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KM热沉检漏方案与过程及结果

2018.9.25

                                        北京有色金属研究总院 作者:王轩

    热沉是通液氮冷却或通热氮气加热, 内部涂有吸收率大于0.9 的特制黑漆的低温壁板, 它通过绝热垫悬挂在容器内壁上。工作条件是温度- 196~100℃ , 内压1.6 MPa。热沉材料应有良好的低温性能, 更主要的应具有优良的焊接性能, 保证密封焊缝在长期高低温冷热交变下仍能保持良好的气密性。材料导热性应较好, 在室温高真空下表面出气率应比较低, 便于抽真空。L2R 材料各种性能比较好, 但在国内使用得较少, 它的焊接性能不如不锈钢和铜, 检漏的难度就更加突出。最后选用材料为304 L 及紫铜, 其各项性能均佳。

     热沉对检漏的要求设计要求全部热沉在低温下总漏率小于等于1.3×10- 8 Pa·m3/s( 设计指标总漏率)各部分热沉的漏率指标如下:

      大门热沉的漏率指标为不大于2.5×10- 9 Pa·m3/s

      筒体热沉( 液氮管路和气氦管路) 的漏率指标为不大于7×10- 9 Pa·m3/s

      端部热沉的漏率指标为不大于2.5 ×10- 9 Pa·m3/s

     为确保一次成功, 彻底杜绝整节热沉装入容器后其允许漏率超标。一旦超标, 再重新寻找漏点如大海捞针。为此, 对检漏提出严格的要求如下:

① 不锈钢管、铜管、金属软管、摩擦焊管接头等均先用2 MPa 干燥氮气做强度及气密性初检试验, 合格后再逐根进行氦质谱检漏。其中摩擦焊管还要进行三次从- 196 ~100℃ 冷热冲击试验, 各种管的漏率均不大于5×10- 11 Pa·m3/s 。

② 焊接成组片后, 充1.0MPa 干燥氮气用水槽法初检。合格后对整个组片进行一次从- 196~100℃的冷热冲击试验, 然后趁热用氦罩法进行氦质谱检漏, 仪器无反应为合格。

③ 检漏合格的组片焊成单节热沉后, 用氦罩包检组片新焊缝, 检漏仪的灵敏度不低于本节热沉的允许漏率, 仪器无反应为合格。做12 h 静态升压试验, 判断是否有漏检现象。

检漏技术方案的确定及特点

在选取检漏方案时要考虑以下原则:

① 检漏灵敏度要求合理。太低不符合要求,太高时费用较高, 且浪费时间。

② 反应时间要求短, 以便加快检漏速度。

③ 能定位、定量, 不仅能找出漏气的位置,还要确定漏率的大小, 以便确定是否符合要求。

④ 能无损检漏。既能完成检漏任务, 又不破坏被检件的原结构和使用性能。

⑤ 稳定性好。在足够长的时间里要求灵敏度可靠, 以便进行累积试验和定量测量, 并保证试验的可靠性。

⑥ 检漏仪器应该结构简单, 操作维修方便,经济适用。

⑦ 加压法检漏时应考虑被检件的机械性能。

⑧ 检漏用示踪物质应无毒无害不腐蚀被检件。

 根据以上原则, 以及被检设备本身的要求,必须选用高灵敏度且迅速的检漏方法, 同时又考虑到粗检和热沉管道的特殊情况, 所以选用气泡检漏法和氦质谱检漏仪检漏法为主要的检漏方案。

① ZPH- 30B 型氦质谱检漏仪具有极高的灵敏度, 极快的反应时间, 目前, 该仪器灵敏度已经达到10- 10 Pa·m3/s 量级, 仪器本身的反应时间小于3 s, 最小可检漏率1.9×10- 12 Pa·m3/s, 满足管材检漏要求。该仪器操作简单. 启动快, 不需要液氮, 可加快检漏速度和节省费用。

② 检漏系统的管道都用不锈钢管, 保险丝密封。连接用金属软管和橡胶密封, 彻底杜绝橡胶管和真空黑泥使本底偏高和不稳定等弊病, 极大地消除了误检的可能性。

③ 辅助真空系统选用FB- 450 型分子泵做主泵, 它工作压力宽, 抽速稳定, 启动快, 一般4 min 左右达到满抽速, 缩短抽空时间, 可大大提高检漏效率。更重要的是可抽到10- 2 Pa 以下,使热沉内表面的出气率降低几倍到10 倍, 因而检漏时分流阀可关闭, 氦气全部通过仪器, 系统的最小可检漏率等于仪器的灵敏度,即qmin=Qmin。

④ 被检件从管材开始进行仔细的清洁处理,减少了被检件内表面的出气率, 从而提高了检漏灵敏度。组片热冲击后立即检漏, 其效果更佳。

⑤ 全部采用氦罩法, 喷吹法仅用于确定漏孔位置。检漏时塑料薄膜氦罩抽空贴紧被检件后充氦气, 充到氦罩鼓起来为止。氦罩内氦的浓度达到95% 以上。

⑥ 每次改变检漏工作状态或同一状态(如管材) 上下班时都要在被检件最远端标准漏孔标定该检漏状态下的实际可检漏率和反应时间, 保证检漏的有效性, 消除漏检的可能性。

