氦质谱检测技术在汽轮机真空系统检漏中的应用

1、氦质谱检测技术在汽轮机真空系统检漏中的应用汽轮机真空系统主要涉及低压缸、排汽装置、空冷岛、抽空气、疏水、低压旁路以及连接管道等范围，是一个庞大而又比较复杂的系统。汽轮机正常运行时，这些设备和管道都处于真空状态。一旦真空系统有泄漏，泄漏的空气量大于抽汽器的抽出量，凝汽器真空状态将会受到影响，造成汽轮机低压缸排汽压力升高。低压缸蒸汽焓降减少，在同样蒸汽流量下汽轮机作功减少、热耗增加，机组煤耗升高。以300MW 机组为例，背压每增加1 KPa ，影响机组热耗大约为55.87 kJ/kwh 标准煤耗增加2.15g/kwh；同时低压缸排汽压力升高造成蒸汽湿度增加和低压缸温度上升。因此，汽轮机运行真空低不

2、仅对机组经济性有较大影响，对汽轮机的安全运行也是一种威胁。对于一个庞大的真空系统要检测出分散很广的漏点是比较困难的。目前，电厂一般采用停机后真空系统灌水找漏的方法，检查1次需要34 d，且因灌水位置限制，凝结器喉部以上可能漏入空气的部位无法检查。氦质谱检漏技术是一种应用于国内外的真空容器检漏先进技术。氦气是一种无毒、无味、对大气无污染、性质稳定的惰性气体。在特定温度下，氦分子比除氢外的任何其它气体都具有更高的粒子速度，因此，氦比大多数其它探索气体都能更快地穿过漏孔。利用氦气作为汽轮机真空系统检漏示踪气体，用喷射器逐一对真空系统设备每个部位释放氦气，如果该部位存在漏点，氦气将被吸入，最终从抽汽器

3、排出，通过氦气检测仪在抽汽器出口检测示踪气体，从而可判断真空系统的泄漏点位置和泄漏空气量相对大小。该技术主要特点是：氦气对系统设备无腐蚀、不溶解于水和蒸汽、对大气无污染、仪器接收灵敏度高、漏点判断准确，对真空系统细小的漏点也能检测到，可不停机检测，且容易掌握，成本费用低。近几年已在电力生产中推广应用。汽轮机真空系统严密性的检测范围在机组运行中检查真空系统严密性的仪器是氦气检漏仪。该仪器可以检测真空系统中焊缝、管接头、法兰和阀门接合处及轴封等的泄漏。使用时，将氦气接近真空系统中可能泄漏的地方，经真空泵后取样，由检漏仪指示出试样中含有的氦气度，并发出报警声响，从而分析确定泄漏的位置和泄漏的严重程度

4、。 检漏前，首先要进行真空严密性试验或采取分系统隔离真空严密性试验对比的方法，初步判断真空泄漏可能发生的设备和系统管道的位置，并根据分析结果、超标程度制定试验检测方案。分系统，逐个设备部件检查，一般情况下主要检测范围包括下面一些设备部件：凝汽器及相连的负压系统凝汽器在真空系统中占主要部分，与汽侧相联的设备管道有二级旁路、三级减温器、疏水扩容器、低加疏水、轴加疏水、空气管道、给水泵密封水回水、真空破坏门、水位计等。与负压系统有关的设备缺陷，如凝汽器底部热井焊缝、三级减温器焊缝和突变区应力集中部位裂纹，疏水扩容器长期冲刷、腐蚀造成泄漏，与负压系统有关的阀门、管道、联箱等老化，频繁操作造成阀门格兰、

5、法兰密封不严而影响真空严密性的情况也较为多见；另外汽轮机组的一些微正压部位，如中低压连通管法兰由于刚度差，易变形造成法兰泄漏，当低负荷时此处呈负压而漏入空气的情况也时有发生。低压缸部分机组在正常运行时，低压排汽、末级抽汽管道和加热器部分处于负压，机组在80额定负荷以下运行时，次末级抽汽管道和加热器部分也出现负压（负压区扩大），低压缸上方大气释放阀、低压缸汽封以及接合面等常常是漏入空气的重点部位。如125 MW汽轮机低压缸两侧瓦窝处变形而出现间隙，一方面由于外缸庞大而单薄，刚性差，而轴封用汽无论是低温蒸汽还是新蒸汽均比低压缸排汽温度高，这样开停机造成的交变温差应力相当大，如果机组启停调峰或是热态

