大型密封容器高精度氣密性檢查方法初探

劉 平，王相玉，曾 飛

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

氣密性指的是零件對氣體或液體的泄漏程度[1]。隨著科學技術的進步和相關制造、裝配、使用質量要求的不斷提高，氣密性檢測技術被廣泛應用在各個行業(yè)，包括汽車工業(yè)[2]、航天航空工業(yè)[3-5]等領域。漏率通常作為衡量氣密性的物理量[6]。中國航天工業(yè)總公司航天工業(yè)行業(yè)標準QJ 2592-94《彈頭氣密性檢查實驗方法》、QJ 2706-95《彈道式導彈彈頭總裝、測試和驗收通用技術條件》、QJ 3010-98《導彈內外壓氣密性實驗方法》均對不同對象的氣密性檢查方法給出了詳細規(guī)定。而通常對于有氣密性要求的容器而言，漏孔的截面形狀和位置都有隨機性。常見的漏孔主要包括零部件本身的焊縫及與管路連接的焊縫，螺栓連接及可拆密封處發(fā)生劃傷、存在雜質，動密封構件發(fā)生磨損，材料本身缺陷造成的隱性漏孔等。因此，根據不同容器的特點，選擇合適的氣密性檢測方法，從而靈活、方便地檢測出漏孔和定量描述氣密性是非常重要的。

對于大型密封容器而言，容積大，焊縫和接口多，氣密性檢查方法耗時長，其氣密性檢查存在一些難點。氣密性檢測是一個復雜的過程，需要操作者具有豐富的經驗，且容器本身的熱力學特性是影響檢測的難點。針對不同氣密性檢查方法的優(yōu)缺點，檢測前需根據實際的容器特點選擇合適的檢漏方法。目前比較常用的方法是壓力監(jiān)測法和氣體探測法。由于大容器容積大，溫度和自身容積在充氣過程中變化大，在實際測量中，溫度、容積、壓力的變化都會導致測量誤差，對氣密性檢查結果影響較大。

綜上，尋找一種快速靈敏且精確高效的氣密性檢查方法來適用于大型密封容器是非常必要的。開展了可靠性氣密性檢查試驗研究，并提出了可靠性保證的氣密性檢查方法，適用于在工程使用中的快速檢測。

2 研究方法

2.1 氦質譜檢漏法

氦質譜檢漏法的檢測儀器包括氦質譜檢漏儀、噴槍、密封探測器、氦氣瓶及軟管等。大容積容器氦質譜檢漏法的示意圖。將容器充氦氣至一定壓力，用噴槍對容器各個焊縫、連接接口等可能漏點部位進行局部漏孔探測，找到局部漏率的薄弱環(huán)節(jié)，如圖1所示。然后封堵密封探測器，保壓40min，用噴槍對密封探測器內進行探測，測量整體漏率。當容器漏率達到要求，如不大于10-3Pa·m3/s，則氣密性合格。

圖1 氦質譜檢漏法操作示意圖Fig.1 Operation Schematic Diagram of Method with Helium Mass Spectrum

2.2 壓力監(jiān)測法

壓力監(jiān)測法的測試儀器采用新型高潔凈度氣源與氣密性檢查裝置[7]、軟管及氮氣瓶（氣源要求為氮氣時）等，該氣密性檢查裝置可以實現氣體干燥、抽換氣、壓力監(jiān)測法等功能。壓力監(jiān)測法的操作示意圖，如圖2 所示。通過氣密性檢查裝置向容器充氣至一定壓力（QJ2592-94），待壓力穩(wěn)定后（消除溫度影響），對容器在保壓時間內的壓力進行實時監(jiān)測。保壓時間內壓降為0.04MPa，容器的氣密性合格。

圖2 壓力監(jiān)測法操作示意圖Fig.2 Operation Schematic Diagram of Air Pressure Method

3 實驗與分析

圖3 被測容器示意圖Fig.3 The Diagrammatic Sketch of Tested Cabin

針對某型特定柱形大容積容器開展實驗研究，其容積大于100L，被測容器，如圖3 所示。容器內壁覆蓋高分子防熱層，內部安裝電子元器件。容器漏率設計指標為＜10-3Pa·m3/s。壓力監(jiān)測法采用高精度壓力表不確定度為0.2%，量程為（-0.1～1）MPa。壓力監(jiān)測法采用的儀器為潔凈正負壓氣源及氣密性檢查裝置，可測量滿足0.04MPa 的壓降，達到10-1Pa·m3/s，不能測量滿足容器漏率要求的漏率。氦質譜檢漏儀本底漏率為10-7Pa·m3/s，可測量滿足漏率要求的漏率。

