CN109163857A - 一种高温高压氦气泄漏定量检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氦气泄漏定量检测装置，包括如下部件：密封腔(M)；密封腔(M)内有电加热棒(8)、热电偶(7)、氦气充入管路(23)和待检密封设备(5)；所述氦气充入管路(23)与密封腔(M)外的氦气源(1)连接、内与所述待检密封设备(5)连接；所述真空泵(18)及氦质谱检漏仪(22)通过真空管(20)与所述密封腔(M)连通。本发明还公开了使用所述检测装置氦气泄漏定量检测的方法。本发明可以在高温、高压下对待检密封设备的氦气泄漏率进行精确定量检测。

Description

一种高温高压氦气泄漏定量检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于检测技术，具体涉及一种用于检测密封设备在高温高压下的氦气泄漏定量检测装置及检测方法。
背景技术
高温气冷堆(HTGR)是一种具有固有安全特性、热效率高的核反应堆。氦气是惰性气体，因其具有良好的核、热性能，被用作高温气冷堆的一回路换热介质。但由于氦气分子量小、分子体积小，具有极强的扩散性，因此对于HTGR的回路设备提出了严格的密封性能要求。一般HTGR回路的工作条件为高温(250℃～1000℃)、高压(7MPa及以上)，检测该工况条件下的回路氦气泄漏情况对于保证HTGR的正常运行具有重要意义。
目前，氦气泄漏检测方法有气泡法、检漏液法、卤素检漏法、热成像检漏法、氦质谱检漏法等，其中氦质谱检漏法具有响应快、检测灵敏度高、可靠性好、清洁无污染等优点在压力容器泄漏检测中得到了广泛的应用，同时氦质谱检漏法采用氦气作为示踪介质，也特别适合于HTGR中各种密封设备的泄漏检测。在实际应用过程中，氦质谱检漏法可分为正压检测法和真空检测法，其中正压检测法为氦气被充入到待检密封设备内，泄漏氦气经待检密封设备的漏孔进入检测系统，正压检测法常用吸枪法，适用于氦气泄漏的定性检测；真空检测法为待检密封设备内抽成真空，待检密封设备外部为1个大气压，外表面喷氦，氦气经待检密封设备的漏孔进入待检密封设备内进入检测系统；真空检测法是在待检密封设备内部为真空条件下进行的，不能应用于实际工况情况下待检密封设备内部为高压的情况。
在实际的氦气泄漏检测过程中，待检密封设备内部常处于不同的温度和压力条件下，如高温高压，并且需要对待检密封设备的氦气泄漏进行定量检测。而上述的各种检测方法都无法满足需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温高压工况下待检密封设备的氦气泄漏检测装置及方法，本发明填补了高温高压工况下待检密封设备泄漏率定量检测技术的空白。
本发明的技术方案如下：
本发明第一方面公开了一种氦气泄漏定量检测装置，包括如下部件：
密封腔M；其内有电加热棒8、热电偶7、氦气充入管路23和待检密封设备5；
氦气源1，其通过所述氦气充入管路23与所述待检密封设备5连通连接；
真空泵18，通过真空管20与所述密封腔M连通连接；
氦质谱检漏仪22，通过真空管20与所述密封腔M连通连接。
优选地，所述密封腔M为盲法兰25与外罩10通过盲法兰密封面26密封形成，所述电加热棒8、热电偶7、氦气充入管路23固定在所述盲法兰25上。
优选地，所述装置还包括如下部件：
保温罩11，包裹在所述密封腔M的外围；
温控箱9，分别与所述电加热棒8和热电偶7电连接。
优选地，所述氦气源1与所述氦气充入管路23之间有减压阀2、充气阀3、压力泄放阀4和压力变送器6；所述氦气源1的压强为0-15MPa。
优选地，所述热电偶7位于热电偶套管24内。
优选地，所述真空管20上有第一真空阀12，所述第一真空阀12通过四通阀15与所述真空泵18及氦质谱检漏仪22连接，四通阀15的另两个阀口分别与真空规管16和标准漏孔14连接。
