针对管壳式换热器的新型泄漏检测工艺研究

周 涛 袁会勇 柏佳磊 孙文彬

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

泄漏检测主要是为保证承压部件或真空环境下工作的设备、系统等安全运行而进行的检测工作。常规的泄漏检测技术包括目视检测法[1]、压力变更法、正压吸枪法[2]及真空喷氦法[3]。这些方法在使用过程中均有不同程度的缺陷。例如目视法只能检测出比较明显的缺陷和较大的泄漏；氦检漏对整装设备来说存在边界隔离困难的问题；压力变更法灵敏度不高且观察现象不明显，容易漏检、误检且效率较低。

总之这些方法或多或少都具有比较明显的应用限制条件。该文针对管壳式换热器，提出了一种适用于管壳式换热器的多管束集中检测的真空气泡水法查漏方式，具有检测效率高、可视化程度高和结果直接明显等优点。在现场实际测试过程中，该方法大幅度提高了现场检测速度，检测结果明显，展现了良好的应用前景，为后续的进一步开发打下了坚实的技术基础。

1 原理及特点

1.1 技术原理

真空气泡水法的技术原理主要基于负压特性，通过主动建立检测系统的压差，对泄漏点进行检测和感知。如图1所示，当传热管充满水时，如果不存在泄漏，管内处于稳定状态，水流不会发生任何变化；如果管束中某根传热管存在漏点，由于整体处于真空状态，管外的气体会持续泄漏进管内，导致内部流体的稳定状态遭到破坏，因此流体流型开始产生差异[4-5]。以U 型管为例，当存在外界气体泄漏进管内时，密闭空间内构成气液两相流动，水平方向产生多种流型（分层流、波状流和气泡流等），相互产生影响，滑移速度出现差异性，最终泄漏进管内的气体逐渐形成气泡、聚集并发生定向移动。竖直方向上由于自身存在重力作用，同时气水两相密度不同，因此导致气泡的运动行为受到影响，加剧了这种运动行为。经过时间积累后，由于真空边界的影响，形成的气泡会逐渐运动到传热管管束管板处，因此会形成连续不断的“起泡”现象。

图1 真空气泡水法原理简图

1.2 实现方式

真空气泡水法的整个实现过程如下：采用透明隔罩对被检系统进行边界隔离，抽真空至极限，然后注水。当系统内存在漏点时，外界的气体会因压力梯度作用而被“吸入”系统内，随着真空作用向透明隔罩方向运动，最终在其表面形成连续不断的气泡。因此，在技术方面有2个核心问题需要解决：1）如何高效建立系统真空，同时保证进行注水时不破坏系统的真空度，也不会因为介质倒流而损坏真空泵等设备。2）采取何种方法对最终的泄漏结果进行判别。例如由真空度变化导致水中溶解气体析出形成气泡的这种状态就会对存在的真实泄漏形成干扰，从而影响判断。因此，该文对这2 个方面进行研究。

1.2.1 真空建立及维持

在管内存在介质的情况下进行抽真空，会存在“倒吸”的问题，导致设备损坏。因此，在试验过程中采取了“先抽真空，再注水的方式”进行解决。当真空度建立后，切换抽气和注水阀，在真空状态下进行注水操作。在边界隔离方面，将抽真空的气口尽量设置在透明隔罩的上侧，以尽可能减少介质被吸入后端的可能性。同时在真空泵与系统中间设置汽水分离装置，这样即使注入系统的介质被抽至后端，也可被汽水分离装置分离。当全部工作完成后，由于系统内已建立极高真空，因此在不受其他过强外力干扰时可维持真空状态。

1.2.2 泄漏结果的判别

该文对最终泄漏结果的判别，进行了数次试验测试。当测试系统不加装外置漏孔（系统无泄漏）时，在最初的注水完成阶段也会观察到存在间隔的气泡产生，但存在时间极短且数量少，经过5min 的时间间隔后，系统处于稳定状态，将不再产生气泡。对测试系统加装1×10-2Pa·m3/s再进行试验，发现系统稳定后会随着固定的时间间隔生产大量的连续气泡，存在状态明显、在不主动破坏系统真空度的情况下，生成气泡的状态会持续存在，不会消失。因此，在实际检验过程中可适当延长检测时间，以排除气体溶解析出形成的气泡对系统造成的判断干扰。

1.3 技术特点

由于该方法最终将“是否可产生连续气泡”作为判别泄漏的方式，基于该特点，在传热管边界的封堵上通常需要采用可视化工装（如透明真空罩）。在检测过程中需要依靠人力将真空罩“紧贴”在传热管管板上，一方面需要保证不会影响对传热管壁面产生的连续气泡的观测，另一方面又需要保证工装的强度。关于材料强度，既要保证工装的密封性，又要保证不会在高真空的状态下发生变形、破裂。同时，真空罩和壁面的接触材料也需要受到限制，防止其对管板材料造成腐蚀甚至损害。

2 工艺系统及检测流程

2.1 工艺系统

该方法涉及的工艺系统如图2所示。整个工艺系统包括4 个模块，模块之间功能相互独立，互不影响。根据实际情况，4 个模块可以酌情进行具体设备的调整，以适用于现场应用环境。

