劉慶超
(上海龍澄專用車輛有限公司,上海 201707)
壓力容器兩種檢漏方法等效計算的研究
劉慶超
(上海龍澄專用車輛有限公司,上海 201707)
為保證產(chǎn)品質(zhì)量,壓力容器在出廠或入廠時一般都要做密封泄漏檢查,檢漏的目的是確定被檢件漏孔的位置和漏率。這里說的壓力容器,可以是鑄造和焊接殼體類零部件,也可以是有壓力盛裝要求的組裝成品,對于盛裝毒性較強(qiáng)的介質(zhì)尤為重要。壓力容器泄漏可以分為大漏和微漏兩種情況,大漏很容易檢查發(fā)現(xiàn),這里主要談?wù)勎⒙z查的問題。通過對真空箱氦檢漏和包扎吸槍法檢漏轉(zhuǎn)換關(guān)系和公式的推導(dǎo),確定了兩種檢漏方法的等效關(guān)系,為壓力容器的質(zhì)量控制和驗收標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。
壓力容器 檢漏 質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)
在微漏檢查方法中,利用真空箱氦氣檢漏(簡稱真空氦檢漏)和包扎吸槍法檢漏(簡稱包扎檢漏)是近幾年廣泛使用的兩種方法。真空氦檢漏法的檢測介質(zhì)是氦氣(He),包扎檢漏介質(zhì)比較成熟的是SF6氣體,兩者檢漏的精度大體相當(dāng)。兩檢漏方法對比列表如表1:
在企業(yè)里,真空氦檢漏和包扎檢漏往往同時使用,這就存在兩種檢漏方法是否等效的問題,而對于兩種檢漏方法的等效研究國內(nèi)文章并不多見。
基于此,本文深入研究真空氦檢漏法測得的泄漏率與包扎檢漏法測得的ppm體積濃度之間的關(guān)系,探討兩種壓力容器氣密性檢測方法的等效情況,并判斷兩種檢測方法在驗收時取值標(biāo)準(zhǔn)的合理性。
2.1計算模型
圖1 模型1
模型1——真空箱氦檢漏方法;模型2——為SF6包扎檢漏方法(如圖1,2)。
2.2分子類型泄漏率轉(zhuǎn)換因子公式
(1)當(dāng)壓力容器缺陷導(dǎo)致極微小的泄漏(微漏)屬于分子型泄漏,其使用不同氣體進(jìn)行試驗時的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
其中
m實際——實際使用氣體摩爾質(zhì)量,
m檢測——檢測用氣體摩爾質(zhì)量
對于SF6和He,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為
圖2 模型2
表1
(2)當(dāng)殼體缺陷導(dǎo)致較明顯的泄漏屬于粘性流泄漏,其使用不同氣體進(jìn)行試驗時的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
其中
μ實際——實際使用氣體粘性系數(shù),
μ檢測——檢測用氣體粘性系數(shù)
對于SF6和He,其轉(zhuǎn)換關(guān)系為
真空氦檢測時,可設(shè)定當(dāng)發(fā)生大漏時其系統(tǒng)將在第一階段報警;未發(fā)生大漏報警時再進(jìn)入微漏檢測階段。依據(jù)前述,本文泄漏計算是針對分子型泄漏,此時,K2在本計算公式中不使用(K2是針對層流式泄漏而設(shè)置的參數(shù))。
2.3壓力折算公式
用氦氣檢漏和用SF6檢漏如果采用不同的測量壓力,應(yīng)當(dāng)根據(jù)氣體粘滯流動原理進(jìn)行折算,其折算關(guān)系為
其中
PSF6——SF6氣體絕對壓力,
PHe——He氣體絕對壓力
2.4絕對泄漏量計算
其中
MSF6——包扎腔內(nèi)泄漏的SF6氣體質(zhì)量;
MHe——真空箱內(nèi)泄漏的He氣體質(zhì)量;
熱力學(xué)方程
其中
P——氣壓,Pa;
V——體積,m3;
n——摩爾數(shù),mol
R——熱力學(xué)常數(shù)
T——溫度,K
由于泄漏引起的壓力壓力差ΔP為:
對于同一種氣體,
其中
M——氣體質(zhì)量;
mmol——氣體摩爾質(zhì)量;
則:
于是,對于He,
對于SF6氣體
