背壓法氦質(zhì)譜檢測系統(tǒng)研制

許貴平+劉衛(wèi)+高三杰

摘 要：工程應(yīng)用中需開展背壓法氦質(zhì)譜檢測系統(tǒng)展開研究和設(shè)計開發(fā)，設(shè)計內(nèi)容主要包括氦質(zhì)譜檢漏儀技術(shù)參數(shù)確定、預(yù)抽真空系統(tǒng)設(shè)計、真空容器設(shè)計以及控制系統(tǒng)設(shè)計等，對氦質(zhì)譜檢測系統(tǒng)的儀器靈敏度、系統(tǒng)靈敏度及系統(tǒng)反應(yīng)時間等性能參數(shù)進(jìn)行了測定，結(jié)果表明檢測系統(tǒng)具有檢測靈敏度高和檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：氦質(zhì)譜檢漏 背壓法 預(yù)抽真空系統(tǒng)

中圖分類號：TB774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0057-02

工件（毛坯板）在加工過程中，必須處于真空密封狀態(tài)，其外部保護(hù)層由不銹鋼框架、蓋板經(jīng)真空焊接而成。其密封性能是直接影響成品率的重要因素之一，一旦出現(xiàn)泄漏，將會導(dǎo)致毛坯板在軋制工藝中出現(xiàn)起泡、崩裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響結(jié)合質(zhì)量，必須其密封性能進(jìn)行100%的無損檢測，檢測內(nèi)容包括工件的8條焊縫及堵孔焊的密封性能。可采用的泄漏檢測方法為背壓法整體檢漏和壓氦后吸槍法定點(diǎn)檢漏，為實(shí)現(xiàn)對工件高靈敏度和高效率檢測，開展了背壓法氦檢漏系統(tǒng)的研制。

1 氦質(zhì)譜檢漏方法

工件采用的泄漏檢測方法為氦質(zhì)譜背壓法和吸槍法。

背壓法檢測過程分為三步，首先進(jìn)行氦加壓，將工件置于一定壓力的氦室中，有漏隙的內(nèi)腔中會被滲入氦氣；其次進(jìn)行凈化，用無水乙醇檫洗表面并用壓縮空氣吹掃以去除表面吸附的氦氣；最后進(jìn)行檢漏，將工件放入檢漏系統(tǒng)的真空容器內(nèi)進(jìn)行檢漏。

吸槍法：用以軟管與檢漏儀質(zhì)譜室相連的且被抽成真空的特制吸槍（限流的針閥）沿焊縫及堵孔進(jìn)行探測，如果焊縫處有漏孔時，氦氣就會隨同周圍的空氣一起被吸槍吸入到檢漏儀質(zhì)譜室中經(jīng)分析而產(chǎn)生漏氣指示。

在進(jìn)行氦檢漏時，首先采用背壓法進(jìn)行100%的定性檢測，查看有無泄漏，若檢出有泄漏時，再采用吸槍法對泄漏的位置進(jìn)行精確定位，以便返回焊接室進(jìn)行補(bǔ)焊。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計思路

基于對氦質(zhì)譜檢漏方法的深入研究和滿足科研生產(chǎn)的需要，檢測系統(tǒng)要求在背壓工藝條件下，至少能發(fā)現(xiàn)10-7Pa·m3/s數(shù)量級的缺陷，因此，對氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)總體設(shè)計思路圍繞提高檢測靈敏度和提高檢測效率兩方面來展開。

在提高系統(tǒng)檢測靈敏度方面，首先需提高氦質(zhì)譜檢漏儀性能以獲得較高的儀器靈敏度，在儀器采購中選用具有較高儀器靈敏度的檢漏儀；其次預(yù)抽真空系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)選取適合的材料以及正確的表面處理方式以降低材料自身存在的吸氣和放氣，系統(tǒng)連接中采用合適的裝配方式和焊接以降低預(yù)抽真空系統(tǒng)的漏氣等；最后增加真空測量裝置以便對真空容器內(nèi)真空度水平進(jìn)行監(jiān)測，增加電磁閥管路系統(tǒng)對系統(tǒng)抽氣和放氣進(jìn)行自動控制。