优选地，所述真空泵18与四通阀15通过第二真空阀17连接，所述氦质谱检漏仪22与四通阀15通过检漏阀19连接；所述标准漏孔14与四通阀15通过标准漏孔阀13连接。
本发明第二方面公开了一种氦气泄漏定量检测方法，使用上述装置，包括如下步骤：
①将所述待检密封设备5与所述氦气充入管路23连接，开启所述真空泵18使得所述密封腔M中的压强在1Pa以下，然后使用所述氦质谱检漏仪22采集系统本底信号值为I0；
②使用所述氦质谱检漏仪22采集标准漏孔14泄漏信号值为Is；
③使用所述氦气源1向待检密封设备5中充入氦气使压强达到设定值；开启所述加热棒8加热使得温度达到设定值；
④在所述密封腔M中的压强在1Pa以下状态下，使用所述氦质谱检漏仪22采集待检密封设备5泄漏信号为I；
⑤将步骤④得到的值I与步骤②得到Is进行比对，即得到待检密封设备5泄漏率；具体计算公式为：
其中，Q为待检密封设备泄漏率，QS为标准漏孔经过定量标定的泄漏率。
本发明的有益效果：
1、本发明的氦气泄漏定量检测装置设计巧妙，能够将现有技术氦质谱检漏法中的真空检漏法与正压检漏过程巧妙地结合，提供与高温气冷堆相同的工作温度及压力条件，实现待检密封设备在实际工作状态下的氦气泄漏率的精确定量检测。
2、本发明的装置可以实现在高温如1000℃、高压如15MPa下的氦气泄漏率的精确定量检测。
3、本发明的氦气泄漏定量检测方法简单，可推广应用于各类设备在高温高压的实际运行工况下的泄漏检测。
附图说明
图1为本发明氦气泄漏定量检测装置示意图。
图2为图1沿盲法兰密封面的截面图。
附图标记为：1-氦气源；2-减压阀；3-充气阀；4-压力泄放阀；5-待检密封设备；6-压力变送器；7-热电偶；8-电加热棒；9-温控箱；10-外罩；11-保温罩；12-第一真空阀；13-标准漏孔阀；14-标准漏孔；15-四通阀；16-真空规管；17-第二真空阀；18-真空泵；19-检漏阀；20-真空管；22-氦质谱检漏仪；23-氦气充入管路；24-热电偶套管；25-盲法兰；26-盲法兰密封面；M-密封腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细的描述。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的一种氦气泄漏定量检测装置，包括：氦气充入系统，具体包括氦气源瓶1、减压阀2、充压阀3，氦气充入管路23与待检密封设备5相连，为待检密封设备5内部充入氦气，充压管路上有一条压力泄放支路，通过压力泄放阀4与大气相通，充压管路上还有一条测压支路，由压力变送器6进行压力充入管线系统的压力检测。
如图2所示，热电偶套管24布置在氦气充入管路23的中心对称位置，同时在热电偶套管24与氦气充入管路23连线两侧中心对称布置两个电加热棒8，保证对待检密封设备5和热电偶套管24的均衡加热，从而保证待检密封设备5温度测定的准确性；氦气充入管路23、热电偶套管24、电加热棒8固定在盲法兰25上。
如图1所示，将待检密封设备5连接到氦气充入管路23上，将热电偶7拧入热电偶套管24中。在待检密封设备5、热电偶套管24、电加热棒8的外侧包裹外罩10，将外罩10通过盲法兰密封面26安装到盲法兰25上，形成密封腔M；合上保温罩11。
外罩10通过第一真空阀12、第二真空阀17、四通阀15、真空管20与真空泵18相连；与四通阀15另外三个阀口相连的还有另三条支路，其一为标准漏孔支路，顺序连接为标准漏孔阀13、标准漏孔14；其二为真空规管16；其三为检测支路，顺序连接为检漏阀19、真空管20和氦质谱检漏仪22。
热电偶7和电加热棒8与温控箱9电连接，温控箱9根据热电偶7输入的温度信号控制电加热棒8的开启和停止。
本发明使用上述装置在高温高压对氦气进行泄漏定量检测的方法，包括以下步骤：
S1、待检密设备5的安装：将待检密封设备5入口连接到压力充入管路23上，将外罩10安装就位形成密封腔M，并保证密封腔M的密封性；合上保温罩11；
