一種內孔焊氦檢漏裝置的研究與應用

郗運富

（南京寶色股份公司, 江蘇 南京 211100）

引言

內孔焊技術已廣泛應用于石油、化工、核電、醫藥等行業中的管殼式換熱器上。換熱管與管板的內孔對接結構明顯優于角接端部焊加脹接結構[1]：內孔焊對接結構是一種全焊透結構，其抗疲勞能力強；內孔焊對接結構不同于角接形式，換熱管與管板無縫隙，不會存在間隙腐蝕和應力腐蝕；內孔焊對接結構焊縫質量通過多樣的檢測手段能夠得到有效的控制，因此這種內孔焊對接結構的換熱器能夠有效地在高溫、高壓、強腐蝕介質的工況下安全運行[2-6]。由于內孔焊對接結構特殊，設備整體制作完成后，壓力試驗發現換熱管與管板對接焊縫泄漏時焊縫將無法返修，故每個管頭焊接完成后，需要逐根檢測，具體檢測方法按照圖紙和技術協議要求。雖然檢測方法有：RT、PT、逐根水壓、逐根氦檢等[7]，其中最經濟、最有效、最常用的檢測方法是逐根氦檢。由于此結構的特殊性，對于氦檢試驗裝置以及吸槍組件的要求都比較高。某單位生產的一批要求內孔焊的熱聯合換熱器，圖紙要求內孔焊焊接完成后逐根換熱管進行氦檢漏檢測。下文以此套氦檢漏試驗裝置的實際應用案例作具體介紹說明。

1 試驗前的準備

某單位生產的熱聯合換熱器一端是內孔焊對接結構，另一端是傳統的角接結構，每焊完一列換熱管對內孔焊焊縫做一次氦檢漏試驗（換熱管材質為S30409 規格Φ25*2），氦氣濃度100%，壓力值0.345MPa，允許最大泄漏率1.0*10-7Pa.m3/s。

氦檢漏裝置包括：高壓軟管及接頭、進氣組件、換熱管試壓組件、氦質譜儀、吸槍、吸槍組件、閥門、壓力表、溫濕度計、氦氣及氮氣等（如圖1-1所示）。

圖1-1 內孔焊氦檢漏示意圖

1.1 檢測設備型號

氦質譜儀：型號ASM340 ；對氦氣的最小泄漏率，真空模式：5E-13 Pa.m3/s，吸槍模式：5E-10 Pa.m3/s。

標準漏孔：吸槍專用漏孔VTL-6C，漏率值：1.46E-6 Pa.m3/s。

1.2 換熱管試壓組件

換熱管試壓組件為最關鍵的氦檢漏試驗部件，它與換熱管尺寸配合要恰到好處，配合太緊密影響裝配和工作效率；配合不緊密導致其不能承壓且氦氣外泄，影響氦檢漏試驗的順利完成。經過長時間的摸索總結，研究出了下面這個換熱管試壓組件（見圖1-2）,結構詳見“內孔焊氦檢漏試驗裝置及檢漏方法”[8]

圖1-2 換熱管試壓組件示意圖

換熱管試壓組件由高壓軟管連接段、六角螺母、實配連接段、壓環Ⅰ、壓環Ⅱ和O型圈等部分組成。其工作原理：實配端壓緊環Ⅰ全部和壓緊環Ⅱ大部分插入內孔焊換熱管內壁（兩端），旋擰六角螺母擠壓壓緊環Ⅰ、Ⅱ，使兩個O型圈受擠壓變形貼實換熱管內壁，從而使換熱管內腔形成密閉空間，能夠承載一定的壓力。連接高壓軟管端一般連接尺寸固化不變，裝配連接標準規格的高壓軟管；換熱管實配端的尺寸需根據不同換熱管內徑進行實配加工；連接高壓軟管段與換熱管實配段采用焊接連接方式。本次試驗換熱管內徑為Φ21mm，根據試驗壓力值0.345MPa，實配端及壓環ⅠⅡ外徑尺寸加工為Φ19.8mm。

1.3 吸槍組件

本次氦檢漏試驗采用吸槍模式，由于上下間換熱管間距非常小，吸槍無法觸達,故研究出此吸槍組件，不僅能保證氦檢漏試驗質量，而且還有效地提高了工作效率，如圖1-3所示。

圖1-3 吸槍組件示意圖

吸槍組件由兩片吸槍護罩、鉸鏈和導管等部分組成。工作原理：當內孔焊縫換熱管充氦保壓后，將吸槍護罩包裹住待檢測焊縫，使吸槍護罩與待檢測焊縫及換熱管外壁形成一個較小的相對密閉空間，利用氦質譜吸槍累積檢漏法[9]進行檢測。吸槍護罩的制作是根據換熱管外徑選取相應規格的一截不銹鋼管（管長約70mm），切割成兩哈夫通過鉸鏈連接而成，同時在護罩兩端分別焊接一個環圈，環圈寬度為換熱管外徑與不銹鋼管護罩內徑之差的一半（一般為1.5mm）；導管的制作是用一段小規格的不銹鋼管（Φ6*1）與吸槍護罩進行焊接，通過塑料管和氦質譜儀的吸槍連接固定密封。

