氦质谱正压检漏法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:曹慎诚

  常用氦质谱检漏仪检漏分真空检漏、正压检漏和压力- 真空检漏3 种情况。由于运载火箭从填装燃料到完成飞行任务,绝大部分时间是在大气环境中处于待发状态,飞行时间很短,只要保证周围不起火、不爆炸、燃料充足即可,所以宜采用正压检漏法。卫星、飞船等航天器,从填装介质到完成飞行任务,绝大部分时间是在真空环境中飞行,寿命为几天、几年、几十年⋯⋯发射前在地面停留时间就显得太短了,所以采用压力- 真空法。对于一侧是大气,另一侧是真空状态的被检件应采用真空检漏法。

1、正压检漏

  正压检漏的方法很多,比如:气泡法,卤素吸枪法,卤素灯法,氦质谱检漏仪吸枪法,四极质谱吸枪法,同位素法⋯⋯而灵敏度较高、用的较广的是氦质谱检漏仪吸枪法。

1.1、压力及介质种类对漏率的影响

  尽量模拟工况是检漏工作者的努力方向。100 %模拟是困难的,有时甚至是不可能的。比如:高压、高温、低温⋯⋯有的产品在检漏设计时只允许低压、常温,而工作时却在不同部位同时出现高压、高温和低温状态。

氦质谱正压检漏法

图1 校准原理图

1 - 正压校准漏孔;2 - 正压校准漏孔氦罩

图2 检测原理图(总检)

1 - 氦质谱检漏仪;2 - 吸枪;3 - 被检件;4 - 检测氦罩;5 - 氦气源

  对于这种情况,就要通过各种单项状态(或少数几项)分别模拟,综合解决。关于低压检漏结果换算为高压状态时,目前采用下述公式

  式中Q2 为高压条件下的漏率,Pa ·m3 / s ; Q1 为低压条件下的漏率,Pa ·m3 / s ; p1 为高压进气端压力,Pa ; p2 为高压出气端压力,Pa ; p3 为低压进气端压力,Pa ; p4 为低压出气端压力,Pa ;η1 为低压泄漏介质的粘滞系数,Pa ·s ;η2 为高压泄漏介质的粘滞系数,Pa ·s 。

1.2、氦质谱检漏仪吸枪法

  氦质谱检漏仪吸枪法有二种方式,即移动嗅探式和氦罩累积式。前者只能定性检测大漏,后者则可定量检测微漏。只要具有一个适合的正压校准漏孔,给出漏率、校准温度、温度系数、气体种类和不确定度等,就可以测量并计算出工况下的漏率。在用吸枪探测中应保持吸枪小孔环境的清洁,湿度大时不宜直接在低温环境中探测,否则会造成吸枪小孔的阻塞,给出的检漏结果过于乐观,造成漏率偏小的假象,这是十分危险的,必须要经常用正压校准漏孔进行比对。

1.2.1、吸枪移动嗅探法

  将吸枪用软管接到氦质谱检漏仪上,并与检漏仪一起调整到较好的检漏状态。首先用吸枪对正压校准漏孔出气口进行扫描,注意吸枪口与正压校准漏孔出气口的距离和移动速度。在正压检漏时要以类似的距离和移动速度进行嗅探,然后用信号比对法判定大致漏率,这种方法可以较准确定位漏孔。必要时要进行压力、温度和浓度等修正。

1.2.2、氦罩累积法

  如果被检件漏率很小,直接用吸枪移动嗅探法得不到信号,必须用氦罩累积法。在正压检漏时,小被检件可以用氦罩整个罩住;大而复杂的被检件可用多个小罩局部罩住待检部位。用吸枪探测出罩内本底和累积信号,扣除本底后即为累积净信号,采用下述公式进行计算

  式中Q 为正压检漏漏率,Pa ·m3 / s ; Qj 为正压校准漏孔标称值,Pa ·m3 / s ; Nj 为正压校准漏孔累积净信号,相对单位; N 为检漏时累积净信号,相对单位; t1 为正压校准漏孔累积时间, s ; t为检漏时累积时间,s ; V j 为正压校准漏孔氦罩累积空容积,m3 ; V 为检漏时氦罩累积空容积,m3 ; r 为示漏气体浓度,相对单位。

  由公式(2) 可以看出,当V = V j , t = tj , r = 100 %时,公式(2) 就变成

  这就是一般检漏时常用的计算公式。图1 给出氦罩累积法校准原理图;图2 给出氦罩累积法的检测原理图。公式(2) 中, V 、V j 、Qj 、r 为已知数,只要用氦质谱检漏仪吸枪分别测出累积t 和tj 时对应的净反应信号N 和Nj (扣除本底) ,代入公式(2) 就可求出被检件总漏率Q 。定位漏孔时,可采用局部小氦罩或吸枪移动法。

2、注意事项

  氦罩要专门设计,一般用金属制作(塑料布在长时间累积中渗透量太大) 。如果累积时间短,也可用0.10~0.15 mm 的塑料布制作。检测时氦罩应尽量小,以便提高氦的压升率。氦罩要密封。探测口要方便检测。检漏过程中,仪器灵敏度和吸枪在校准后不得进行调整,否则要重新进行校准。吸枪不应一直插在检测口内,以免影响累积信号。在低温探测时,环境湿度应尽量降低,被检件应先加高压示漏气体而后降温,以免小孔阻塞。

  氦质谱正压检漏法在火箭发动机、星用高压气瓶、飞船零部件等检漏中得到成功应用并正在扩大,但有待进一步研究和提高,为我国航天事业的发展和产品质量的提高作出更大贡献。

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