大型空間環境模擬試驗設備的檢漏

姜永明

（蘭州華宇航天技術應用有限責任公司，蘭州　730000）

大型空間環境模擬試驗設備的檢漏

姜永明

（蘭州華宇航天技術應用有限責任公司，蘭州730000）

空間環境模擬試驗設備屬于大容器范圍，為了保證大型空間環境模擬試驗設備的密封性能，像所有大容器一樣，僅僅在設備加工階段或安裝完畢后去進行檢漏是遠遠不夠的。大型空間環境模擬試驗設備的檢漏，應貫穿于設備設計、零部件的加工、設備的安裝、調試的各個階段，并提出了各階段檢漏工作的具體內容。對該設備的泄漏檢測主要采用氦質譜檢漏技術，如噴吹法、真空檢漏盒法以及氦罩法等。針對大容器檢漏中靈敏度不足的問題，在總漏率的測試中提出了真空室累積法，并詳細介紹了其測試步驟。

空間環境模擬試驗設備；檢漏；氦質譜檢漏技術；真空室累積法

0　引言

大型空間環境模擬試驗設備可用于模擬太空的真空、外熱流與冷黑環境，對航天器進行真空放電、熱真空平衡及熱真空循環等空間環境試驗［1-4］，主要由罐體和熱沉兩大部分組成。對其檢漏具有典型的大容器檢漏特點。由于檢漏靈敏度要求很高，選擇了氦質譜檢漏技術。

大型空間環境模擬試驗設備泄漏檢測的難點主要表現在:

（1）設備要求的真空度高（真空度小于10-4Pa），對漏放氣速率要求較嚴（總漏率一般要求小于10-7Pa·m3/s），因此對泄漏檢測靈敏度要求較高；

（2）罐體容積大（一般為幾立方米到幾百立方米，最大到一萬立方米），不僅使檢漏靈敏度大大降低，即使采用最靈敏的氦質譜檢漏儀有時也檢不出漏孔；而且由于容積較大，反應時間很長，使噴吹法檢漏變得非常困難；

（3）零部件類型及數量多、焊縫長，需要較長檢漏時間和經費。而且針對各種被檢件需要采用不同的檢漏方法，需要設計各種檢漏系統和各類工裝夾具。

由于結構復雜，加工工序交錯，因此檢漏工序與其他加工工序的配合非常關鍵，稍有疏忽就會出現漏檢、難檢、難補的問題甚至返工的問題。為此，要求檢漏工作有周密的工作程序和計劃。

1　分階段進行檢漏

空間環境模擬試驗設備屬于大容器范圍，為了保證其密封性能，像所有大容器一樣，僅僅在設備加工階段或安裝、調試階段去進行檢漏是遠遠不夠的。大型空間環境模擬試驗設備的檢漏，應貫穿于設備設計、零部件的加工、設備的安裝、調試的各個階段。為了使檢漏工作有序、可靠、順利的進行，提出了各階段檢漏工作的四個具體內容。

（1）設計階段。在設備的設計階段，應根據圖紙上提出的檢漏指標擬定對容器和零部件的檢漏方案，并設計出檢漏工作所需的工裝夾具，如:局部抽真空檢漏盒、氦罩、零部件抽真空檢漏臺、檢漏用盲板、堵頭和連接管道、充氦裝置、檢漏工作梯及平臺等。準備或購置檢漏所需的設備和器材，如:檢漏儀、標準漏孔、氦氣和氮氣、裝氦的容器或氣囊、吸槍和噴槍、真空封泥、塑料布、紗布、膠紙和膠帶、有機溶劑如酒精、丙酮、常用工具如吹風機、剪刀等。

（2）加工階段。加工階段是檢漏的關鍵階段，直接關系到檢漏工作的成敗及后續工作的順利進行，也是檢漏工作最繁重的階段。在設備的加工階段，除了要在檢漏工作開始前加工好檢漏所需的工裝夾具外，還要向加工單位了解加工工藝和程序，并共同商定加工過程中的檢漏工序和時機，避免焊縫漏檢和難檢難補的情況發生。要跟隨加工工藝（尤其是焊接工藝）及時的對加工好的每一個有密封性要求的零部件進行檢漏。對于制造完畢后無法接觸、檢漏或修補的部件，更應嚴格把好檢漏關。發現焊縫有漏要及時修補，修補部位要重新檢漏，直至漏率合格為止。檢漏合格后的焊縫不允許再進行機械加工，否則必須重新檢漏。要特別注意的是，同一部位的補焊次數一般不宜超過三次，補焊超過三次的零件，其焊縫強度會大大降低，必須報廢換新，否則會留下隱患，因小失大。

