氦气检漏在超高速低真空管梁中的应用与研究

郭超

摘要：通过结合新建超高速低真空管道磁浮交通系统全尺寸试验线（一期）项目真空管梁外包钢板焊接施工实例，对焊缝气密性检测展开分析。氦质谱检漏技术是无损检测多种方法中的一种，拥有检漏效率高，简便易操作，仪器反应灵敏，精度高，不易受其他气体的干扰等优点，是真空管梁检漏工作的最佳首选。

关键词：超高速低真空管梁，检漏，无损检测，氦质谱检漏技术，氦质谱检漏仪

引言：超高速低真空管道磁浮交通系统全尺寸试验线中的高速飞车，全称是“低真空管道磁悬浮高速飞车”，是利用超导磁悬浮技术与地面脱离接触消除摩擦阻力，利用内部接近真空的管道线路大幅减少空气阻力，从而实现1000千米/时以上的“近地飞行”，具有更快速、更便捷、更舒适、更安全和经济可控的特点。而真空管梁工艺复杂，系统繁多，又有体积大、长度长、焊缝多且长的特点，整个管梁相当于一个大型的压力容器，对气密性要求相当严格。在真空无损检漏方法中，氦质谱检漏仪由于其检漏效率高，操作简便，精度高等诸多优点，无疑成为真空管梁这种大型压力容器检漏最佳选择。

一、工程概况

超高速低真空管道磁浮交通系统全尺寸试验线（一期）项目建设地址位于大同市阳高县。线路呈东北-西南走向，沿大张高铁北侧分布。线路起点位于阳高高铁站西侧，省道S202以西，总长度为2km。上部结构采用15-30m简支梁。30m简支梁采用梁场预制架设法施工。

管梁采用钢-混组合结构，混凝土主梁采用整孔预制先张法预应力混凝土简支梁。梁部外观整体呈U字型，U型结构梁高2.8m，腹板厚度0.95m，底板厚度0.825m。上部N梁钢管直径6140mm，壁厚16mm，每3m设置一道横肋，肋高300mm。为了保证梁体气密性要求，上部钢管N梁与下部混凝土U梁外包钢进行焊接。

二、管梁外包钢板施工方法

本工程为钢-混组合结构，钢结构采用工厂加工制作，运至施工现场胎架拼装。钢筋采用现场制作，胎架绑扎，绑扎成型后与U梁外包钢壳整体吊装至先张法预应力台座，进行模板支设、张拉以及混凝土浇筑，放张后吊运存梁区进行N梁焊接。

2.1.下部混凝土外包钢板U梁施工方法

（1）U梁外包钢壳在胎架上依次组装折底板、弯段件、侧面板、加劲肋，组装完成后焊接。

（2）底部先将两块板拼装到一起，两侧再装配折弯板，最后两侧拼装侧板，所有的拼装焊缝都用码板固定，并用码板将U型钢管梁与胎架固定防止变形。

（3）为了防止板拼接发生错边，基于胎架在焊缝位置处布置调整工装，通过调节螺杆长度控制钢板变形，确保钢板拼接不发生错边。由于钢板板厚较薄，为了防止焊接过程中钢板变形，铺设工字钢或者点焊板肋。

（4）焊接顺序：先焊接短焊缝，后焊接长焊缝；先焊接纵焊缝，后焊接环焊缝；从中间向两侧对称焊接；位于构件刚性最大的部位最后焊接；先焊对接焊缝，然后焊角焊缝；先焊立焊焊缝，后焊平焊焊缝；平行焊缝尽量同时同方向焊，拼装后先将两块底板焊接，然后焊接折弯板和底板，最后由两名焊工在两侧同时焊接侧面板和折弯板。

（5）焊接进出线管、套筒等附属设备。每四道梁设置一道带有进出线管的特制梁，进出线管的主要作用是电缆进出口，为高速飞车提供磁浮动力，堵头通过法兰和进出线管，用焊接的方式安装在管梁的侧板两侧。部件间连接方式为：管道-接管-接管法兰-封头法兰-封头本体，管道与接管焊接，接管与接管法兰焊接，封头法兰与封头本体焊接。所有焊接部位都要进行氦质谱检漏工作，来确保特制梁的气密性。

（6）焊接完成后24h按照要求进行外观检查、超声检测、真空检漏等。

2.2上部钢管梁N梁施工方法

（1）在卷板机送料平台上将两张板间断焊接，焊缝长度为200mm，焊缝间距400mm。

（2）用卷板机卷制成圆形，卷圆完成后，在滚轮架上将每段拼装，拼装至15m，错边应严格控制到1mm，并组装焊接板肋。

（3）在滚轮架上将拼装好的N梁用埋弧焊焊接拼接缝，焊接完成后24h，进行探伤检测、真空检漏，随后安装临时支撑及吊耳；为了严格控制N型梁圆度，在N型梁支撑架基础下进行改进设计，在直径杆上、下各设置3个可调节的螺杆，保证N梁的的圆度。

