北京中科科儀技術發展有限責任公司 作者：徐力
受上海一單位的委托，北京中科科儀技術發展有限責任公司承擔了防爆型氫氦質譜檢漏儀的開發任務。根據用戶的要求，該檢漏儀用于特殊場合檢測氫氣或氦氣的泄漏，初步設定的使用場所為石化行業中的原油裂解加氫裝置所在的廠房，工作環境屬于一級危險區域。因使用場所的特殊性，要求采用國際通行的防爆模式，易于搬運和方便遠距離操作，探漏吸槍距離主機約10米，因此采用特殊設計和器件選擇，具有一定的難度，但正是因為這種特殊性，用戶才找到我們，這是用戶對我們的信任。完成研制屬國內首創，具有先進性和實用性。
我公司生產檢漏儀最早可追溯到六十年代初期，從八十年代初期開始在一個較高的起點上引進國外機型研制開發，近十年來有了較大的發展，到目前為止有了三大系列十幾種產品。盡管有一定的基礎，但對于這種特殊的檢漏儀還從未接觸過，尤其是使用于易燃易爆的氫氣環境中，聽著都令人心跳。在項目開發初期，許多人對項目能否開發成功深表懷疑。經過廣泛的調研，我們確實感到了這一研制任務的難度。市場上廣泛出售的傳感式氫氣濃度檢測儀只能檢測氫氣濃度，且氣體傳感器檢測方法精度遠低于質譜法。國外某著名公司的檢漏儀具有可同時檢測氦氣和氫氣的功能，但不防爆，我們嘗試購買機芯散件加以改造，但價格比購買整機還貴。國外另一家著名公司新開發出的一種檢漏儀采用隔爆形式，可用于爆炸性氣體環境，但只能檢測氦氣，不能檢測用戶要求的氫氣漏率。我們找不到可以參考的資料，只能在現有基礎上獨立開發。
經過分析，我們將困難歸結為兩點:
1)我們現有的只能用于氦檢測的檢漏儀改造為既能檢氦氣又能檢氫氣的檢漏儀；
2)氣的爆炸下限為4%,爆炸上限為75%,著火點為585℃。按石化行業的標準，空間中的氫氣濃度不能高于0.4%，在此環境中檢漏儀不應被引爆也不應成為爆炸點，因此應特殊設計和器件選擇，制造防爆型檢漏儀。
針對以上兩點，我們在可行性分析、方案設計時考慮了如下幾個方面:
1.根據氦質譜分析的基本公式
式中R為離子偏轉軌道半徑(厘米)
B為磁場強度 (特斯拉)
M/Z為離子的質量與其電荷數之比
U為加速電壓(伏特)
由上式可知，當R.B為定值時，改變加速電壓可使不同質量的離子通過接收狹縫到達接收極而被檢測，如下圖所示:
由上述公式可知，當B,U 一定時，不同質荷比M/Z的離子將以不同的半徑R偏轉而彼此分開:質量小的離子偏轉半徑小，質量大的離子偏轉半徑大。氫氣的質量數為2,氮氣的質量數為4，兩者電離后的電荷數同樣為1，即氫氣離子的質荷比是氦離子質荷比的1/2.若使用同一個質譜室，根據上述公式，在同樣大小的偏轉半徑下，若想能夠檢測到氫氣離子，只有減弱磁場強度B或加大加速電壓U兩種方式。若B不變，理論上U加大到原檢測氦峰電壓的兩倍時可調出氫峰，但原氦峰對應的電壓已接近300V，則氫峰電壓應達到600V,需要對變壓器和離子源供電電路做大的改動:若U不變，則B減弱到原B值的一半，可出氫峰，但想在同一個質譜室同時調出氫峰、氦峰，對固定磁場的磁分析器這樣做是不現實的。我們綜合上述兩種方式，總體方案是采用比原磁場偏弱的磁場強度，但不至于損失靈敏度的條件下改造離子源供電電路。另一方面，因為氫氣的分子量小，分子泵對氫氣的壓縮比比對氦氣的壓縮比小，故逆擴散到經分子泵形成高真空的質譜室中的氫氣分子比氦分子多，形成的儀器氫本底較高，根據經驗在偏弱磁場下，不到2倍氦峰加速電壓應能調出氫峰，隨后在試驗中驗證了這一點。
2.在箱體設計方面，我們綜合考慮了各方面的因素。如考慮了各種防爆形式后，確定只有正壓防爆型 是可行的;而且在征求用戶意見后，考慮到現場的實際狀況，采用的是正壓充氣型而不是正壓通風型，且實現充氣過程的自動控制。檢漏過程中采用手動閥而不采用電磁閥，以減少電器元件。將原機中的手持顯示盒改成機內布板安裝，以解決只能將手持顯示盒做成隔爆型或本安型所產生的重量過大、電氣接口復雜這樣的難題。
3.在分子泵的選取中，我們選用了美國Varian公司的V70型分子泵。它具有兩擋轉速(75KRPM和 50KRPM)，因轉速較高，在原儀器上信號較小，正好有利于降低H2本底值。經選取合適抽速的 機械泵后，確定高轉速測氫，低轉速測氦的方案，解決了氫本底值過高的問題，儀器氫本底值 遠低于用戶提出的檢測靈敏度要求。
在機械泵的選擇上，我們也經過了反復調研和試驗。原儀器與V70分子泵相配合的機械泵抽速為0.5l/s，但不是防爆泵。我們采用了正壓充氣型機箱的防爆方案，為減少泄氣量，采用密閉 機箱，將發熱量大的機械泵放置在機箱外，必須使用防爆泵。對于防爆型機械泵有兩種觀點， 一種認為除配防爆電機外，泵體也應防爆，如加裝滅火裝置等，僅國外一家公司的產品目錄上 有介紹，但不對國內出售;而大多數人持第二種觀點，即泵體采用通用泵體，電機采用防爆電機。我們經過分析后認為，安裝吸槍后進入檢漏儀的氫氣濃度并不高，不應有危險。在參觀了 一家石化廠的氣體成份在線分析儀后，發現它采用的是BOCE DWARDS公司的防爆機械泵作氣體 采樣泵，我們確定采用該品牌，而其防爆機械泵的抽速至少為1L/s，在抽速上我們又進行了 反復試驗。我們將兩個0.5L/s的機械泵并聯使用，確保能夠調出氦峰，即氦峰信號足夠大， 才定下了11/s抽速的機械泵，因氫本底值高于氦本底值，氫峰信號應夠。
4.采用10米吸槍并經過特殊設計，經與機械泵、分子泵的合理配置，可在檢漏口<50Pa時打開檢漏閥而不會沖擊分子泵和離子源燈絲;吸槍反應時間<20s，在檢漏時對He的靈敏度為1X10-8Pa. m2/s，對H2的靈敏度為1X 10'P a.m' /s,高于用戶提出的對He的靈敏度為X l0-8,Pa.m' /s、對HY的靈敏度為X10-5 Pa.m3/s.