3.1 可靠性實驗

根據GB/T 4087-2009《數據的統(tǒng)計處理和解釋二項分布可靠度單側置信下限》，采用可靠性模型評估，保證至少0.8（置信度為0.7）的可靠度，所需實驗次數至少為6 次。因此，開展6 次重復性的氣密性檢查實驗，每輪實驗流程，如圖4 所示。為保證實驗條件的一致性，避免裝配條件不一致導致的誤差，在滿足裝配要求的情況下隨機裝拆螺栓連接件。為避免人為因素、儀器設備不同引起的系統(tǒng)誤差，盡可能固定實驗考察因素。

圖4 單次可靠性實驗流程示意圖Fig.4 The Flow Chat of Single Reliability-Experiment

在實驗中測量的項目包括壓力監(jiān)測法測量的壓降和氦質譜檢漏法測量的漏率。其中，壓力監(jiān)測法具體測試儀器和操作流程見2.2 節(jié)，氦質譜檢漏法具體測試儀器和操作流程見2.1 節(jié)。采用壓力監(jiān)測法測量壓降，若壓降＜0.04MPa，則壓力監(jiān)測法成功。容器的薄弱環(huán)節(jié)是相對較大的螺栓連接接口和密封元件的連接接口，如圖3 所示。采用氦質譜檢漏法測量這兩處的局部漏率，以分析漏率薄弱環(huán)節(jié)；并測量整體漏率，當整體漏率滿足要求，則氦質譜檢漏法成功。兩種測量方法均滿足要求，則單次實驗成功。

實驗結果表明，6 次實驗均成功測得數據，壓降均滿足小于0.04MPa，局部漏率和整體漏率均滿足小于10-3Pa·m3/s 的要求，因此6 次實驗均取得成功，可靠度得到保證。

3.2 結果分析

3.2.1 壓力監(jiān)測法結果分析

壓力監(jiān)測法實測數據保證粗檢無大漏。壓力監(jiān)測法采用的壓力表的最大允許誤差為0.00224MPa，其中，顯示讀數為當前壓力。壓降數據為二次計算結果，根據誤差傳遞公式，壓降誤差為（取0.004MPa）。因此，壓降數據的實測數據應該考慮±0.004MPa 的誤差。

在實驗過程中，壓力監(jiān)測法實施相對比較簡單，使用儀器少，不存在氣體殘留，耗時短，但是在精度保證等方面存在問題：

（1）精度低。根據儀器和相關標準要求，壓降0.04MPa 只能保證10-1Pa·m3/s 的精度，漏率保證較低。

（2）測量誤差：①溫度變化：在實際抽換氣操作中，容器容積大，由于充氣過程中氣體膨脹，容器內氣體有溫升，在保壓過程中有氣體的溫度平衡，保壓過程中氣體溫度變化會導致壓力變化。②容積變化：容器中一些部組件中存在一些小間隙，部分組件內有相對封閉的空腔，保壓過程中氣體將緩慢進入這些部位，導致壓力降低。

上述因素將導致壓力變化，從而影響壓力監(jiān)測法測試的精度。為減少以上測量誤差，在壓力監(jiān)測法實驗的初期，讓容器內部氣體處于熱平衡狀態(tài)以及部分空腔內氣體平衡，不記錄這段平衡時間內的壓力變化。待平衡后再記錄壓力變化，結果更準確。

（3）保壓時間：理論上而言，測試時間越長，壓降對應計算的漏率越精確。而對應的漏率每降低一個量級，保壓時間需要增加10 倍。對于實際操作而言，將壓力檢測法的對應漏率要求降低一個量級，則需要保壓時間增加10 倍，付出的時間成本過大。