6、开机，使用新蒸汽的温度在400以上，对其影响就更大；另一方面外缸在铸造时亦存在较大内应力。两方面共同作用的结果，随着运行时间的增长，变形也越来越大。低压轴封调整不当或机组运行中轴系振动过大而使轴封片发生摩损，也是低压轴封动静径向间隙过大的主要原因。其它部位低压缸防爆门结合面法兰，由于纸垫面积较大，且位置高，灌水找漏时水位达不到，一般不进行检修，当法兰不平整或纸垫裂纹时，空气会经防爆门进入真空系统。蒸汽联箱通过联箱疏水与疏水扩容器相联，当安全门阀芯密封面损坏或安全门起座后回座不到位时，空气会经安全门进入真空系统。机组长期运行中，真空压力表头松动、排汽缸温度计套管磨穿、电接点水位计接点松动等原因，

7、亦造成真空系统泄漏；疏水泵、凝结水泵盘根损坏或密封水不投入，也会造成真空系统泄漏，有凝结水含氧量不合格的指示。氦质谱检漏仪介绍及在压力容器检漏上的应用各种检漏方法、氦质谱检漏仪原理、性能、氦检漏方法及氦检漏时的注意事项 当压力容器储存气体时，漏气对整个容器的气体储存来说是个很大的损失。为解决此问题对制造生产压力容器的厂家来说，历来是个既麻烦又要花费大量时间、人力、精力、财力的事情，但又不一定能够很好的解决泄漏这个关键性的问题。一般压力容器检漏先进行总漏率检测，当总漏率超出允许值后，再进行各个泄漏孔的检测，对超过允许值的漏孔进行修补。用加压水中气泡法检压力容器，能寻找出较大的漏孔位置，但很难检出

8、微漏和渗漏，特别是压力容器随着时间的渗漏（包括材料本身的渗漏）问题。一般国内的企业在压力容器检漏时经常采用以下几种方法：加压放置法：充入一个三个以上大气压的空气，放置24小时或更长，看压力表上压力读数是否下降，用这种方法可检到10-1Pa ·m3/S左右的最小漏率。着色法：充入氨气，在外面着色，可检到10-1Pa ·m3/S左右的最小漏率。 超声波法：充入一个三个以上大气压的空气，用超声波检测器检漏，可检到10-2Pa ·m3/S左右的最小漏率。加压水中发泡法：充入一个三个以上大气压的空气后，放入水中，看水中有否气泡出现（可检到10-310-4 Pa ·

9、m 3/S），24小时积累后可检到10-5Pa ·m3/S左右的最小漏率。涂抹肥皂水法：充入一个三个以上大气压的空气，在怀疑处涂上肥皂水，看是否有肥皂泡出现，可检到10-210-3Pa ·m3/S。放射性气体法：可检到10-11Pa ·m3/S。有放射污染危险卤素检漏法：可检到10-510-6Pa ·m3/S氦质谱检漏仪:吸枪法可检到10-310-7 Pa·m3/S，真空法可检到10010-13Pa ·m3/S。 从上述检漏手段来看，可以得出氦质谱检漏仪的检漏范围最宽，精度高，安全等优点。在国外和外国在国内的独资、合资企业中广泛得到应

10、用，现在国内的企业也在随着用户要求的提高，和产品的升级换代、走出国门、与外资配套等情形，逐渐增加了氦检漏仪的应用机会。下面我将详细介绍一下岛津制作所生产的氦质谱检漏仪的特性和工作原理。氦质谱检漏仪检漏也是无损检测（X 射线、涡流、超声等）的多种方法中的一种，是压力容器无损检测的最佳形式。广泛应用于航天、航空、核电、电子零部件、真空设备、电真空、电力、石化、半导体前道、空调制冷等新技术的领域。一概述自从1954年岛津制作所在日本研制生产出日本第一台氦质谱检漏仪，至今已有近50年的历史。通过不断地开发、研究，岛津新一代的氦质谱检漏仪具有高精度、高灵敏度、低本底、宽量程、高稳定性、触摸式液晶显示屏、

11、采用菜单式人工控制、微机化全自动控制、多用途、易维护、操作简便的特点，能快速反应，定位、定量、定性的反映漏孔的情况，广泛应用在航天航空核能利用，科研，电子电工，制冷和汽车工业，真空科学，冶金，化工，半导体，通讯，压力容器，精密机械加工等领域。 泄漏的检查，存在着各种各样的方式，其中之一便是使用氦质谱检漏仪的检查方式。利用氦气作为示踪气体，来对各种容器的泄漏、微漏和渗漏(包括材料本身的 进行检测。使用氦气进行检漏是考虑到氦气具有以下一些优点：（不用氢气，因为氢气有可燃可爆的危险性）氦气在空气中含量非常少，只有5ppm （空气中占约1/200，000）；在被测试的物体内部所残留的空气中的氦气含量也