S2、氦质谱检漏仪22的预热及标定：开启氦质谱检漏仪22，仪器处于待机状态，稳定时间0.5小时以上；对氦质谱检漏仪22进行校准后，将氦质谱检漏仪22通过真空管20连接到检漏阀19出口处；
S3、本底信号的采集：关闭检漏阀19，关闭标准漏孔阀13，打开抽第二真空阀17，打开真空泵18，对密封腔M开始抽真空，确保密封腔M内压强低于1Pa；关闭第二真空阀17，保持标准漏孔阀13关闭，将氦质谱检漏仪22置于“检漏”状态，打开检漏阀19，开始系统本底信号的采集，值为I0。
S4、标准漏孔14漏率信号的采集：保持第二真空阀17关闭，检漏阀19开启、将氦质谱检漏仪22置于“待机”状态，打开标准漏孔阀13后，再将氦质谱检漏仪22置于“检漏”状态，开始标准漏孔14泄漏信号的采集，值为Is。采集完毕后，将氦质谱检漏仪22切换回“待机”状态。
S5、待检密封设备5升压：保持检漏阀19、标准漏孔阀13关闭、打开第二真空阀17，打开真空泵18，对密封腔M开始抽真空，使密封腔M内压强低于1Pa；关闭压力泄放阀4，打开氦气源1的出口阀门，打开充气阀3，逐步打开减压阀2，开始向待检密封设备5内部充压，调节待检密封设备5内的压力到设定的压力，该压力可通过计算确定，需为后续升温过程导致的压力上升留出空间，关闭充压阀3。
S6、待检密封设备5升温：打开温控箱9电源，设定温度，开始对待检密封设备5进行加热，加热到设定温度时，观察压力情况，可稍微补充氦气至设定的压力。
S7、待检密封设备5泄漏信号检测：将氦质谱检漏仪22切换到“检漏”状态，打开检漏阀19，关闭第二真空阀17，进行待检密封设备5泄漏信号的采集，值为I。
将待检密封设备5泄漏信号值I与标准漏孔泄漏信号值Is进行比对得到待检密封设备5的实际泄漏率；具体计算公式为：
其中，Q为待检密封设备泄漏率，Qs为标准漏孔经过定量标定的泄漏率。
S8、泄压停机：关闭检漏阀19，关闭氦气源1，打开压力泄放阀4，关闭减压阀2，将温控箱9设置到“停止”位置后，关闭电源，开始系统自然降温。关闭真空泵18，关闭氦质谱检漏仪22。
实施例1
应用上述的氦气泄漏定量检测装置并按上述步骤对待检密封设备--双卡套密封结构设备在温度为室温-250℃、压力为0-7MPa条件下的氦气泄漏率进行检测，检验结果如下：
室温、0MPa时，泄漏率为：9.8×10-7Pa m3/s；
室温、1MPa时，泄漏率为：9.5×10-7Pa m3/s；
室温、7MPa时，泄漏率为：1.3×10-6Pa m3/s；
150℃、7MPa时，泄漏率为：1.6×10-6Pa m3/s；
250℃、7MPa时，泄漏率为：3.2×10-6Pa m3/s。
实施例2
应用上述的氦气泄漏定量检测装置并按上述步骤对待检密封设备--金属垫片密封结构设备在温度为室温-100℃、压力为0-15MPa条件下的氦气泄漏率进行检测，检验结果如下：
室温、0MPa时，泄漏率为：2.7×10-9Pa m3/s；
室温、7MPa时，泄漏率为：6.1×10-8Pa m3/s；
室温、15MPa时，泄漏率为：2.3×10-7Pa m3/s；
100℃、0MPa时，泄漏率为：2.7×10-9Pa m3/s；
100℃、7MPa时，泄漏率为：9.0×10-8Pa m3/s；
100℃、15MPa时，泄漏率为：3.2×10-7Pa m3/s。
实施例3
应用上述的氦气泄漏定量检测装置并按上述步骤对待检密封设备--球面结构设备在温度为室温-700℃、压力为0-1MPa条件下的氦气泄漏率进行检测，检验结果如下：
室温、0MPa时，泄漏率为：1.1×10-10Pa m3/s；
室温、1MPa时，泄漏率为：9.8×10-11Pa m3/s；
500℃、0MPa时，泄漏率为：9.3×10-10Pa m3/s；
500℃、1MPa时，泄漏率为：8.9×10-10Pa m3/s。