3.2.2 氦質譜檢漏法結果分析

實驗過程中氦質譜檢漏法測得的漏率均滿足要求，可保證一定可靠度下的高精度漏率。氦質譜檢漏法精度高，可檢測到10-7Pa·m3/s 的漏率，能夠方便、靈敏地檢測局部漏點，整體漏率受保壓時間影響小，但還存在以下問題：

（1）氦氣殘留：容器中采用的大量的高分子材料對對氦氣的吸附漏率高[8]。若氦質譜檢漏完成后未采取措施使得氦氣完全揮發(fā)，殘留氦氣對容器內部相關部件造成影響；或影響下次氦質譜檢漏結果，導致氣密性評估不準確。

（2）使用儀器多：包括質譜檢漏儀、密封探測器、氦氣瓶、橡膠軟管等，相比于壓力監(jiān)測法，大大增加操作復雜度。

（3）耗時長：進行整體漏率需要保壓較長時間。除了氦質譜檢漏法本身進行漏率標定、保壓耗費的時間，檢測完成后去除殘留氦氣需要遠大于檢測本身的時間。鑒于容器本身的特殊性，不能采用高溫烘烤來加速氦氣揮發(fā)[8]，因此實驗中至少需14 小時才能釋放完全大容器中的殘留氦氣。實際工程使用中不希望耗費太多時間來進行氣密性檢查。

3.2.3 工程使用方法確定

針對大容積容器的特點，充分開展了實驗研究不同氣密性方法對當前容器的適用性。單一的氣密性檢查方法在開展大容積容器的氣密性檢查方面都存在一定不足。壓力監(jiān)測法適合工程應用，但是測量中影響因素多，在保證和提升精度方面存在困難。氦質譜檢漏法精度高，但有氣體殘留、操作復雜且耗時長。因此，結合可靠性研究試驗的數據結果，提出當前容器選擇的氣密性檢查方法為：采用壓力監(jiān)測法的現場檢測數據來保證可靠度，而氦質譜檢漏法的實驗數據用來保證高精度的漏率。這種可靠性方法綜合了兩種方法的優(yōu)點，來達到快速高效且保證漏率的要求。采用此方法可以規(guī)避大容積容器實際工程使用過程中氣密性檢查方法的困難，也可以在一定可靠度下保證漏率精度。

開展第7 次氣密性檢查實驗，用來驗證上述可靠性方法。先開展的壓力監(jiān)測法實測數據小于0.04MPa，試驗取得成功。綜合可靠性實驗的結果即可保證容器的漏率滿足＜10-3Pa·m3/s 的量級要求。最后，開展了氦質譜檢漏法進行驗證，實驗測得的局部漏率和整體漏率均滿足要求，驗證了可靠性方法的適用性。

因此，針對大容積容器，在實際工程使用中只需采用壓力監(jiān)測法進行氣密性檢查，并在前期采用氦質譜檢漏法開展可靠性研究實驗。

4 結論

大容積容器焊縫多、螺栓連接接口和密封接口多，對氣密性檢查方法提出了更多的挑戰(zhàn)。單一的氣密性檢查方法在實際應用中都存在一定的不足，為了更快捷方便精確地進行實際檢測，對容器開展可靠性氣密性檢查實驗，在滿足可靠度的基礎上選取合適的方法。采用高精度氦質譜檢漏法進行可靠性實驗研究，排除薄弱環(huán)節(jié)，保證一定可靠度下的高精度漏率；采用壓力監(jiān)測法開展現場檢測，大大簡化操作流程。

（1）對大容積容器的實際檢測過程中發(fā)現，壓力檢測法精度低，測量誤差隨溫度、容積變化大，保壓時間長；氦質譜檢漏法有氦氣殘留、使用儀器多、耗時長。

（2）通過可靠性方法開展6 次高精度氦質譜檢漏法和壓力監(jiān)測法進行大容積容器的氣密性檢查，可以保證0.8（置信度為0.7）的可靠度下漏率小于10-3Pa·m3/s。

（3）結合單一方法的分析及可靠性研究試驗的結果，開展第7 次壓力監(jiān)測法檢驗漏率及氦質譜檢漏法驗證漏率，表明了可靠性方法的適用性。

（4）采用的方法開展氣密性檢查，彌補了單一氣密性檢查方法針對大容器開展的氣密性檢查方法的不足，既保證漏率又簡化了操作。