5.儀器開發出來，能否達到合同規定的技術指標，測試的依據是標準漏孔。標準漏孔有負壓型和正壓型兩種，負壓型氦標準漏孔甚至正壓型標準漏孔都很常見，但誰也不曾見到過氫氣標準漏孔。根據用戶是使用吸槍模式檢漏，我們決定給用戶配置氫正壓標準漏孔，但當我們向生產過氦正壓標準漏孔的廠家提出購買意向時，對方以無法做氫氣型的為由加以拒絕。為此我們查閱了大量的資料，最后通過咨詢INFICON公司，購買他們生產的TL4型標準漏孔，這個問題才得以解決 。具體辦法是配置氫氣瓶，調好出口壓力，經過計算H2標準漏孔值QH2=ηHe*QHe/ηH2(ηX為對應氣體的粘滯系數，QHe為廠家給出經過認證的He的漏率)，并查壓力一漏率系數校正曲線修定后，得到相應的H2正壓標準漏孔值。
防爆型氫氦質譜檢漏儀在完成方案設計后，即進入具體實施階段。經過艱苦的設計、加工、安裝和調試后，終于交付用戶使用。防爆型氫氦質譜檢漏儀除具有一般氦質譜檢漏儀的功能外，專門可用于吸槍法氫氣正壓檢漏，可廣泛用于石化行業中的加氫裂解裝置的維修、維護工作中，其它如電力行業中發電廠氫冷發電機氫氣供氣系統、熱處理行業中的氫氣爐供氣系統，以及氫氣生產行業中的維修、維護工作也同樣適用。上述行業中氫氣是連續不斷地產生，且環境有防爆要求，有了防爆型氫氦質譜檢漏儀，只需將吸槍對準管線上的可疑漏點，可實現在線測量。
氦質譜檢漏儀是一種標準化產品，目前的應用己突破軍工產業而進入了民用品行業，現在國內外知名品牌產品占據著主要市場。中科科儀公司防爆型氫氦質譜檢漏儀的開發成功為國內非標型質譜檢漏儀的開發、生產樹立了一個榜樣，開拓了一條新的市場之路，但需要相關行業的用戶理解與支持，只有得到更廣泛更好的使用，才能體現出它的優越性。
小型防爆檢氫檢氦檢漏儀，是科儀公司為核工業無損檢測中心(上海)研制的防爆型檢漏儀，應用在石油、化工、天然氣、空分、核工業、航天、發電廠、電池等行業的氫密封泄漏檢測，該儀器集氦檢和氫檢于一體，可以完成特種行業特殊情況下的泄漏檢測，尤其結合現場工況進行氫氣泄漏檢測。該儀器經國家級防爆檢測部門測試，符合國家氫氣環境下使用的安全防爆要求。根據有關專家的預測，未來氫作為新能源的可能性極大，其在宇宙氣氛中含量高，分布最平均，時下書店里有本書專門介紹氫能源，書的名字是氫經濟，作者是美國社會批評家和先知作家杰瑞米.里夫金，對氫很是推崇。氫作為新能源的預言，必將帶動氫相關行業的發展，氫分離、裂解行業、氫冷等，有著美好的前景，那么必將帶動氫的防泄漏檢測的廣泛應用，相應的防爆型氫氦質譜檢漏儀的應用推廣會不會有一個美好的未來呢?
附: 該儀器的技術性能指標:
最小可檢漏率(氦，真空模式≤1X10-11 Pa.m3/S，吸槍模式≤1X10-8Pa.m3/S)，(氫，吸槍模式≤1X10-7Pa.m3/S)，啟動時間<5分鐘，10米吸槍對(氫，氦)510秒，清除(氫，氦)<10秒，校準漏孔國外進口，用于正壓和負壓模式皆可。
儀器前級機械泵為愛德華(電機美國ABB防爆)，隔爆氣體3立方/小時，分子泵美國70升/秒，啟動時間，<5分鐘，各部件經防爆測試，經國家防爆電氣產品質量監督檢驗測試中心核發安全使用證明。