在提高預(yù)抽真空系統(tǒng)檢測效率方面，增大真空容器的容積以提高單次檢測數(shù)量；提高真空泵有效抽速，設(shè)計真空泵組進(jìn)行抽氣以降低抽真空時間等。

氦質(zhì)譜檢測系統(tǒng)由氦質(zhì)譜檢漏儀、真空容器、預(yù)抽真空系統(tǒng)、電磁閥、控制箱、吸槍、標(biāo)準(zhǔn)漏孔、波紋管及測量數(shù)據(jù)處理計算機(jī)組成，如圖1所示。以下就檢測系統(tǒng)的幾個重要組成部分展開設(shè)計。

2.2 氦質(zhì)譜檢漏儀技術(shù)參數(shù)確定

檢測系統(tǒng)中對氦質(zhì)譜檢漏儀器的技術(shù)指標(biāo)要求具體指標(biāo)如下：最小可檢漏率優(yōu)于5×10-12Pa·m3/s；漏率顯示范圍：1×10-3～5×10-12Pa·m3/s；啟動時間：≤2min；響應(yīng)時間：≤1S；檢漏口最高壓力：﹥1.0×103Pa。該技術(shù)指標(biāo)要求保證了氦質(zhì)譜檢漏儀的儀器靈敏度，同時較寬的漏率顯示范圍還可適用于對大的泄漏點(diǎn)的檢測。比如：當(dāng)檢漏口壓力降到1000～50 Pa時，系統(tǒng)自動進(jìn)入粗檢模式（Gross），當(dāng)檢漏口壓力降到50 Pa時，系統(tǒng)自動進(jìn)入精檢模式（Normal）在本設(shè)計的研制中，采用了型號為ZQJ-542型的氦質(zhì)檢漏儀。

2.3 預(yù)抽真空系統(tǒng)

預(yù)抽真空系統(tǒng)主要由真空獲得單元、真空測量單元和機(jī)柜三大功能單元組成。預(yù)抽真空系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采取移動機(jī)柜式結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。真空泵、真空規(guī)管以及閥門等組成單元均安裝于真空獲得機(jī)箱內(nèi)，測量、控制以及電源模塊安裝在測量機(jī)柜表面，以便于操作。機(jī)柜四周門均可打開，可方便就地進(jìn)行系統(tǒng)維修與器件更換。預(yù)抽真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

真空獲得單元由真空泵組和真空系統(tǒng)管道所構(gòu)成。采用機(jī)械泵和測量真空裝置聯(lián)接構(gòu)成真空泵組，連接真空容器的管路采用了不銹鋼的波紋管，真空容器內(nèi)壁做拋光處理技術(shù)，以減小容器內(nèi)壁放氣。為了快速達(dá)到抽氣的效果，機(jī)械泵抽速大于8 L/s；為保證不污染檢漏系統(tǒng)，采用油蒸汽不返流的真空泵；檢測系統(tǒng)的真空泵組可在2分鐘內(nèi)獲得<5 Pa以下的真空度，縮短了抽真空時間，提高了檢測效率。

2.4 真空容器設(shè)計

真空容器的材質(zhì)采用316 L內(nèi)拋光不銹鋼材料，容器內(nèi)壁作拋光處理，以減小容器內(nèi)壁放氣，外壁粗糙度小于6.3 μm，內(nèi)壁粗糙度小于3.2 μm。

根據(jù)工件尺寸大小，按照每次檢查5個工件的能力設(shè)計，確定真空容器的尺寸為Φ220 mm×5 mm×650 mm，確保裝入工件后容器剩余空間盡可能小，縮短預(yù)抽真空的時間。

容器壁上設(shè)置5個對外接口，接口尺寸為KF25和KF16。其中KF25接口4個，分別接標(biāo)準(zhǔn)漏孔、真空計和檢漏儀檢漏口（由波紋管連接）和抽氣口，KF16接口作為放氣閥，放氣閥為電動控制。

真空容器一端設(shè)荷葉式開門，內(nèi)有密封圈，要求關(guān)閉容器門時能密封良好；保壓時間要求：2 h內(nèi)，真空容器內(nèi)壓力由10～1 Pa降至不超過1 Pa；

