貯氫壓力系統(tǒng)氫介質(zhì)檢漏方法研究

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(中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川綿陽 621999)

0 引言

貯氫壓力系統(tǒng)是用于加注、貯存及快速釋放氫氣的小型壓力系統(tǒng)，在能源、航天及軍工產(chǎn)品中有廣泛的應用[1]。這類壓力系統(tǒng)主要由高壓貯氣罐、手動閥、電控閥(又稱電爆閥)、安全閥及管路等構成，高壓貯氣罐為貯存氣體元件[2]，電爆閥是控制其充放氣功能的核心元件[3]。貯氫壓力系統(tǒng)組件之間通過焊接連接，長期處于氫工作介質(zhì)條件下[4]，且工作壓力高[2]，對系統(tǒng)密封性要求高，常要求其工作壓力下密封氦漏率不大于1.0×10-8Pa·m3/s。

這類壓力系統(tǒng)常作為設備或武器產(chǎn)品的分系統(tǒng)之一，在服役期間需經(jīng)歷特定的環(huán)境載荷(常為一系列運輸、加速度、振動等序貫環(huán)境)，而檢測密封性是獲得其經(jīng)歷特定環(huán)境載荷后性能狀態(tài)的主要手段。氦質(zhì)譜檢漏方法技術成熟，應用廣泛。但是，若直接對服役期間的貯氫壓力系統(tǒng)進行氦質(zhì)譜檢漏，涉及高壓氫氣釋放、抽真空、加注氦氣、檢漏、釋放氦氣、重新加注氫氣等環(huán)節(jié)，而工藝特性及試驗目的不允許對該類系統(tǒng)進行多次裝配及充氦檢漏。因此，有必要探索操作更簡便、成本低且能獲得密封性狀態(tài)的檢測方法。

基于質(zhì)譜檢漏技術，本文提出貯氫壓力系統(tǒng)氫質(zhì)譜檢漏方法;為驗證其有效性，研制低漏率通道型漏孔并開展氫、氦質(zhì)譜檢漏試驗，以獲得初步試驗結果。本文提出的檢測方法及獲得初步試驗結果對后續(xù)研究具有一定參考意義。

1 貯氫壓力系統(tǒng)密封性檢測方法

氦質(zhì)譜檢漏采用氦氣作為示蹤氣體，由質(zhì)譜檢漏儀實現(xiàn)漏率測量。質(zhì)譜檢漏儀主要是運用磁質(zhì)譜理論、逆擴散理論及質(zhì)譜分析方法制備的檢測儀器。商業(yè)化氦質(zhì)譜檢漏儀支持幾種檢漏模式，通過設置示蹤氣體的質(zhì)量數(shù)，可實現(xiàn)示漏氣體質(zhì)量數(shù)分別為2，3，4的三種檢漏模式的切換。質(zhì)量數(shù)為4即對應氦質(zhì)譜檢漏模式，該模式下檢漏儀自帶內(nèi)校準功能；質(zhì)量數(shù)為2時，對應示蹤氣體為氫氣，即為氫檢漏模式。氦氣和氫氣都是理想的示蹤氣體，但由于氫氣易燃易爆，在實際密封性檢測中應用較少[5]。因此，氫檢測模式應用極少，該模式下檢測儀也沒有內(nèi)校準功能。

雖然氫氣易燃易爆，但孫濤等[6]指出氫氣檢漏法已在國外得到廣泛的應用，且在國內(nèi)的制冷、空調(diào)行業(yè)引起越來越多的關注；王鳳超[7]介紹了氫檢漏技術在中央空調(diào)冷水機組、工業(yè)冷凍設備等壓力容器密封性檢測中的應用，歸納了氫檢漏的技術要點。不同于氫質(zhì)譜檢漏，氫氣檢測采用氫氮混合氣體作為示蹤氣體，采用氫氣檢漏儀作為檢測工具。這種檢漏儀不含質(zhì)譜儀和真空泵等部件，為帶半導體架構氫氣傳感器的純電子儀器，由氫氣引起半導體中電流變化計算獲得對應漏率。該方法類似氫濃度監(jiān)測，不能獲得系統(tǒng)整體的密封性情況，不適用于貯氫壓力系統(tǒng)密封性檢測。