2.5體積濃度定義(ppm)
SF6氣體檢漏儀檢測ppm的單位為μL/L。包扎容積內(nèi)的體積濃度和SF6泄漏量的關(guān)系為
其中
VSF6——SF6氣體體積,m3;
Vair——包扎腔內(nèi)空氣體積,m3;
V殼——壓力容器內(nèi)容積,m3
2.6氦檢漏與SF6檢漏的等效關(guān)系
其中:
因此,
已知
R=8.314
ρSF6=6kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)
T=273+27=300K
mHemol=0.004kg/mol
2.7單位容積殼體泄漏率的定義
根據(jù)[G]的定義,此泄漏率實際考慮了設(shè)備的總?cè)莘e,因此[G]與殼體內(nèi)容積V殼有關(guān)系。當(dāng)使用此設(shè)備對不同容積的殼體進(jìn)行檢測時,應(yīng)當(dāng)扣除容積的影響才能判斷不同容積的殼體是否達(dá)到規(guī)定的泄漏率。
作為通用計算公式,宜采用壓力降(Pa/s)作為單位體積容器的泄漏檢測標(biāo)準(zhǔn),即[G]/V。
根據(jù)以往本人在企業(yè)實際工作中獲得的氦檢漏的統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù),檢漏數(shù)據(jù)在15min后趨于穩(wěn)定,因此取15min后的檢測泄漏率值[ΔPHe/ Δt],并認(rèn)為與24h后無明顯差別。因此,
代入(15),
經(jīng)估算,包扎腔的容積近似為殼體內(nèi)容積的5%左右,即有
則
公式(20)即為真空氦檢漏法檢測泄漏率與包扎檢漏法檢測體積濃度等效換算關(guān)系的最終公式。也就是說,雖然真空氦檢漏法與包扎檢漏法檢測原理不同,檢測介質(zhì)和單位也不同,但是兩者之間仍可以進(jìn)行對比、換算,解決了同一壓力容器采用不同檢漏方法而帶來的判斷標(biāo)準(zhǔn)是否有差異的疑惑。
表1 真空氦檢漏檢漏結(jié)果采用2ppm和5ppm判斷標(biāo)準(zhǔn)的比較
2.8公式換算和應(yīng)用舉例
在公式(20)中,體積濃度ppm的取值比較直觀且很關(guān)鍵,它體現(xiàn)了企業(yè)對壓力容器檢漏控制質(zhì)量嚴(yán)格的程度,因此考慮檢驗成本和質(zhì)量風(fēng)險,需要合理確定ppm的取值。根據(jù)企業(yè)實踐,取體積濃度2ppm和5ppm兩個值來比較哪一個更適合做為檢漏標(biāo)準(zhǔn),于是
當(dāng)ppm=2時,[G]/V=7×10-7
當(dāng)ppm=5時,[G]/V=1.75×10-6
企業(yè)工作人員選擇了14件壓力容器進(jìn)行了檢測驗證,14件壓力容器有容積相同但零件不同的情況,比較情況見表1。
從表1可看出:
(1)當(dāng)選擇2ppm作為合格泄漏濃度時,其判定為不合格產(chǎn)品比例較高,且與探傷結(jié)果不一致;
(2)當(dāng)選擇5ppm作為合格泄漏濃度時,其判定為不合格產(chǎn)品比例較合理,且與探傷結(jié)果比較一致。
(1)真空氦檢漏法檢測泄漏率與包扎檢漏法檢測體積濃度具有等效換算關(guān)系,兩者之間可以進(jìn)行對比、換算;
(2)真空氦檢漏單位[G]/V(Pa/s)作為檢漏新標(biāo)準(zhǔn)排除了殼體的影響,具有較好的通用性;
(3)真空氦檢漏法與包扎檢漏法如果在同一企業(yè)同時應(yīng)用,那么可以采用公式(20)的換算方法確定泄漏質(zhì)量的驗收標(biāo)準(zhǔn)。例如,可以嘗試對體積濃度取不同值進(jìn)行驗證。
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劉慶超(1975—),男,中級質(zhì)量工程師,曾經(jīng)從事高壓開關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量控制工作,現(xiàn)從事專用汽車質(zhì)量管理工作。