12、非常少；由于氦分子量小、分子直径小（在元素周期表中在仅排在氢的后面），即便是极其微小的渗漏孔也能方便地通过；由于具有化学上的不活跃性，不会污染排气系统及被测试物体； 由于具有对人体无害性和不可燃爆性，因此使用安全方便；对分析管的分辨率要求并不高，容易实现高灵敏度；不存在环境污染问题。氦质谱检漏仪的性能、特性好坏取决于质谱分析室。质谱分析室的工作原理是对离子源气体进行电离，电离出来的正离子经过电场加速聚焦通过缝隙进入均匀磁场，离子束在磁场力的作用下，旋转180o 或90o 按一定轨迹到达收集极，此种形式称之为磁性偏转分析形式。然后，经小电流放大器、微处理器，控制器等线路处理直至液晶屏显示出读数的

13、大小。三氦质谱检漏仪在压力容器中的常用方法在压力容器中，使用氦质谱检漏仪检漏常用的方法大体可分为三种，即喷氦法（负压法），吸枪法（正压法），氦罩法。就几种方法的灵敏度比较而言，喷氦法的灵敏度高些。但是当检漏仪安装在大型的、比较复杂的压力容器装置上时，也不敢确切地说喷氦法的灵敏度就是高。（一）喷氦法喷氦法是最常用，最方便的检漏方法。检漏时，用连接在装有氦气的气瓶上的喷枪向怀疑有漏泄的部位喷氦气，如果有氦气从漏孔中流入压力容器装置，则装置内的氦分压就会上升，氦检漏仪上就会显示有泄漏率。是否合格要看标准漏率值是定在多少，超过标准漏率值的可视为不合格。喷氦法检漏中应该注意以下几个问题：1、实际的检漏灵

14、敏度比理论计算值低，一是由于喷枪所喷出的氦气流是散开的，故掺有一定数量的空气，使氦气的浓度有所降低。二是喷枪喷出的气流的方向不可能完全对准漏孔的方向，此外、在凹缺处所存在的空气会使得进入漏孔的氦气浓度降低。 2、检漏次序：从被检件物体的上方至下方，由*近检漏仪处向远离检漏仪处逐点进行喷氦检查。3、检出的大漏孔要经修补后再去找小漏孔。4、当存在两个相距很近的可疑的漏孔点时，应先把一个点盖住，在对另一点用最细的喷枪进行喷氦。5、当喷枪喷在某一点时，如果，检漏仪上的显示有变化，其上升速度很慢且显示值不稳定表示邻近其它地方有很大漏孔。6、检出漏孔后，还应再做几次复检。7、检漏场地要有良好的通风条件，但

15、也不能太大，不应影响喷枪喷出的氦气气流的方向。（二）吸枪法吸枪法是先向压力容器装置中充入一个以上的大气压的氦气或氦气与其他气体的混合气，从压力容器装置的外部检测从漏孔泄漏到外部的氦气，进而发现漏孔。用吸枪寻找氦气时，一旦氦气被吸入，氦检漏仪就会显示出漏率值。在这种情况下，因为压力容器装置外部是一个大气压，所以充入压力容器装置内的气体压至少需要一个大气压以上。但压力不宜过高，压力过高，插在装置上的压力表或其它插件就会弹出而发生伤人等危险事故。在喷氦法中，喷的氦气很有可能把漏孔完全覆盖上，这样，氦分子就以接近一个大气压的压力差通过孔进入内部，与此相反，吸枪法从大体来说，首先用氦气使内部压力达到一个

16、大气压以上，如果压力差达不到一个大气压以上，氦气就不会以相同的量流到外部，接着漏出的氦气马上在大气中扩散，即使是吸枪口（一般都是非常小的）也不可能把漏泄的氦气全部吸进去。吸枪法（正压法）检漏，用纯氦检时，可使用氦气回收装置，重复使用，以降低使用成本。或使用浓度不低于510%的氦气混合气体，使用完后，可直接向大气中排放，要注意周围环境中的氦气的浓度，注意周围环境中空气的流动情况，因为这会影响到吸枪法的检测精度。吸枪法（正压法）检漏与卤素检漏极为相似，但应注意的是容器内所充的示踪气体是不同的，即使有相同的漏率值，其意义也是不同的，能够区分这一点很重要。除实验测试比较法以外另有计算式Q11= Q22