黃文平等[8]通過試驗探討了質(zhì)譜檢漏儀氦、氫模式下的離子加速電壓，并針對不同長度的金屬毛細管，采用氦氣及氫氮混合氣體分別進行了氦、氫模式下的密封性檢測試驗，獲得了對應的漏率。該研究通過氫氣濃度分別為1%和2%的氫氮混合氣體對應氫質(zhì)譜檢測漏率值的對比，認為氫質(zhì)譜檢測漏率與混合氣體中氫氣濃度成正比，并由此推測了純氫氣檢漏介質(zhì)對應漏率為氫濃度1%的氫氮混合氣體對應漏率的100倍。根據(jù)該研究，純氫氣下的氫漏率(推測計算值)與純氦氣下氦漏率比值在1～4范圍內(nèi)，無量級差異。這為貯氫壓力系統(tǒng)的密封性檢測指出了可能的方向。

因此，基于貯氫壓力系統(tǒng)自帶氫氣的特點，本文提出貯氫壓力系統(tǒng)氫質(zhì)譜檢漏方法，具體為：將充氫后的系統(tǒng)整體置于真空室中，以系統(tǒng)自帶氫氣作為示蹤氣體，采用氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢漏模式進行密封性檢測，獲得對應氫漏率。該方法直接將系統(tǒng)自帶氫氣作為示蹤氣體，未額外引入任何氣體，且系統(tǒng)整體置于真空室中，即使產(chǎn)品泄漏嚴重，發(fā)生燃燒的概率也極小，無安全性風險。因此，該方法對貯氫壓力系統(tǒng)的密封性檢測具有可行性。另外，該方法不會改變產(chǎn)品的狀態(tài)，操作簡單，成本低。

2 低漏率通道型標準漏孔研制

貯氫壓力系統(tǒng)各部組件材料主要為FeCrNi奧氏體不銹鋼，其抗氧化、耐腐蝕及抗氫滲透性能優(yōu)良[9-10]，可能的泄漏部位主要為密封面和焊縫部位，為通道型泄漏。因此，本研究選定通道型漏孔為后續(xù)試驗研究的載體，開展低漏率通道型漏孔研制。

基于各類通道型漏孔的特點[11]，選定按金屬壓扁型漏孔進行研制。采用金屬毛細管擠壓固定的方法制作標準漏孔，其結構見圖1。金屬毛細管內(nèi)徑0.1 mm，由壓板、墊塊及連接螺栓固定，壓板、墊塊均由高硬度材料制成。金屬毛細管安裝在壓板與墊塊之間，通過連接螺栓預緊力大小控制金屬毛細管的擠壓變形程度，從而獲得不同漏率的通道型漏孔。

圖1 標準漏孔結構示意

對所研制的部分漏孔，通過氦質(zhì)譜檢漏方法監(jiān)測了漏率隨時間變化情況。監(jiān)測情況顯示漏孔漏率穩(wěn)定，基本不隨時間發(fā)生變化，表明通過該方法可以制備漏率穩(wěn)定的漏孔。表1列出了對應表2中1#，2#和4#漏孔的漏率變化情況，監(jiān)測漏率時毛細管出氣端直接與檢漏儀抽氣口連接，進口端壓力0.12 MPa(表壓)。

表1 1#，2#和4#漏孔的漏率變化情況

需要說明的是，后續(xù)對漏孔進行的氫、氦模式下密封性檢測試驗的時差基本可以忽略，漏孔可能存在的因金屬蠕變等而產(chǎn)生的漏率變化對本文研究沒有影響。

表2 氫、氦漏率對比情況

注：括號中的數(shù)字分別為氫漏率最小值/氦漏率最大值、氫漏率最大值/氦漏率最小值的計算值

3 氫質(zhì)譜檢漏試驗結果與分析

基于研制的漏孔，采用XL300質(zhì)譜儀開展氫、氦檢漏模式下的密封性檢測。氦、氫檢漏模式下，示蹤氣體分別為純凈氦氣(濃度大于99.9%)和純凈氫氣(濃度大于99.9%)。試驗時通過流量計控制氣體流速為0.1 L/min。