1.4 進氣組件

這套進氣組件能夠快速的進行氦氣升壓、保壓和泄壓后的氣體置換，如圖1-4所示。

圖1-4 進氣組件示意圖

進氣組件由高壓軟管及接頭、三通接頭、壓力表、閥門1、2、3等部件組成。其工作原理：當升壓時，關閉氮氣閥門2，打開氦氣閥門1和氮氦閥門3；保壓時，關閉閥門1、閥門2；泄壓后，關閉閥門1，打開閥門2、閥門3.從而快捷地置換換熱管內的氦氣，防止做下一列換熱管氦檢漏時上一列換熱管內殘留氦氣影響氦檢漏試驗的正常進行。

2 試驗過程

2.1 試驗前的準備

2.1.1一列換熱管與管板內孔對接焊縫焊接完成后，孔內焊縫用內窺鏡檢查、外側目測檢查焊縫成形光滑、平整、美觀，無未焊透、咬邊、掛瘤、氧化等可見缺陷。換熱管及管板孔內外表面無可遮擋檢測的污物；無油脂、無油漆等可能遮蔽泄漏的污物。

2.1.2 換熱管及管板孔內外表面應保持干燥；工作環境具有良好的通風，環境溫度保持在5～40℃范圍內，相對濕度在50%～80%范圍內，現場無強烈電磁場無劇烈震動[10]。

2.1.3 按照圖1-1所示連接高壓軟管及接頭、閥門、進氣組件、氦氣和氮氣、換熱管試壓組件以及泄壓閥（泄放口位置以氦氣排放不能影響氦檢漏試驗的正常進行）。

2.1.4 先試檢測兩根換熱管，檢查所有軟管、閥門、換熱管試壓組件、進氣組件的接口密封，確保其不泄漏，才能進行正式的氦檢漏試驗。

2.2 試驗的步驟

2.2.1 多套換熱管試壓組件與多根高壓軟管裝配完好后，將換熱管試壓組件以串聯的方式插入待檢列內孔焊換熱管兩端，逐次擰緊六角螺母，使換熱管試壓組件密封住換熱管兩端，如圖2-1所示。打開進氣組件中的氦氣進氣閥，使壓力緩慢升到0.345MPa，保壓60分鐘，壓力保持不變。若壓力保持不住，立刻關閉氦氣進氣閥，查找漏點，及時處理，置換工作環境中的氦氣，重復上述步驟。

圖2-1 高壓軟管串聯換熱管

2.2.2 打開ASM340氦質譜儀，自動進行校準后，切換進入吸槍模式。利用吸槍專用漏孔VTL-6C校準氦質譜儀。吸槍裝上吸槍組件后，再次利用標準漏孔進行校準，同時確定響應時間，一切確定、正常后如圖2-2所示對內孔焊縫處逐根進行氦質譜吸槍積累檢漏法檢測【11】。最大泄漏率不大于1.0*10-7 Pa.m3/s為合格；若泄漏率超標，判定對應內孔焊焊縫泄漏，利用專用內孔切割刀具切開焊縫重新焊接。

圖2-2 吸槍組件演示

2.2.3 一列內孔焊換熱管氦檢漏試驗完成后，打開泄氣閥，使換熱管內的氦氣泄壓排盡。打開進氣組件中的氮氣進氣閥，利用氮氣置換換熱管內殘留的氦氣。拆除換熱管試壓組件后及時用膠帶封閉此列管板孔，防止管孔內仍殘留少許氦氣影響下一列內孔焊的氦檢漏試驗。

3 討論分析

3.1 這套氦檢漏裝置使熱聯合換熱器的內孔焊氦檢漏試驗順利完成，進氣組件和吸槍組件不僅使試驗高質量的完成，還最大化的提高工作效率，降低試驗人員的勞動強度。

3.2 吸槍組件還可以被借鑒用做氬弧焊接的背面氬氣保護罩。

3.3 換熱管試壓組件實配端可以根據不同規格的換熱管內徑進行制作，加工完成后與高壓軟管連接頭焊接，適用不同規格換熱管的逐根檢測，此組件使用非常方便快捷，且具有一定的互換性。

3.4 本文介紹的兩個O型圈結構的換熱管試壓組件，經過多次試驗證明能夠承載0.7MPa的壓力值；當壓力值高于0.7MPa時，可以增加O型圈的數量或減少換熱管試壓組件實配端外徑與換熱管內徑的間隙，從而使其適用于更高檢測壓力的項目要求。

4 結論

這套內孔焊氦檢漏裝置的使用明顯優于以往的打壓裝置，使氦檢漏試驗的質量得到質的提升，極大地提高了工作效率。通過本文對這套裝置的實際應用和進一步研討，此裝置操作非常方便高效，且有一定的互換性，此種內孔焊氦檢漏裝置適于廣泛推廣應用。