的真空压强的真空泵的排气口。利用现有技术的泄漏检测技术，泄漏检测器必须由阱与待测试的系统分隔开，以在气体进入泄漏检测器之前去除水蒸汽和脏的颗粒。任何进入泄漏检测器的水蒸气将导致光谱仪或其他检测装置的污染，劣化泵润滑和轴承，并且腐蚀泄漏检测器部件。用于从气体去除水蒸汽的阱将严重限制泄漏检测器的灵敏度和限制，又导致困难的泄漏测试问题。在基于小孔的吸气探针的情况下，抽吸管线将最终堵塞，从而得到错误的测试结果。

在图3-5中示出了根据本发明的实施方式的泄漏检测器探针组件和泄漏检测器系统。如图3所示，泄漏检测器探针组件100包括泄漏检测器探针102和安装机构104。泄漏检测器探针组件100被安装在运输待测试的气体流112的管子110中。泄漏检测器探针102的探针尖端120由安装机构104定位在管子110的气体流112中。泄漏检测器探针102由软管124与泄漏检测器130连接。在本发明的实施方式中，泄漏检测器探针102的探针尖端120包括测试气体透气膜，并且探针尖端120被定位在管子110的中心轴线132处或附近。

如图4和5中所示，泄漏检测器探针102的实施方式包括具有内部通道152的耐腐蚀管子150，并包括探针尖端120和连接器154。探针尖端120包括透气元件160，该元件附装到管子150上并且布置在探针尖端102的外部162与管子150的内部通道152之间。探针尖端120和连接器154可以位于管子150的相反两端。安装机构104被构造来将管子150安装到管子、导管或运输待测试的气体流的其他部件上，其中，透气元件160在待测试的气体流中具有期望的位置。

连接器154提供管子150和软管124之间的真空密封连接。管子150可以经由软管124与任何类型的氦气或氢气泄漏检测器的入口连接。泄漏检测器真空泵在软管124和泄漏检测器探针102内部创建真空。

安装机构104可以是压配型凸缘装配件，其允许泄漏检测器探针102以真空密封方式安装在待测试的管子的端口中。在一些实施方式中，泄漏检测器探针102的位置被相对于安装机构104固定。在其他实施方式中，泄漏检测器探针102的位置可相对于安装机构104调节。通过松开压配装配件，泄漏检测器探针102可以被布置在管子内部，使得探针尖端120和透气元件160被定位在管子110的中心轴线132处或附近，在中心轴线132处或附近气体流量和氦气浓度最大。将会理解的是，任何合适的安装机构104可以被用于将泄漏检测器探针102布置在待测试的气体流中。安装机构104可以将泄漏检测器探针102密封到其被安装在其中的部件上。

在一些实施方式中，透气元件160可以包括多孔的结构部件180和测试气体透气膜182。透气元件160被配置来使得测试气体依次流过透气膜182和结构部件180(或反之)，到达管子150的内部通道152。在图5的实施方式中，透气元件160是盘状的，其直径允许管子150的内部通道152中的密封。

结构部件180和透气部件182的材料被选择为耐蒸汽、热水、氨气和可能在发电厂或其他工业设备的蒸汽系统中出现的其他化学物质。例如，结构部件180可以是Vycor玻璃、氧化硅、氧化铍或烧结金属。根据成本、对于测试气体的多孔性和材料强度来选择结构材料。当探针将被安装在冷凝器中的真空管线的侧向端口中时，结构部件可以是小直径的，例如6到12毫米，或者如果探针将被安装在真空泵的出口中，则结构部件可以是大直径的，例如2到6英寸。直径越大，所提供的用于透气的表面积越大，信号越高。结构部件的厚度随直径和材料强度变化，因为其必须经受一个大气压差(内侧真空和外侧大气压)的力。

透气膜182可以例如是CVD(化学气相沉积)沉积的氧化硅，或聚合物，诸如FEP(氟化乙烯丙烯)、PFA(全氟烷氧)或PTFE(聚四氟乙烯)或乙酸酯，但是透气膜的材料不限于这些材料。透气膜应该显著可透氦气和氢气，而对于水蒸汽、蒸汽和其他气体很大程度上不可透。膜应该经受住高达500°F的温度，对于多种化学品和溶剂是惰性的，并且具有高的耐冲击和撕扯性。如果使用聚合物，则透气膜182可以是结合到结构部件180上或喷涂到结构部件180上的聚合物盘。

结构部件180可以利用胶粘剂结合到管子150上，所述胶粘剂根据其对于结构部件和透气部件的结合特性以及在严酷环境中的结实性来选择。如图5所示，管子150可以在其直径内侧设置台肩184，用于保持结构部件180。在一些实施方式中，不锈钢网筛盘可以被结合到透气部件182上，用于免受由于意外冲击导致的损伤。

在其他实施方式中，透气元件200可以具有中空圆柱结构，如图6和7所示。透气元件200包括密封到管子150的端部的管状结构元件202。测试气体透气膜204可以被附装到结构元件202的外表面。在其他实施方式中，测试气体透气膜204可以被附装到结构元件202的内表面。圆柱形透气元件202的端部可以用耐腐蚀盖206或附加的透气元件密封。圆柱形透气元件200具有比图5的实施方式更大的表面积，因此提供更高的灵敏度。