按照氦漏率從大到小的順序?qū)β┛走M行編號，各漏孔對應氫、氦漏率對比情況見表2。其中1#，2#及4#漏率與表1中差異的主要原因為入口端壓強及溫濕度差異。各漏孔對應氦質(zhì)譜及氫質(zhì)譜下漏率平均值及氫質(zhì)譜與氦質(zhì)譜的漏率比值情況見圖2。

圖2 氫氦漏率及比值

由表2及圖2可以看出，對于氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量級的漏孔(1#，2#，3#)，氫檢漏模式獲得的漏率穩(wěn)定，約為氦檢測模式下氦漏率的2～5倍；而當漏孔氦漏率在10-8Pa·m3/s量級以下時，對應氫漏率有效但不穩(wěn)定；隨著漏率進一步減小，采用氫質(zhì)譜檢測方法已經(jīng)不能獲得有效漏率值，質(zhì)譜儀顯示的漏率值會隨著時間快速下降到系統(tǒng)漏率，然后趨于穩(wěn)定。

4 試驗結果的分析與討論

黃文平等[8]所研制的漏孔，對應氦漏率在10-3～10-2Pa·m3/s量級范圍，采用2%氫氣混合氣體測得的氫漏率在10-5～10-3Pa·m3/s量級范圍，外推到純凈氫氣下的漏率為10-3～10-1Pa·m3/s量級范圍，氫、氦漏率的比值在1～4范圍內(nèi)。本研究中，對于氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量級的漏孔，采用氫檢漏模式可以獲得穩(wěn)定的漏率，氫漏率約為氦漏率的2～5倍。以上數(shù)據(jù)表明,采用氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢測模式，對于氦漏率在10-7Pa·m3/s量級及以上通道型漏孔，可以獲得有效且穩(wěn)定的氫漏率指標，具備可行性。但是，根據(jù)本研究中獲得的試驗結果，隨著漏孔漏率進一步減小，氫檢漏模式將不能獲得有效漏率值。這表明，對現(xiàn)有工業(yè)化氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢測模式，除檢漏儀沒有內(nèi)校準功能外，在測量對象漏率低(一般氦漏率小于1.0×10-8Pa·m3/s)的情況下將不能獲得有效漏率值。

初步分析認為，在測量對象氦漏率低于10-8Pa·m3/s量級情況下，采用氫質(zhì)譜檢漏模式不能獲得有效漏率值的主要原因為：現(xiàn)有工業(yè)化檢漏儀采用分子泵抽氣及逆擴散模式進行質(zhì)譜分析，由于氫氣的分子量小，分子泵對氫氣的壓縮比比對氦氣的壓縮比小，故逆擴散到高真空質(zhì)譜室的氫比氦多，形成的儀器氫本底較高，造成儀器對氫的靈敏度降低(如對10-8Pa·m3/s量級及以下的氫氣泄漏可能按本底處理，直接抑制了)。為了進一步提高氫檢漏的靈敏度，還需開展相關研究。

5 結論

(1)利用現(xiàn)有氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢漏功能，可以實現(xiàn)氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量級范圍及以上泄漏的漏率檢測，氫漏率指標和氦漏率指標有較好的相關性。

(2)對于貯氫壓力系統(tǒng)，在經(jīng)歷特定環(huán)境載荷后，將其整體置于真空室中進行氫質(zhì)譜檢漏，能判斷是否有氦漏率10-7Pa·m3/s量級及以上的泄漏存在。

(3)由于貯氫壓力系統(tǒng)對密封性要求高，當采用氫檢測模式能獲得有效漏率值時，系統(tǒng)密封性已不滿足要求。為了在漏率較小情況下也能獲得有效漏率值，對氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢測模式還需開展相關工作。