（3）安裝階段。安裝過程中重點檢漏部位是零部件之間的連接部位，如法蘭、組裝焊縫和接頭，要和加工單位（組裝人員）共同商定組裝過程中的檢漏工序和時機。為避免漏檢和難檢難補的情況發生，要在安裝一個或一批零部件（視情況而定）后及時進行檢漏。

（4）調試階段。設備調試階段，首先要利用設備的真空系統對設備抽真空后的真空度好壞來判斷設備的總漏率是否滿足設計要求。如果真空度達到設計要求，表明設備的總漏率在容許的范圍內，檢漏工作就應該到此順利結束。如果真空度達不到設計要求，就要通過分析或試驗找出真空系統的問題，是漏氣或放氣的問題，漏氣問題可以通過總漏率的測試來判定。

2　檢漏工作的具體要求及檢漏方法

對空間環境模擬試驗設備的檢漏，提出了五個具體的要求及檢漏方法。

（1）對所有有密封性要求的零部件（包括外購件），均應采用氦質譜檢漏儀的抽真空噴吹方法對有密封性要求的部位進行檢漏，并采用抽真空氦罩法確定其總漏率。只有總漏率合格后方可將其安裝在容器上或放入真空容器中。

（2）能抽真空的小型零部件一般先采用氦質譜氦罩法測試其總漏率。當總漏率超標時，再采用抽真空噴吹法找漏，其有效最小可檢漏率一般應≤5× 10-9Pa·m3/s。

（3）對容積較大的零部件或細長管道，采用氦質譜檢漏儀進行抽真空噴吹法、氦罩法檢漏或總漏率測試前，必須先進行反應時間測試，以便確定施氦時間。

（4）對容積大的罐體檢漏時，為減少反應時間，要采用對氦抽速較大的真空泵（次級泵）進行抽氣，檢漏儀接在次級泵的前級管道上。檢漏前必須測試其有效最小可檢漏率是否滿足檢漏要求。測試時，漏率比較用的真空標準漏孔要安裝在被檢真空容器上且遠離抽氣口的部位。如果有效最小可檢漏率不能滿足測試要求，應采用真空室累積檢漏法。

（5）對于熱沉［5］，在裝入罐體中之前，要采用真空室法檢漏，如圖1所示。將熱沉裝入真空容器中，真空容器抽真空，熱沉中充入一定壓力和一定濃度的氦氣后，利用標準漏孔比較法測定出熱沉的總漏率。只有當熱沉總漏率滿足要求后才能裝入罐中。

（6）在總漏率測試中，由于大型空間環境模擬試驗設備容積較大，檢漏靈敏度大大降低，即使漏孔漏率較大，用最靈敏的氦質譜檢漏儀有時也檢不出來，即有效最小可檢漏率Qemin大于設備容許的總漏率，此時應采用真空室累積檢漏法［6］。真空室累積法的檢漏系統如圖2所示。用累積閥（閘板閥9）將被檢件（真空室）與檢漏儀隔離，漏孔漏出的氦氣先貯存在被檢件與閥門之間的容積（累積體積）中，累積體積中的氦分壓將隨時間增加而直線上升。累積一段時間后，打開累積閥，累積起來的氦便迅速被抽入檢漏儀中，使質譜室的氦分壓急劇上升，從而得到較大的輸出指示。

圖1　熱沉組件檢漏系統圖

圖2　真空室累積法測試裝置示意圖

為了能使被檢件的允許漏率Q漏的漏率在檢漏儀上有明顯的指示信號，所選真空標準漏孔的氦漏率Q0要與Q漏值接近。

真空室累積法檢測有七個步驟:

（1）當容器壓力抽至基本平衡且低于3～10 Pa后，打開檢漏閥，盡量關小前級泵閥，使質譜室壓力不高于工作壓力。

（2）測本底變化量:在累積閥打開及標準漏孔閥關閉的情況下，讀出檢漏儀的輸出指示值I0及最小可檢信號值In。然后關累積閥，累積時間t0后，打開累積閥，讀出檢漏儀輸出指示的最大值（峰值）I1。那么，I1-I0便是本底在累積時間t0內引起檢漏儀輸出指示的變化值。

（3）測標準漏孔引起的變化值:打開累積閥和標準漏孔閥，待檢漏儀輸出指示值穩定后，讀出檢漏儀的輸出指示值I2。然后關閉累積閥，累積時間t0后，打開累積閥，讀出檢漏儀輸出指示的最大值（峰值）I3。那么，I3-I2是氦漏率為Q0的標準漏孔和本底在累積時間t0內引起檢漏儀輸出指示的變化值。僅由氦漏率為Q0的標準漏孔在累積時間t0內引起檢漏儀輸出指示的變化值為（I3-I2）-（I1-I0）。為保證測試的可靠性和精度，累積時間t0必須足夠大，滿足（I3-I2）-（I1-I0）≥10In的要求。