透气膜182位于管子110中的气体流112和泄漏检测器130之间。透气膜182可以是在规定条件下可透过用于泄漏检测的测试气体的材料。测试气体可以是轻的气体，诸如氦气、氢气、氖气及其同位素。透气膜182基本通过或透过测试气体，同时基本阻隔其他气体、液体和颗粒。因此，就允许测试气体通过而阻隔其他气体、液体和颗粒而言，透气膜182起到了测试气体窗的作用。结构元件180提供用于透气膜182的机械支撑，可以是通过测试气体的多孔材料。在2008年12月25日公布的美国专利公布No.2008/0313881中描述了在一定温度范围内对于测试气体具有或多或少的一定透气性的复合膜，该美国专利公布No.2008/0313881通过引用被并入本文中。

在使用时，泄漏检测器探针102被布置在待测试的管子110中，使得探针尖端120位于最大流量的区域处或附近。如上所讨论的，最大流量的区域可能在管子或其他导管的中心轴线附近。探针100通过真空凸缘170被密封到管子110中，并且经由软管124与泄漏检测器130连接。然后，技术人员在泄漏检测器探针102的气流上游向管子、管子装配件或其他部件喷洒氦气或其他气体。氦气通过泄漏处被吸入管子100中，与气体流一起行进到泄漏检测器探针102。气体流中的氦气通过透气元件160，并且通过泄漏检测器130的真空泵吸入到泄漏检测器130中。泄漏检测器130确定气体流112中的氦气的量，由此指示在将氦气喷洒到管子或其他部件的位置处是否存在或不存在泄漏。

在描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面之后，将会理解，本领域技术人员将容易想到多种替换、修改和改进。这样的替换、修改和改进被意指作为本公开的一部分，并且被意在落入本发明的精神和范围内。因此，前述的描述和附图仅仅作为示例。

Claims

1.一种泄漏检测器探针组件，包括：

泄漏检测器探针，其包括管子和透气元件，所述罐子具有被构造来将测试气体运输到泄漏检测器的内部通道，所述透气元件是所述测试气体可透过的，所述透气元件附装到所述管子并布置在所述探针的外部与所述管子的所述内部通道之间；以及

安装机构，其被构造来将所述泄漏检测器探针安装到运输待测试的气体流的部件，使得所述透气元件处于待测试的所述气体流中期望的位置处。

2.如权利要求1所述的泄漏检测器探针组件，其中，所述透气元件位于所述泄漏检测器探针的探针尖端。

3.如权利要求2所述的泄漏检测器探针组件，其中，所述透气元件包括多孔的结构元件和与所述结构元件串联的测试气体透气膜。

4.如权利要求3所述的泄漏检测器探针组件，还包括下述特征中的至少一项：

所述透气元件被密封到所述管子中的所述内部通道；

所述泄漏检测器探针组件还包括布置在所述透气元件上的保护元件；

所述测试气体透气膜选自氧化硅、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧、聚四氟乙烯和乙酸酯。

5.如权利要求1所述的泄漏检测器探针组件，还包括下述特征中的至少一项：

所述安装机构被配置来安装所述泄漏检测器探针，使得所述透气元件位于运输待测试的所述气体流的管子的中心区域中；

所述安装机构被配置来以可调节方式定位所述泄漏检测器探针；

所述安装机构包括凸缘，所述凸缘用于密封到运输待测试的所述气体流的所述部件中的开口；

所述透气元件是盘状的，并且被制成下述尺寸：该尺寸适于密封所述管子中的所述内部通道的内径；

6.如权利要求1所述的泄漏检测器探针组件，其中，所述透气元件包括密封到所述管子的圆柱形透气元件。

7.如权利要求6所述的泄漏检测器探针组件，其中，所述圆柱形透气元件包括多孔的结构元件和与所述结构元件串联的测试气体透气膜。

8.一种用于泄漏检测的方法，包括：

将泄漏检测器探针布置在待测试的气体流中，所述泄漏检测器探针包括具有内部通道的管子和测试气体可透过的透气元件，所述透气元件放置在所述气体流中、所述探针的外部与所述管子的所述内部通道之间；以及

将通过所述透气元件的测试气体抽吸到泄漏检测器中以进行检测。

9.如权利要求8所述的方法，其中，布置泄漏检测器探针的步骤包括下述特征中的至少一项：

将所述泄漏检测器探针的所述透气元件布置在管子的中心区域；

调节泄漏检测器探针在所述待测试的气体流中的位置；

将所述泄漏检测器探针的所述透气元件布置在最大气体流量的区域中；

用可调节安装机构布置所述泄漏检测器探针；

在待测试的所述气体流中布置盘状的透气元件；

在所述待测试的气体流中布置圆柱形的透气元件；

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述可透气元件包括多孔的结构元件和附装到所述结构元件的测试气体透气膜。