真空容器內(nèi)部采用半“O”型的槽，可將被檢工件安全放置在內(nèi)，同時為了保證被檢工件不被劃傷，支撐工件的部分采用材質(zhì)為放氣率很小的聚四氟乙烯，并在支撐部分開孔以確保氣體可流通，從而保證對檢漏工件不會產(chǎn)生盲區(qū)。

3 檢測系統(tǒng)性能驗(yàn)證試驗(yàn)endprint

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對本套氦質(zhì)譜檢測系統(tǒng)開展儀器靈敏度測定、系統(tǒng)靈敏度測定和系統(tǒng)反應(yīng)時間測定實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該檢測系統(tǒng)是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3.1 系統(tǒng)靈敏度測定

系統(tǒng)靈敏度測定方法為：開啟檢漏儀，調(diào)節(jié)參數(shù)至正常工作狀態(tài)；啟動真空泵組，對真空容器抽真空至3 Pa時；打開檢漏閥，使檢漏儀與檢漏系統(tǒng)連通；當(dāng)儀器輸出表指示值穩(wěn)定后，記錄儀器本底值I0并記錄入表中，然后開始觀測每2 min內(nèi)儀器輸出最大值（噪聲值）連續(xù)觀測三次，取三次噪聲值中最大的一次計算，作為本底噪聲值IN并記錄入表中。打開預(yù)抽真空系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)漏孔后，當(dāng)儀器輸出表指示值穩(wěn)定，記錄標(biāo)準(zhǔn)漏孔所產(chǎn)生的訊號值I0并記錄入表中。

每間隔1h，重復(fù)以上操作，共重復(fù)3次，記錄測量值并填入表中。

按下式計算最小可檢漏率

Qmin=（IN/I-I0）×Q0（1-2）

式中：

Qmin——最小可檢漏率；

IN——系統(tǒng)噪聲值，Pa·m3/s；

I——打開標(biāo)準(zhǔn)漏孔所產(chǎn)生的訊號值，Pa·m3/s；

I0——系統(tǒng)本底值，Pa·m3/s；

Q0——標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率，Pa·m3/s。

將三次Qmin取平均值得到儀器最小可檢漏率，填入記錄表中

經(jīng)過三次實(shí)驗(yàn)，測得系統(tǒng)靈敏度（最小可檢漏率）為5.7×10-11Pa·m3/s。

3.2 背壓法檢漏工藝靈敏度

被檢件的實(shí)際漏率（等效標(biāo)準(zhǔn)漏率）值和本工藝條件下的最小可檢漏率min可由下式算出：

（1-3）

式中QR——測量漏率，Pa·m3/s；

QL——等效標(biāo)準(zhǔn)漏率，Pa·m3/s；

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，1×105 Pa；

PE——氦氣室內(nèi)氦氣的轟擊壓力，4×105Pa；

MA——空氣的摩爾質(zhì)量，2.9×10-2 kg/mol；

M——氦氣的摩爾質(zhì)量，4×10-3 kg/mol；

t1——加壓時間，0.5 h；

t2——凈化時間，10min；

V——被檢件內(nèi)腔凈容積，m3。

根據(jù)實(shí)際檢漏條件V=5cm3，t1=0.5h，t2=10min時，公式（1-3）可簡化為：

可計算出該系統(tǒng)在以上工藝條件下的最小可檢漏率為（對空氣）：

=2.35×10-8 Pa·m3/s

4 結(jié)語

通過對背壓法氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和研制，得到檢測系統(tǒng)靈敏度達(dá)到5.7×10-11Pa·m3/s，背壓工藝靈敏度達(dá)到2.35×10-8 Pa·m3/s，滿足生產(chǎn)工藝要求，真空室的設(shè)計使檢測效率達(dá)到一次可檢測5個工件，抽真空時間縮短至2分鐘之內(nèi)，氦質(zhì)譜檢測系統(tǒng)在檢測靈敏度和檢測效率方面均滿足要求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 氦質(zhì)譜檢漏儀使用說明書，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司，2011.endprint