750℃、0MPa时，泄漏率为：2.7×10-9Pa m3/s；
750℃、1MPa时，泄漏率为：2.9×10-9Pa m3/s。
以上通过对几种不用密封结构设备在不同温度及压力范围的检测结果表明，本发明的技术方案合理可行，检漏效果精确定量，可以满足HTGR回路密封结构氦气泄漏定量检测的技术要求；也可以应用在同类工况条件下的其他密封结构设备的泄漏检测。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所述权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，包括如下部件：
密封腔(M)；其内有电加热棒(8)、热电偶(7)、氦气充入管路(23)和待检密封设备(5)；
氦气源(1)，其通过所述氦气充入管路(23)与所述待检密封设备(5)连通连接；
真空泵(18)，通过真空管(20)与所述密封腔(M)连通连接；
氦质谱检漏仪(22)，通过真空管(20)与所述密封腔(M)连通连接。
2.根据权利要求1所述的氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，所述密封腔(M)为盲法兰(25)与外罩(10)通过盲法兰密封面(26)密封形成，所述电加热棒(8)、热电偶(7)、氦气充入管路(23)固定在所述盲法兰(25)上。
3.根据权利要求1所述的氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，还包括如下部件：
保温罩(11)，包裹在所述密封腔(M)的外围；
温控箱(9)，分别与所述电加热棒(8)和热电偶(7)电连接。
4.根据权利要求1所述的氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，所述氦气源(1)与所述氦气充入管路(23)之间有减压阀(2)、充气阀(3)、压力泄放阀(4)和压力变送器(6)；所述氦气源(1)的压强为0-15MPa。
5.根据权利要求1所述的氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，所述热电偶(7)位于热电偶套管(24)内。
6.根据权利要求1所述的氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，所述真空管(20)上有第一真空阀(12)，所述第一真空阀(12)通过四通阀(15)与所述真空泵(18)及氦质谱检漏仪(22)连接，四通阀(15)的另两个阀口分别与真空规管(16)和标准漏孔(14)连接。
7.根据权利要求6所述的氦气泄漏定量检测装置，其特征在于，所述真空泵(18)与四通阀(15)通过第二真空阀(17)连接，所述氦质谱检漏仪(22)与四通阀(15)通过检漏阀(19)连接；所述标准漏孔(14)与四通阀(15)通过标准漏孔阀(13)连接。
8.一种氦气泄漏定量检测方法，其特征在于，使用权利要求1-7任一所述的装置，包括如下步骤：
①将所述待检密封设备(5)与所述氦气充入管路(23)连接，将密封腔(M)连接好，开启所述真空泵(18)使得所述密封腔(M)中的压强在1Pa以下，然后使用所述氦质谱检漏仪(22)采集系统本底信号值为I0；
②使用所述氦质谱检漏仪(22)采集标准漏孔(14)泄漏信号值为Is；
③向待检密封设备(5)中充入氦气使压强达到设定值；开启所述加热棒(8)加热使得温度达到设定值；
④在所述密封腔(M)内压强在1Pa以下，使用所述氦质谱检漏仪(22)采集待检密封设备(5)泄漏信号值为I；
⑤将步骤④得到的值I与步骤②得到值Is进行比对，即得到待检密封设备(5)泄漏率；具体计算公式为：
其中，Q为待检密封设备泄漏率，QS为标准漏孔经过定量标定的泄漏率。
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