图2 真空气泡水法检测工艺系统图

2.1.1 稳压模块

稳压模块主要负责系统真空度的建立并维持稳定。在检测过程中，如果真空状态遭到破坏会造成系统内介质逸出，从而导致检测灵敏度降低，严重者会损坏检测设备。为了避免该情况发生，通常考虑设置汽水分离装置，以防止液体倒灌损害真空设备。该模块主要设备包括真空泵、汽水分离器和压力监测器等。

2.1.2 蓄水模块

蓄水模块主要负责提供检测所需的循环水及相关控制系统，负责介质的引入及回收。为了避免水流瞬时冲击作用导致管板避免破损及建立的真空遭到破坏，通常需要针对注水速率进行控制。该模块主要设备包括收集罐、水泵、流量控制器及进出水控制阀。

2.1.3 真空气泡检测模块

真空气泡检测模块是整个工艺系统的核心模块，也是整个检测系统的主体，由一对透明真空罩和被检管束组成，真空罩形状可根据实际管板进行针对性定制，表明有进出注水及抽真空口。在实际应用中，U 型管板存在边界对不准导致密封失效的问题，因此在真空罩上设计了定位堵头，方便进行定位安装。

2.1.4 校准模块

校准模块用于标定整个检测系统的灵敏度及准确度。当系统不存在漏点时，可通过校准模块判断是否是检测装备功能失效导致漏检，还是本身不存在泄漏状态。该模块主要设备包括标准漏孔及控制阀。

2.2 检测流程

真空气泡水法检测流程如图3所示。

图3 真空气泡水法检测流程图

检测具体实施步骤如下：1）检测系统连接。在被检管束管板安装检测装置，同时按照图2 连接检测系统。2）建立真空度。当系统连接完成并检查无误后，对整个系统进行抽真空操作并确认符合要求。如果无法达到要求，则进行系统连接检查并确认覆盖管束是否对齐，修正后再次进行此步操作。3）注水。当系统真空度达到要求后，对系统进行注水操作以建立可检测环境。中间需要控制注水流量，防止水流冲击真空板导致系统真空度被破坏。4）连接检测标定系统。

当系统注水完成且达到稳态后，连接漏孔标定系统以进行系统灵敏度及准确度验证，观察到明显现象时记录反应时间。如果无法观察到对应现象，则重复前步操作进行检查分析。5）维持状态。将校准模块控制阀关闭，以标定状态下的5 倍反应时间作为常规检测系统的观察时间。如果观察到对应管板管口存在产生连续气泡的现象，则认定该根传热管存在泄漏情况，并做好相关位置记录，认定不合格；如果无现象产生，则认定传热管管束无问题，记录合格，进行后续操作。6）泄压。对整个检测系统进行阀门泄压操作，将负压环境缓慢恢复至常压状态。7）排水。打开系统排水阀，将系统内的水排至外界，拆卸检测装置，进行下一组检测准备。

3 检测案例

按照上述方法对某核电厂管壳式换热器进行系统泄漏检测，完成了3 台管壳式换热器传热管及管板焊缝的泄漏检测试验。

采用真空气泡水法进行检测，预装检测系统可单次覆盖传热管120 根。试验开始后，先将系统真空度抽至0.08MPa，随后向系统传热管内注满水并进行预检。在加装10-2Pa·m3/s 的漏孔后，经过5min 的反应时间，漏孔对应传热管管口开始产生连续气泡，验证成功。经计算，每组试验选择10min 作为系统监测稳定时间。

在对每台管壳式换热器进行15 组的试验中，未发现存在泄漏状况的传热管。在每组标定试验中，加装10-2Pa·m3/s 的漏孔后均可在管板处观察到明显的连续气泡现象，证明了该方法具备可行性。

4 小结

首先，检测工艺直接、高效。当被检传热管两端区域能够匹配后，整个系统可迅速启动工作，可快速完成检测任务。

其次，结果直观。传热管发生泄漏时，会在水中形成气泡并被直接观察到，易于判别。

再次，检测效率高。该方法可同时对数根传热管（根据传热管内径大小，几十到上百不等）同时进行检测，检测效率大幅提高。系统检测介质采用低加同源介质，不受环境限制，使用范围广且可兼容性强。

从次，灵敏度高。采用经校准的标准漏孔进行试验，真空气泡水法可有效检测出10-2Pa·m3/s，当建立足够的条件后，灵敏度甚至可达10-4Pa·m3/s。

最后，可进行定位半定量测量。当补充特殊的检测工艺后，可以对传热管的泄漏点进行定位以及半定量测定。

5 结语

该文提出了一种针对管壳式换热器的新型泄漏检测工艺。真空气泡水法虽然具有单次检测效率高、检测结果直观明显和工艺流程简单等优点，但也存在较多不足之处，需要进行改进开发。例如其需要水作为检测介质，而对管壳式换热器这一类管壳式换热器来说，其传热管众多且管程较长，对水的用量很大且回收难度很高。不同加热器的管板及管径均有所区别，需要开发一款可通用的真空罩可大幅度缩减由不同尺寸换热器带来的耗材成本。同时，对检测结果，如何能进行定量测量是未来值得进行技术突破的难点。综上所述，该文方法具有较广的应用前景，但对不足之处还需要进行后续研究、技术升级和突破，如何实现自动化检测将会是一个重要的研究方向。