王莎 楊惠鈞 熊德權(quán) 陳琳 王斌

中國石油西南油氣田分公司成都天然氣化工總廠 四川 成都 610213

氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)是根據(jù)質(zhì)譜分析的原理，以氦氣作為示蹤氣體對各種密封的容器的漏隙進(jìn)行快速定位和定量檢測的檢漏方法。檢測靈敏度可以高達(dá)10-10～10-12（Pa.m3）/s，響應(yīng)時間可以縮短至3秒，可探測到密封體內(nèi)極小漏孔泄漏的氦氣流，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航空航天、核工業(yè)、電子行業(yè)、真空行業(yè)、冶金化工行業(yè)、空調(diào)制造業(yè)、汽車行業(yè)[1-2]。

吸槍法氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)是以氦氣為示蹤氣體的一種無損檢測技術(shù)，具有更高的靈敏度，能探測到一個密封體或分隔2個不同壓力腔的隔板上極小漏孔泄漏的氦氣流。在石油化工行業(yè)，油氣生產(chǎn)裝置檢修作業(yè)過程中也逐步推廣使用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)，在現(xiàn)場使用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏時，為保證檢漏工作的順利進(jìn)行需先檢測被檢漏氣體中的氦含量，目前常采用氣相色譜法[3]，但該方法存在分析時間長，現(xiàn)場使用便攜性差等制約性因素。本文利用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀建立一種測試方法，對油氣生產(chǎn)現(xiàn)場常用檢漏氣體中的氦含量進(jìn)行測定，實現(xiàn)了利用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀對氣體中氦含量的準(zhǔn)確測定。

1 方法的建立

1.1 方法原理

采用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀分別測定相同壓力和相同流量下的含氦標(biāo)準(zhǔn)氣和樣品氣的漏率響應(yīng)值，利用漏率響應(yīng)值與混合氣體中氦濃度成正比的關(guān)系來計算被測混合氣體中的氦含量，計算公式為：

式中：Ci樣為被測混合氣體中氦的濃度（%，摩爾分?jǐn)?shù)）；

Ci標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)氣中氦的濃度（%，摩爾分?jǐn)?shù)）；

Ai標(biāo)為一定濃度的含氦標(biāo)準(zhǔn)氣的漏率響應(yīng)值（Pa.m3/s）；

Ai樣為一定濃度的含氦混合氣的漏率響應(yīng)值（Pa.m3/s）。

1.2 儀器設(shè)備

氦質(zhì)譜檢漏儀為PFEIFER ASM310，檢測方式設(shè)置為吸槍模式，吸槍長度50m，可用于檢測出混合氣體中氦濃度，漏率檢測靈敏度可達(dá)10-10Pa.m3/s。

1.3 方法流程

分析裝置如圖1和圖2所示，分別對標(biāo)準(zhǔn)氣體和樣品氣進(jìn)行測定，得到標(biāo)準(zhǔn)氣的漏率響應(yīng)值，并通過計算得出樣品氣中氦含量。其中測定壓力為1000Pa，流量為15mL/min。

圖1 吸槍法氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)快速測定標(biāo)準(zhǔn)氣體中氦含量示意圖

圖2 吸槍法氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)快速測定氮氣中氦含量示意圖

1.4 分析結(jié)果

從表1中可以看出，利用標(biāo)準(zhǔn)氣中漏率值與響應(yīng)值關(guān)系，可根據(jù)待測氣體中漏率響應(yīng)值，計算待測氣體中氦含量。

表1 利用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀對標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行氦含量測定結(jié)果

1.5 方法性能評價

1.5.1 準(zhǔn)確度

為了驗證分析方法的準(zhǔn)確性，利用GC-2011TF氣相色譜儀和吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀對在未確定濃度的氮中氦氣體中進(jìn)行氦含量測定。氣相色譜儀檢測操作步驟按照國標(biāo)《GB/T 13610—2020天然氣的組成分析 氣相色譜法》進(jìn)行，操作條件主要包括：①載氣：高純氬，99.999%；②柱前壓力：38 psi；③PQ柱溫：40℃，SE30柱溫：60℃，5A分子篩柱溫：45℃，三柱串聯(lián)；④檢測器溫度：150℃。

將測定結(jié)果與氦質(zhì)譜檢漏儀測量結(jié)果進(jìn)行對比，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 氦質(zhì)譜檢測儀與氣相色譜儀檢測結(jié)果對比

從表2結(jié)果可以看出，兩種分析方法對比相對誤差最大值為1.54%，小于5%，在色譜分析誤差范圍內(nèi)，表明該方法測定不同氣體中氦含量準(zhǔn)確度較好。

1.5.2 重復(fù)性

采用氮氣中氦氣的同一標(biāo)準(zhǔn)氣在吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀上連續(xù)檢測10次，記錄測量結(jié)果并計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表3。

表3 方法重復(fù)性測試結(jié)果

表3結(jié)果可知，該方法分析重復(fù)性測試的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.35%，小于2%，表明該分析方法重復(fù)性能滿足檢測要求。

1.5.3 檢出限

檢出限是指儀器設(shè)備能夠檢測出與噪音信號相區(qū)別的最小信號能力，檢出限的高低主要取決于儀器設(shè)備本身，其檢測方法為理論計算法和實際測量法。

本文通過實際測量法對吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢出限的確定，對系列濃度的氮氣中氦含量進(jìn)行檢測，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)氣體信號峰剛好等于或略小于3倍真空模式下噪音的漏率響應(yīng)值時，該濃度即為吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀的檢出限。真空模式下進(jìn)行連續(xù)5次平行實驗，得到漏率響應(yīng)值，結(jié)果如表4所示，再對不同濃度氮氣中氦進(jìn)行檢測，對應(yīng)響應(yīng)值如表5所示。

表4 真空模式測試漏率響應(yīng)值

表5 不同氮氣中氦漏率響應(yīng)值

由上述實驗數(shù)據(jù)可知，氮氣中氦濃度為0.0461%時，響應(yīng)值為8.9E-09，與3倍噪音值接近，因此吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀的檢出限為氮中氦氣濃度0.0461%。

1.5.4 線性度

利用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀對不同量值的氮氣中氦含量的標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行檢測，記錄不同量值及對應(yīng)的響應(yīng)值，結(jié)果見表6，將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，擬合線性范圍曲線見圖3，本分析方法的線性范圍見表7。

表6 線性范圍測試結(jié)果

表7 方法的線性范圍

圖3 氮氣中氦濃度測定的線性范圍曲線圖

從表7中可以看出，采用本方法測定的氮氣中氦濃度的線性范圍最低值可達(dá)到0.05%，且線性相關(guān)系數(shù)大于0.9999，表明該方法的線性能滿足檢漏作業(yè)現(xiàn)場氮氣中氦濃度的分析檢測要求。

2 結(jié)論

（1）利用吸槍法氦質(zhì)譜檢漏儀可準(zhǔn)確測定油氣生產(chǎn)現(xiàn)場檢漏氣體中氦含量。

（2）該測定方法快速準(zhǔn)確，重復(fù)性好，且儀器現(xiàn)場使用便攜，能夠滿足氦檢漏現(xiàn)場對不同氣體中氦含量測定的需求，具有較強(qiáng)的推廣性。