采用壓降檢漏法對大型密封容器檢漏時的“升壓”現(xiàn)象分析

回天力，閆治平，金春玲，閆榮鑫

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

1 壓降檢漏法

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的不斷進(jìn)步，幾十甚至上百立方米的大型密封容器越來越多。這些容器容積大、焊縫長，而且像空間環(huán)境模擬設(shè)備、燃料貯箱等對密封性能的要求很高。對大型密封容器常用的泄漏檢測方法有壓降檢漏法[1]、非真空收集器檢漏法[2]、真空罐檢漏法和Kr85檢漏法[3]等等。壓降檢漏方法與其他方法相比，具有設(shè)備簡單、無污染、操作便捷、經(jīng)濟(jì)適用性好等特點，廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工等領(lǐng)域。壓降檢漏法誕生以來，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)開展了泄漏仿真分析[4]和檢測結(jié)果影響因素的研究[5]，并提出了一些針對性的改進(jìn)措施[6]；但對于大型密封容器在壓降檢漏過程中經(jīng)常出現(xiàn)的“升壓”現(xiàn)象，均是從檢測參數(shù)（如溫度）測量的準(zhǔn)確性入手進(jìn)行分析的，沒有從檢漏靈敏度的角度進(jìn)行分析與解釋。

一般情況下，被檢容器發(fā)生泄漏時，保壓后的壓力值應(yīng)當(dāng)下降，但在對大型密封容器進(jìn)行壓降檢漏過程中卻發(fā)現(xiàn)，保壓一段時間并進(jìn)行溫度修正后，經(jīng)常出現(xiàn)被檢系統(tǒng)壓力上升的現(xiàn)象。為了找到問題原因，并合理地解釋該現(xiàn)象，分別采用壓降檢漏法與非真空收集器檢漏法對同一個大型密封容器進(jìn)行檢漏試驗。

1.1 定義

壓降檢漏法是指在被檢件中充入規(guī)定壓力的氣體后，在規(guī)定測試時間內(nèi)測量壓力變化從而計算出漏率的方法。

1.2 基本原理

將被檢系統(tǒng)（或產(chǎn)品）內(nèi)部充入（模擬其工況壓力）干燥、清潔、成分符合要求的氣體介質(zhì)，使其產(chǎn)生內(nèi)外壓力差，經(jīng)儲置一定時間周期后，觀測其壓力變化，并同時觀測被檢系統(tǒng)內(nèi)部氣體介質(zhì)的溫度以及被檢系統(tǒng)所處環(huán)境大氣壓的變化，從而實現(xiàn)總漏率的檢測。原理如圖1所示。

圖1 壓降檢漏法原理圖Fig.1 Schematic diagram of pressure decay leak detection

1.3 漏率計算方法

壓降檢漏法漏率的計算方法主要有3種。

1）總時段漏率法[7]

式中：Q為被檢系統(tǒng)漏率，Pa·m3/s；V為被檢件的內(nèi)部容積，m3；t為測量周期，s；P1為被檢件內(nèi)部壓力初值，Pa；T1為被檢件內(nèi)部溫度初值，K；P2為被檢件內(nèi)部壓力終值，Pa；T2為被檢件內(nèi)部溫度終值，K。

2）相等時段的漏率平均值法

式中：Q為被檢系統(tǒng)漏率，Pa·m3/s；n為分段次數(shù)。

3）不同時段的漏率平均值法

式中：Q為被檢系統(tǒng)漏率，Pa·m3/s；n為分段次數(shù)；Pi為第i時段的被檢件內(nèi)部壓力終值，Pa；Pave為第i時段的被檢件內(nèi)部壓力平均值，Pa；V為被檢件的內(nèi)部容積，m3；ti為第i時段的終止時間，s；tave為第i時段的時間平均值，s。