⑦ 检漏系统专门配置了一台5 kVA 的稳压电源, 极大地排除了加工现场电压波动的干扰,降低了本底噪声, 从而提高了可检灵敏度, 更避免了误检。

 

检漏系统示意图

      检漏结果与讨论检漏系统如图4 所示, 其中: l 为被检件; 2为φ40CH 超高真空阀; 3 为中真空电离计; 4 为复合真空计; 5 为旋片泵; 6 为分子泵; 7 为蝶阀;8 为充气阀; 9 为检漏仪; 10 为压力计; 11 为氦气瓶; 12 为校准孔; 13 为氦气罩。

常温检漏

① 将KM3 容器抽真空至10- 2 Pa 以上, 然后关闭所有制冷机低温泵的闸板阀, 仅用容器检漏系统对容器抽气。将检漏仪接在分子泵出口后。在对热沉检漏前先对检漏系统进行测试, 测试程序如下:

a、在ZHP- 30 型氦质谱检漏仪入口接一个标准漏孔, 调整仪器的各项参数, 使仪器指示的漏率数值与漏孔实际漏率基本一致。

b、拆去标准漏孔, 将仪器与检漏系统相接,已调整好的仪器参数不要再动。待仪器本底基本稳定后, 对装在容器上的标准漏孔充入一个大气压的氦气( 对通导型漏孔) 或打开标准漏孔阀门( 对渗氦型漏孔) , 观察检漏仪输出变化, 直到输出值比较稳定后( 通常需要10 min 左右) , 记下仪器输出值, 停止对标准漏孔充氦或关掉标准漏孔, 待仪器本底基本恢复到漏孔充氦前的状况才能开始下一程序。

② 热沉检漏各个部件按次序进行, 第一个充入氦气后如果满足指标要求就继续给下一个充氦气, 直到全部热沉充入氦气, 总体指标满技术要求则为合格。首先将端部热沉管路抽真空到100 Pa 以下, 充入一个大气压的纯氦( 99%以上) , 观察检漏仪输出的变化, 从热沉冲上氦开始计时, 观察时间不少于10 min, 待仪器输出值稳定后, 记下输出值, 标定该部分热沉的总漏率。若总漏率不符合要求, 需要在本次检漏调试结束后重新开容器大门, 在热沉管路内充入高于0.3 MPa 的氦气, 用吸枪法在容器内逐个检查可疑处, 直到找到漏孔修补好为止。然后将筒体热沉液氮管路及氦气管路分别按上述方法进行检漏。

最后, 按同样的方法对大门进行检漏。各部分热沉管路内的氦气全部保留在管路内, 最后全部热沉都充氦后再保留5 min 以上,测量总体漏率, 记录数据。

冷冲击后检漏

      常温检漏合格后, 利用液氮外流程供液对热沉进行冷冲击, 待测温系统仪表显示热沉温度达到100 K 以下后停止供液。利用气氮回温系统给热沉加热至常温。之后再按3.1 的步骤对各部分热沉再次检漏, 记录数据。

检漏结果

系统灵敏度用下式计算:

Q可检=2Q0/Q标XQ标

Q可检—— 检漏系统对KM3 容器检漏实际能检出的最小漏率Pa·m3/s

Q0 —— —标准漏孔未充氦前仪器本底噪声值Pa·m3/s

ΔQ标—— 标准漏孔充氦后和充氦前指示漏率之差Pa·m3/s

Q标—— 容器上所装标准漏孔的漏率Pa·m3/s热沉实际漏率用下式计算:

Q 漏= ΔQ 漏/ΔQ标XQ标

Q 漏—— 热沉实际漏率Pa·m3/s

ΔQ 漏——热沉充氦后和充氦前指示漏率之差Pa·m3/s当热沉充氦后仪器指示漏率不增加或减少时, 仪器无反应, 此时Q 漏≤Q 可检,全部热沉的总漏率要求≤1.3×10- 8 Pa·m3/s,而制造实测指标达0.2 ×10- 10 Pa·m3/s 和0.8 ×10- 10 Pa·m3/s。

常温下全部热沉:

检漏系统对KM3 容器检漏实际能检出的最小漏率

Q 可检= 0.9×10- 8 Pa·m3/s,Q 漏= 0.7×10- 8 Pa·m3/s

当热沉充氦后, 仪器指示漏率不增加或减少, 仪器无反应, 所以

Q 漏< Q 可检

冷冲击后全部热沉:

检漏系统对KM3 容器检漏实际能检出的最小漏率

Q 可检= 0.4×10- 8 Pa·m3/s

Q 漏= 0.3×10- 8 Pa·m3/s

当热沉充氦后, 仪器指示漏率不增加或减少, 仪器无反应, 所以

Q 漏< Q 可检

结论

综上所述, 全部热沉的总漏率均小于设计指标总漏率, 完全达到设计要求。特别是实测的总漏率达0.2 ×10- 10 Pa·m3/s 和0.8 ×10- 10 Pa·m3/s,比设计指标1.3×10- 8Pa·m3/s 低2 个数量级, 说明所采用检漏方案及采取的一系列措施都是正确、有效的, 完全能够满足航天空间技术的要求,得到了用户好评。



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