（4）累積時間的確定。累積時間為t0時最小可檢漏率Qmin為:

為保證累積檢漏法能夠檢測出被檢件的允許漏率Qy的漏率，其最小累積時間tmin由式（2）計算:

為保證累積檢漏法能夠明顯地檢測出被檢件的允許漏率Qy的漏率，累積檢漏中的累積時間t0一般應不小于tmin的10倍，即t0≥10tmin。因此，若前面選擇的t0≥10tmin，測試工作直接進入下面的第4步；若前面選擇的t0＜10tmin，測試工作應從第1步重新開始，且累積時間t0=10tmin。

（5）氦罩充氦。用塑料布或聚四氟乙烯薄膜作氦罩，將罐體上各焊縫和有密封要求的部位分區段罩好，然后逐段向氦罩及熱沉內充入所需壓力的純氦氣（或濃度比為γ的混合氦氣），將氦罩和熱沉抽空后再充氦氣，每充一段要同時觀察儀器輸出指示有無變化，若有變化，說明該區段有大漏，應該用噴吹法將漏孔位置找出來。

（6）測被檢容器漏孔引起的變化值:熱沉及所有氦罩內充氦結束后，關閉標漏閥，打開累積閥，待檢漏儀輸出指示值穩定后，讀出檢漏儀輸出指示值I4。然后關累積閥，累積時間t0后，打開累積閥，讀出檢漏儀輸出指示的最大值（峰值）I5。那么，I5-I4便是被檢件上被氦罩罩住部分的所有漏孔及本底在累積時間t0內引起的檢漏儀輸出指示的變化值。由被檢件上被氦罩罩住部分的所有漏孔在累積時間t0內引起的檢漏儀輸出指示的變化值為（I5-I4）-（I1-I0）。

（7）被檢容器（含熱沉）總漏率的計算。被檢容器總漏率通過式（3）計算出來:

真空室累積法中所用累積閥必須能快速開關，否則其峰值的測量就困難。

3　結論

大型空間環境模擬試驗設備要求的真空度高、漏率小、罐體容積大、結構復雜，給檢漏工作帶來很大的困難。文章提出的分階段把好檢漏關及檢漏要求和檢漏方法，已在多臺空間環境模擬試驗設備的檢漏實踐中得到證明，是一種切實可行的解決大容器檢漏問題的途徑之一。

［1］達道安.真空設計手冊［M］.（第3版）.北京:國防工業出版社，2004.

［2］黃本誠，馬有禮.航天器空間環境試驗技術［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［3］劉強.對熱真空環境模擬試驗設備設計中有關問題的討論［J］.真空與低溫，2006，12（4）:238-245.

［4］徐成海.真空工程技術［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［5］閻榮鑫，肖祥正.空調器生產線的氦質譜檢漏技術［J］.真空與低溫，1994，7（3）:145-148.

［6］肖祥正.泄漏檢測方法與應用［M］.北京:機械工業出版社，2010.

LEAK DETECTION OF THE LARGE SPACE ENVIRONMENTAL SIMNULATION TEST EQUIPMENT

JIANG Yong-m ing
（Application of Space Technology，Lanzhou Huayu Co.，Ltd，Lanzhou730000，China）

Space environmentsimulation testequipment fallsw ithin the scope of a large container.In order to ensure the sealing performance of large space environmental simulation test equipment，like all large container，leak detection only in equipmentprocessing stage or after the installation is notenough.Leak detection of the large space environmental simulation testequipment is necessary throughout the design of equipment，spare parts processing，equipment installation and debugging stages，and we put forward the specific contentof leak detection in different stages of thework.Leak detection for this equipmentmainly USES the helium mass spectrometer leak detection technology，such as injectionmethod，vacuum leak detectionmethod and the helium method，etc.Aim ing at the problem of insufficientsensitivity in a large container leak detection，the total leakage rate testof vacuum chamber accumulationmethod was proposed，and introduces the testing steps in detail.

space environment simulation test equipment；leak detection；helium mass spectrometer leak detection technology；vacuum chamberaccumulationmethod

TB774

A

1006-7086（2016）03-0177-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.012

2015-12-17

姜永明（1982-），男，甘肅省會寧縣人，助理工程師，主要從事泄漏檢測工作。E-mail:jiangyongming2007@163.com。