2 壓降檢漏法和非真空收集器檢漏法對比試驗

2.1 試驗設(shè)備

1）壓降檢漏法試驗設(shè)備

壓力傳感器：測量范圍為0 Pa～250 kPa（絕對壓力）；分辨率為1 Pa；精度為15Pa。

溫度傳感器：分辨率為0.01℃；精度為0.05℃。

2）非真空收集器檢漏法試驗設(shè)備

氦質(zhì)譜檢漏儀：檢漏靈敏度5×10-11Pa·m3/s；漏率輸出顯示有效數(shù)字為3位，檢測精度≤1%。

非真空收集器：容積為20 m3；收集室總體相對漏率≤1%/d。

標(biāo)準(zhǔn)容積：容積8.7 mL左右；精度優(yōu)于1%；在10 MPa壓力下的漏率＜1×10-5Pa·m3/s。

充壓和取標(biāo)準(zhǔn)氦氣樣的壓力表：精度為0.4級。

2.2 試驗過程

向體積為10 m3的大型密封容器內(nèi)充入1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氦氣，置于非真空收集器內(nèi)，歷經(jīng)約25h，用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測非真空收集器內(nèi)的氦濃度變化。用電腦自動記錄時間、被檢系統(tǒng)內(nèi)溫度和絕對壓力，并用溫度對壓力值進(jìn)行修正，修正后的壓力曲線如圖2所示。

圖2 修正后的壓力曲線Fig.2 The curve of modified pressure data

2.3 試驗結(jié)果

1）非真空收集器檢漏法的漏率為Q=(W·?U)/(U0·t)＝1.4×10-3Pa·m3/s，設(shè)備有效靈敏度為2.3×10-5Pa·m3/s。

2）壓降法漏率的計算值（采用溫度修正后的被檢系統(tǒng)內(nèi)絕對壓力），負(fù)值表示壓力上升：

① 總時段的漏率為

2.4 試驗結(jié)果分析

1）現(xiàn)象分析

壓降檢漏法的總時段漏率計算值為負(fù)值，似乎說明被檢系統(tǒng)內(nèi)氣體沒有因泄漏使被檢容器內(nèi)壓力下降，反而壓力顯示上升。這是一種虛假現(xiàn)象，主要是大型密封容器內(nèi)部溫度不均勻所致[8]。

非真空收集器檢漏法的設(shè)備有效檢漏靈敏度為2.3×10-5Pa·m3/s，約比實測漏率值1.4×10-3Pa·m3/s小兩個數(shù)量級，其不確定度＜10 %，所以實測漏率值是可信的。通過非真空收集器法檢測的實測漏率，可計算出被檢容器實際的壓降為14.57 Pa，而壓降法實測的負(fù)值漏率也可計算出一個不真實的壓力值49 Pa，二者之和為63.57 Pa（相當(dāng)于溫度變化0.1℃的結(jié)果）。用這個值又可近似地計算出壓降法的實際靈敏度為6×10-3Pa·m3/s，用于檢測漏率為1.4×10-3Pa·m3/s的大型密封容器時，顯然無法保證檢漏結(jié)果的不確定度＜10%的要求。

2）計算分析

式中：δΔP被檢系統(tǒng)壓力降的標(biāo)準(zhǔn)誤差，Pa；δP1被檢系統(tǒng)壓力初始值測量誤差，Pa；δP2為被檢系統(tǒng)壓力終值測量誤差，Pa；δT1為被檢系統(tǒng)溫度初始值測量誤差，K；δT2為被檢系統(tǒng)溫度終值測量誤差，K。

被檢容器的壓力傳感器測量誤差為δΡ=δΡ2=3Pa ，被檢容器的溫度測量誤差為1 δΤ1=δΤ2=0.1K。代入式(4)可得δ?P=66.98Pa。

將δΔP代入壓降檢漏法的靈敏度公式Qmin=V[9]，可得此次試驗中壓降檢漏法的檢漏靈敏度為6.2×10-3Pa·m3/s，顯然用于檢測1.4×10-3Pa·m3/s的大型密封容器時無法保證檢漏結(jié)果的不確定度＜10%的要求。

那么對于大型密封容器，壓降檢漏法就無能為力了嗎？當(dāng)然不是。通過靈敏度公式Q=Vmin可以看出，只要延長保壓時間，是能夠提高檢漏靈敏度的。在檢測周期允許的前提下，通過延長保壓時間可以完成被檢系統(tǒng)的檢測要求。

3 結(jié)論

采用壓降檢漏法對于大型密封容器進(jìn)行檢漏，必須先考慮該檢漏方法的靈敏度，根據(jù)被檢容器的漏率指標(biāo)選擇適當(dāng)保壓時間，以使系統(tǒng)的檢漏靈敏度滿足被檢容器的檢測要求。如果被檢容器的真實漏率小于壓降法的靈敏度，則在檢漏過程中往往會出現(xiàn)壓力上升的虛假現(xiàn)象。

（References）

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