（4）N梁焊接完成后24h进行外观检查、超声检测、真空检漏等。

（5）使用火焰切割沿间断焊接处将整圆切割成两个半圆，对切割口进行打磨。

2.3上部钢管梁安装

（1）下部混凝土U梁预制完成后，吊装至存梁区，将上部钢管N梁吊装，在存梁台座上拼装，调整后设置码板固定，上部钢管N梁与下部混凝土U梁外包钢板拼接缝焊接。

（2）焊接顺序：对于上部钢管梁与下部混凝土梁外包钢板的拼装焊接，应先焊接上部钢管梁与下部混凝土梁外包钢板的对接焊缝，应同时从两侧由中间向两侧焊接；随后焊接上部钢管梁对接焊缝，同时从中间向两侧焊接，最后加劲肋焊缝。

（3）焊接完成后24h经探伤检验、真空检漏合格后拆除上部钢管梁临时支撑。

三、氦质谱检漏仪的工作原理及优点

氦质谱检漏仪的基本工作原理是采集被检件中的气体样品并将其电离，根据不同种类气体离子质核比不同的特点，利用磁偏转分离原理将其区分开来，仪器只对其示漏气体氦气有响应信号，对其他气体没有响应，属于唯一性检测仪器。一旦出现信号响应，说明有氦气通过漏孔或缝隙进入被检测件中，从而指示漏孔和缝隙的位置和大小。

氦质谱检漏仪正常运行时，空气经过漏点被吸入凝汽器后被真空泵抽出，排至大气。试验时在真空泵入口的空气管上接一根软管至氦质谱检漏仪，在真空系统的漏点处喷氦气，由于氦质谱检漏仪工作时能形成比水环式真空泵更高的真空。因此，漏入真空泵入口管上氦气与空气的混合元体，有一部分被吸入到氦质谱检漏仪，由于氦分子质量与其他分子质量不一样，通过磁场产生的偏转磁力不一样，仪器上设计有一狭缝，刚好使氦分子通过而其他分子无法通过，这样，通过狭缝后的氦分子打在收集板上，通过靶板计数，即可知道通过的分子数泄漏量的相对大小。真空管梁焊缝应满足每米焊缝漏率小于1×10-7Pa·m3/s的要求，氦质谱检漏仪最小可测漏率为5×10-10Pa·m³/S，完全可以满足施工要求。

氦气是一种稀有气体也叫惰性气体，无色无味，化学性质不活泼，一般状态下很难和真空器件等发生化学反应。氦气质量轻，具有优良的渗透性，易穿过漏孔、缝隙，进入系统时流动、扩散快，故作为示漏气体检漏的灵敏度高。此外，氦气在空气中含量很少，在大气中，氦浓度十分低，只有5.2万分之一。氦气无毒，不会污染环境，使用十分安全。

氦质谱检漏仪是一种以氦气作为示漏气体专门用于真空检漏的质谱分析仪。这种仪器在压力容器检漏及其他相关行业的检漏中使用最广泛、性能最好、灵敏度最高。

四、管梁外包钢板焊缝真空无损检漏方法

无损检测是指不损伤被检测物体（或构件）的前提下，检测其内部或外部缺陷的技术。管梁施工工艺的复杂性使其只能使用无损检测的方式进行检漏。

检漏方法有很多，根据被检件所处的状态可大体分为以下三种：

（1）充压检漏法：在被检件内部充入一定压力的示漏物质，如果被检件上有漏孔，示漏物质便从漏孔漏出，用一定的方法或仪器在被检件外部检测出从漏孔漏出的示漏物质，从而判定漏孔存在的位置及漏率的大小。常用的充压检漏法有：水压法、压降法、超声法、气体检漏法、同位素气体法、检漏仪吸嘴法等。

（2）真空检漏法：被检件和检漏器的敏感元件处于真空状态，在被检件的外部施加示漏物质，如果有漏孔，示漏物质就会通过漏孔进入被检件和敏感元件的空间，由敏感元件检测出示漏物质，从而可以判定漏孔存在的位置、漏率的大小。常用的真空检漏法有：静态升压法、放电管法、真空计法、氢靶法、质谱计法等。

（3）其它检漏法：指被检件既不充压也不抽真空，或其外部受压等方法归入其它检漏法。背压法就是其中主要方法之一。

所谓“背压检漏法”是一种充压检漏与真空检漏相结合的方法，是利用背压室先将示漏气体由漏孔充入被检件，然后在真空状态下使示漏气体再从被检件中漏出，以某种方法（或检漏仪）检测漏出的示漏气体，判定被检件的总漏率的方法。

氦质谱检漏法是一种综合检漏法，其中加压喷吹法、吸枪法等属于充压检漏法，检漏盒法等属于真空检漏法，背压法等为其他检漏法。现场检测可根据不同的检测环境及条件选用适合的方式进行，检测方式灵活。本项目使用的检漏仪器为德国普发公司生产的ASM-340型氦质谱检漏仪。

ASM 340氦质谱检漏仪的特点为坚固耐用，抗破大气，抗震性能极强，尽可能降低因操作失误带来的风险性。可反复使用数年仍保证高精度的检漏漏率，ASM 340紧凑的设计适合串列生产和持续工作。