17、（Q 为气体的泄漏流量，为气体的粘度系数），Q1M11/2=Q2M21/2（M 为气体的分子量）。吸枪法检漏中应注意以下几个问题：1、灵敏度受连接管道的流导的限制。2、初次检漏时、被检件体内切勿充入过高压力的氦气。因为如果有漏孔，氦气 会从被检件物中漏出，造成较大浪费，而且氦气到处扩散，给检漏仪带来非常大 的干扰。因此，一般应先向被检件物内充以低压力、低浓度的氦气，再充入高压 力，高浓度的氦气，对小漏孔进行检漏。如果存在较大漏孔时，可对检件体先进 行加压水中发泡法检大漏，这样既可以减少氦气的浪费，因为氦气较贵（不同浓 度的价格也不同），又可避免对氦检漏仪的氦中毒的损害。 （三）氦罩法 这种方法

18、使用一个检漏罩（塑料薄膜等）把被检容器包起来，先排除罩内空 气，然后充入氦气或氦气的混合气体，检漏仪与被检容器内部连接，当检漏仪有 漏率显示时，说明有泄漏。这个漏率称为总漏率。总漏率为各个分漏率之和；总 漏率不超标准值，则各个分漏率也不超标准值；总漏率超过标准值，则检查各个 点的分漏率是否超过标准值。然后再对超过标准值的漏孔进行修补，直至达到合 格标准为止。图容器内负压时的总漏率测试方法图 容器内正压时的总漏 率测试方法 常用压力容器的检漏系统示意图（图 3） 大型压力容器在检漏时，经常使用辅助真空系统（辅助真空系统-有真空 机械泵+增压泵，真空管道，三通，真空计，真空阀门，放气阀门等组成）来

19、进 行预抽真空，真空度达到一定值时，关闭辅助真空系统，或使用真空切换阀，再 开启检漏仪来进行检漏。方法参照（一）喷氦法带粗抽装置的和带吸枪装置的氦 检漏仪（图 4） 四、岛津公司氦检漏仪各种型号的数据 MSE-1001 型氦检漏仪 一检测精度： 1 最小 Qmin：8.0×10-12 Pa·m3/s (He 2 最大 Qmax：（定量） 8.0×10-4 Pa·m3/s (He 3 最大 Qmax：（定性）1.6×10-3 Pa·m3/s (He 4 检测口的最大压力 50Pa（装节流阀时 2000 Pa） 二开机至灵敏度自动校准完毕

20、需要三分钟。 三分析管： 1方式：180 度磁性偏转型（流动密度 0.21T） 属灯丝（内置 2 根） 四排气系统 1涡轮分子泵的排气速度：50L/s 2灯丝：氧化钍镀铱金 2油旋转真空泵的排气速度：30L/min（50Hz） 五真空计 1测试口：皮拉尼真空计（16000Pa） 2涡轮分子泵的排气口：皮拉尼真空计（16000Pa） 六重量：本体主机大约 37.5 公斤，泄漏显示器 0.5 公斤 七外部联结 测试口：KF25 八电源： 220VAC±10% 单相 0.6KVA 九环境温度：838，湿度：95%R.H. MSE-2000 型氦检漏仪 一检测精度： 1最小 Qmin： 5.

21、0×10-12Pa·m3/s (He 2最大 Qmax： 100 Pa·m3/s (He 3检测口的最大压力： 2000Pa 二开机至灵敏度自动校准完毕需要五分钟。 三分析管： 1方式：180 度磁性偏转型（流动密度 0.21T） 2灯丝：氧化钍镀铱金属灯丝（内置 2 根） 四排气系统 1涡轮分子泵的排气速度： 33L/s 隔膜真空干泵的排气速度： 2油旋转真空泵的排气速度： 30L/min（50Hz） 五真空计 1测试口：皮拉尼真空计（16000Pa） 六重量：本体主机大约 45 公斤 七外部联结 测试口：KF25 八电源： 220VAC±10% 单相 0.6KVA 九环境温度：838，湿度：80% 特点： 高灵敏度，低 BG，背景噪音小，性能稳定；中间排气，分析室氦中毒后排 氦能力强；宽量程；液晶显示触摸屏，菜单式、图形式、数字式显示；软件可轻 松升级