环模容器真空度异常分析及其解决思路

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:许忠旭

  环模设备是指完成卫星等航天器热平衡热真空试验的地面环境模拟设备,通常包括容器、热沉、真空系统、液氮系统等多个分系统。根据相关标准要求,容器内真空度只有优于1.3×10-3 Pa 时才能开展环模试验。本文列举了几例环模容器真空度不满足要求的典型情况,从容器本体、热沉、真空系统设备、法兰等几个方面开展了泄漏分析,并提供了解决思路。

  环模设备是指完成卫星、飞船等航天器热平衡热真空试验的地面热环境模拟设备,我国从上个世纪60 年代至今陆续建成了KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7 等多台大中小型热环境模拟试验设备,用于模拟太空中的真空冷黑环境。其中KM6 环境模拟器是国际上三大载人航天器空间环境试验设备之一,总体性能达到国际先进水平。

  环模设备通常包括容器、热沉、真空系统、液氮系统、外热流模拟与控制系统、温度测量系统、氦系统等多个分系统。根据相关标准要求,环模设备容器内真空度只有优于1.3×10-3 Pa 时才能满足卫星、飞船等航天器开展热平衡热真空试验的需求。容器本体上法兰、阀门、管道等接口众多,容器内部又包括热沉、卫星等试件,因此当容器内真空度不满足条件时,判断并找出漏点是一项难度很大的工作,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为不仅需要借助于氦质谱检漏仪、四极质谱计等灵敏度高的仪器,更需要有经验技术人员的综合判断分析。本文将列举几个查漏、找漏的例子,为类似于环模设备的复杂、大型设备检漏工作提供部分思路和启发。

1、环模设备容器、热沉及真空系统简介

  环模设备容器主要有立式及卧式两种结构形式,为不锈钢材质,由钢板焊接而成,卧式容器通常只有一个大门。立式容器通常包括活动顶盖、侧门。容器上通常根据各种功能需要开有口径大小不一的法兰。如KM6 环境模拟器上开有113个准160~准1320 mm 大小不同的孔。各个门、法兰通常为橡胶圈密封。在检漏实践中,各个法兰尤其是试验前更换过的法兰往往是首先怀疑的对象。

  容器内部通常安装有热沉。大型环模设备热沉由多个热沉组片组成。热沉材质有不锈钢、铝、铜。在早期的热沉研制中,铜、铝材质的热沉进出液管道通常为铜、铝与不锈钢管道的摩擦焊接口方式。每个组片热沉通常由若干个支管焊接到汇总管上。如KM6 环境模拟器由2000 多根管子4000多个管道焊缝组成。在检漏实践中,经常被踩踏的热沉、存在波纹管的热沉以及摩擦焊接头通常容易出现泄漏,是检漏的重点关注对象。

  真空系统通常包括粗抽、高真空、分子泵及检漏、真空测量等多个子系统。其中高真空系统主要由低温泵组成,是环模设备容器获得高真空的主抽泵。当容器内真空度上不去时,低温泵自身工作正常与否是一个判断点。在排除了此点后,各个子系统与容器之间的阀门连接是否有漏也是排查的重点。在检漏实践中,阀门本体存在泄漏往往容易被忽略。

2、环模设备检漏实例

  2.1、常用检漏方法介绍

  2.1.1、氦质谱检漏法

  氦质谱检漏法使用氦质谱检漏仪来完成,其检漏灵敏度可以达到10-9 Pam3/s甚至更高。检漏仪通常接在前级泵与分子泵之间,如图1 所示。目前大多数检漏仪具有逆流检漏功能或质谱室能够承受较高的压力,其检漏仪入口处能够在较高的压力下工作。进入检漏仪的示漏气体一部分进入检漏仪的质谱室,另一部分由前级泵抽走。对于大型环模设备,检漏时通常开启1~2 台低温泵。以低温泵为主泵的检漏系统中,低温泵对氦气的分流很小,因此低温泵的引入对系统有效检漏灵敏度影响很小。

氦质谱检漏仪连接位置示意图

图1 氦质谱检漏仪连接位置示意图

  2.1.2、四极质谱计检漏法

  四极质谱计(也称四极滤质器)测量气体的原理如图2 所示。四极质谱计的质量分离原理是基于不同质荷比的离子在高频和直流四极场中运动轨迹稳定与否来实现的,它是近代残余气体分析器中最为流行的无磁滤质器,其性能指标较高。四极质谱计也可以用于检漏,通过某种气体的谱图变化来判断系统是否有漏,其检漏灵敏度可以达到10-6 Pam3/s甚至更高。而且通过判断氮气、氧气的成分比,还可以判断是否为空气泄漏。

四极质谱计探测器结构示意图

图2 四极质谱计探测器结构示意图

  2.1.3、压力检漏法

  压力检漏法,也叫正压检漏法,将被检容器充入一定压力的示漏物质,如果容器上有漏孔,示漏物质便从漏孔漏出,用一定的方法或仪器在容器外检测出从漏孔中漏出的示漏物质,从而判定漏孔的存在、漏孔的具体位置及漏率大小。对怀疑漏点涂抹肥皂泡或吸枪的方法找到漏点。涂抹肥皂泡的检漏灵敏度约为6.7 Pam3/s。吸枪法的检漏灵敏度为10-2 Pam3/s~10-4 Pam3/s。压力检漏方法适用于判断漏点较大以及便于操作的场合。

  2.2、环模设备容器真空度异常检漏实例

  2.2.1、热沉泄漏检漏实例

  KM4 环模设备开展某型号热试验。粗抽结束后开启低温泵口阀门,利用低温泵对容器进行抽气,然后热沉通入液氮,并启动液氮泵。液氮泵工作正常后,容器真空度稳定在4.2×10-3 Pa,不再变好。容器真空度不满足试验要求,于是开展检漏工作。