针对真空管梁体积大，长度长，焊缝多且长的特点，施工过程中主要使用检漏盒法和吸枪法对焊缝气密性进行检测。

检漏盒法大多数用于U梁、N梁施工过程中焊接件的焊缝检测，特别是焊接件还没构成一个整体容器时更为方便。检漏盒往往是特质的，能与被检件表面很好吻合的刚性盒体，设计检漏盒时应满足的要求是：盒内至少能抽空至几十帕；盒与被检件密封可靠、扣罩方便；盒的形状与尺寸要尽可能适应于多种形式的焊缝。检漏盒的材料可以选用金属、硬塑料或硬橡胶。现场施工使用的检漏盒有长方体型检漏盒以及筒状检漏盒，长方体型检漏盒主要用于常规焊缝的检测，N梁的圆弧型焊缝也可使用，筒状检漏盒主要用于底板上套筒等辅助设备的检漏，详见下图。

长方体型检漏盒与筒状检漏盒

检测前，确保检漏场地通风，清理焊缝内外表面，将检漏设备和物品准备并安装。检漏时，将检漏盒罩在焊缝上，用辅助泵抽气并使该盒与被检件表面密合。调整检漏仪，使其处于工作状态。在检漏盒所罩部位背面施加氦气，这样就可以根据检漏仪输出信号判定漏孔位置及漏率。然后使用检漏盒沿焊缝一直重复上述步骤，逐条检测每一条焊缝，所有焊缝100%检测。详见下图。图中左侧为背面施加氦气的检测人员，右侧为手持检漏盒的检测人员。

检漏盒检漏过程图

吸枪法检漏主要用于管梁U梁上的进出口线管，法兰接口，复压装置接口等异形焊缝位置的检漏工作，吸枪法的原理是对被检件背面施加氦气，在氦质谱检漏仪的捡漏口配备专用吸枪对充了氦气的被检件另一面外壁的焊缝或密封接头等处移动，如果有漏孔或者缝隙，经漏缝渗出的氦气会被吸入，检漏仪就会响应。检漏仪指示有漏时，漏孔不一定正好在吸嘴所对的被检件的部位，在发现漏孔的范围内，减小吸枪移动速度、减小吸嘴与被检件的距离并反复查找，可以找到漏孔的准确位置，在吸嘴正好对准漏孔，吸枪不移动时，检漏仪指示的漏率可能等于或接近于漏孔的实际漏率。吸枪法检漏灵敏度受很多因素限制，如漏孔的形状、吸嘴相对于漏孔的距离、吸枪相对于漏孔的夹角和移动速度、吸嘴的形状和尺寸、吸枪的吸气能力以及大气中氦气本底浓度大小及稳定情况等。

此方法可以准确定位漏点，不需要制作专门的真空罩，设备投入成本更低，但对操作者的经验与配合度有一定要求，详见下图。图中左图为持吸枪的检测人员，右图为线管被检区背面施加氦气的检测人员。

吸枪法检漏过程图

对于检漏过程中焊缝出现的漏孔或缝隙，由施焊工人现场打磨、补焊，随后再次进行真空检漏，直至确保所有焊缝都无漏孔，每米焊缝气密性要求均小于1×10-7Pa·m³/s。检漏完毕后，应将示漏气体回收或放空。

2023年1月，项目团队在山西省大同市高速飞车试验基地，完成了高速飞车全尺寸试验线（一期）首次超导航行试验。本次试验是国内首次全尺寸超导航行试验，初步验证了高速飞车系统总体方案的正确性和各系统的协调匹配性，为后续进一步开展相关技术研发工作奠定了坚实的技术基础。首次试验的成功离不开管梁自身稳定的气密性，而保证稳定的气密性离不开氦质谱真空检漏技术的支持。现今氦质谱检漏仪更加的智能化、便捷化、高度自动化，使得其领域运用更加广泛，也代表着科技的一大进步。

结束语：超高速低真空管道磁浮交通系统（高速飞车）是一项具有颠覆性、前瞻性的战略性工程，研发成功后将与航空、高铁共同构成真正意义上的世界一流现代立体综合交通体系。超高速低真空管道磁浮交通系统的预制钢-混管梁作为高速飞车运行的基础承载设施，具有结构稳定性高、承载能力大、适应性强、施工速度快等诸多优点，拥有广泛的应用前景。在项目建设过程中，攻克了异形一级焊缝焊接、真空氦质谱检漏等一系列技术难题；完善了先张法预应力混凝土浇筑、梁体混凝土蒸汽养护等施工方案，形成了成熟的预制钢-混NU管梁制作施工工艺；在此基础上，对于大型钢-混预制构件的吊装、运输以及安装形成了一套完整的体系，为我国今后的超高速低真空管道磁浮交通系统的施工积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1].刘玉岱，真空测量与检漏[M]，北京:冶金工业出版社,1992.10

[2].关奎之，真空，1997（5）

[3].达道安等，真空设计手册(第三版)，北京:国防工业出版社，2004.7