  1)如图3 所示,当热沉管道内压力降低时,容器内真空度随之变好。当热沉管道内压力升高时,容器内真空度随之变坏。据此初步分析为热沉有漏;

  2) 打开四极质谱计观察容器内残余气体谱图(如图4 所示,数据在图中的右上角),发现氮峰明显偏高,高于氧峰两个量级,据此判断不是容器漏,而是热沉漏,与上面的判断相符;

  3)通过逐路增压、降压的方法判断出中部热沉有漏;

  4)热沉回温后,将该路热沉管道封闭,采用管道内抽真空、对怀疑部位喷吹氦气的方法进行检漏,最终定位到漏点。

KM4 热沉管道内压力及容器真空度曲线图

图3 KM4 热沉管道内压力及容器真空度曲线图(时间同步)

某型号试验抽气后容器内残余气体谱图

图4 某型号试验抽气后容器内残余气体谱图

  2.2.2、环模设备容器本体泄漏检漏实例

  KM6 环模设备开展某卫星热试验。粗抽结束后开启低温泵口阀门,利用低温泵对容器进行抽气,容器真空度只能维持在5×10-2 Pa,不再变好,经过比对分析认为容器有漏,于是开展检漏工作。

  1)打开四极质谱计观察容器内残余气体谱图,氮气、氧气分压比接近4:1,与空气中氮气、氧气的分压比较一致,因此判断是空气漏入容器所致;

  2)根据容器内真空度较差的情况,考虑到用三台低温泵抽气只能将容器真空度抽至5×10-2 Pa,经估算漏率较大,决定首先排查本次试验前有变动的法兰,采用对可疑点喷酒精的方法进行排查;

  3)当喷到某法兰上的一个KF16 快接口时,容器真空度对应变坏,据此找到漏点,重新安装KF16 快接卡箍,容器真空度上升约两个量级,泄漏问题得以解决;

  4) 采用对可疑漏点喷酒精的检漏方法适用于所判断的漏点较大时,当认为漏点较小时,喷酒精、看容器真空度变化的方法不一定适用。此时最好的方法是氦质谱检漏法。将氦质谱检漏仪接在分子泵及检漏子系统的排气管道上,采取对可疑点喷吹氦气的方法进行检漏。此方法对于大漏、小漏均有较高的灵敏度。

  2.2.3、真空设备泄漏检漏实例

  2.2.3.1、粗抽阀门关不严导致的泄漏

  2012 年2 月,KM6 环模设备开展某卫星热试验。转入低温泵抽气后,容器真空度达到4×10-3 Pa后基本不再变化,经分析认为是容器有漏。于是开展检漏工作:

  1) 在分子泵排气口连接检漏仪,如图5 所示。采用氦气喷吹的方法对所有的法兰连接处进行检漏。首先排查动过的法兰,没有发现漏点。其次排查没有动过的法兰,也没有发现漏点;

检漏系统组成图

图5 检漏系统组成图

  2)在排除了法兰连接处存在泄漏的可能后,将检漏重点转向与容器连接的各个阀门。当喷吹到粗抽阀门与粗抽管道连接处时,发现检漏仪反应较大。据此判断该阀门未关严。后经计算,该处漏率为2.8×10-1 Pa·m3/s;

  3)启动粗抽机组,对机组与阀门之间的管道进行抽气,使粗抽阀门两侧压差小于650 Pa 后,重新开关阀门,问题得以解决。

  本次是用氦质谱检漏的方法在逐步摸排中锁定到粗抽阀门存在泄漏的。在实际工作中,当怀疑到粗抽阀门未关严而存在泄漏时,也可以采取将粗抽管道放气或抽真空、观察容器内真空度变化的快捷方法来定位。如果粗抽管道放气过程中容器内真空度随着变坏或者是抽气过程中容器真空度随着变好,则可以立即定位到粗抽阀门问题上。

  2.2.3.2、低温泵工作异常导致的泄漏

  由低温泵做为高真空抽气设备的环模容器,当真空度发生异常后,按照上述各种方法仍然不能找到漏点时,可将怀疑的对象转移到低温泵自身上来。理论与实践证明,当低温泵的二级冷头温度因某种原因而升高至30 K 左右时,二级冷板吸附的部分成分的气体会释放,进入到容器中,导致容器真空度变坏。可通过关闭低温泵泵口阀后观察容器真空度变化的方法来判断。

3、结论与展望

  环模设备检漏不仅需要高精度的仪器设备,更需要结合工况,将多个参数综合起来进行判断。本文从容器本体、热沉、真空系统设备等多个角度列举了检漏实例,希望能够给有类似设备的单位以检漏启发。尽管利用各种方法最终完成了检漏工作,找到了具体漏点并采取了补漏措施,但是在人力与时间的耗费方面也比较大,有时甚至是几天时间才能够找到漏点。环模设备一旦发生泄漏,往往要求用最短的时间将漏点找到,为实现此目的,今后拟在以下几个方面开展工作:

  1)调研或研制对大漏反应敏感的传感器(如光纤、超声波),布置在容器内,组成传感器网络,将容器分成若干个区域,当容器本体发生泄漏时能够定位到小的区域,缩小检漏范围,实现快速定位;

  2) 在开展热沉泄漏检漏时往往使用正压检漏的方法,气泡法与吸枪法都可以采用,但均有局限。因此拟在正压检漏方面开展相关工作,识别微小气流,确保快速定位。

  环模容器真空度异常分析及其解决思路为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/zhenkongdu/105703.html

  与 真空度 真空度异常分析 相关的文章请阅读:

  真空度http://www.chvacuum.com/zhenkongdu/