環(huán)模容器真空度異常分析及其解決思路

2014-10-30 許忠旭 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所

  環(huán)模設(shè)備是指完成衛(wèi)星等航天器熱平衡熱真空試驗的地面環(huán)境模擬設(shè)備,通常包括容器、熱沉、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)等多個分系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)標準要求,容器內(nèi)真空度只有優(yōu)于1.3×10-3 Pa 時才能開展環(huán)模試驗。本文列舉了幾例環(huán)模容器真空度不滿足要求的典型情況,從容器本體、熱沉、真空系統(tǒng)設(shè)備、法蘭等幾個方面開展了泄漏分析,并提供了解決思路。

  環(huán)模設(shè)備是指完成衛(wèi)星、飛船等航天器熱平衡熱真空試驗的地面熱環(huán)境模擬設(shè)備,我國從上個世紀60 年代至今陸續(xù)建成了KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7 等多臺大中小型熱環(huán)境模擬試驗設(shè)備,用于模擬太空中的真空冷黑環(huán)境。其中KM6 環(huán)境模擬器是國際上三大載人航天器空間環(huán)境試驗設(shè)備之一,總體性能達到國際先進水平。

  環(huán)模設(shè)備通常包括容器、熱沉、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、外熱流模擬與控制系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、氦系統(tǒng)等多個分系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)標準要求,環(huán)模設(shè)備容器內(nèi)真空度只有優(yōu)于1.3×10-3 Pa 時才能滿足衛(wèi)星、飛船等航天器開展熱平衡熱真空試驗的需求。容器本體上法蘭、閥門、管道等接口眾多,容器內(nèi)部又包括熱沉、衛(wèi)星等試件,因此當容器內(nèi)真空度不滿足條件時,判斷并找出漏點是一項難度很大的工作,真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認為不僅需要借助于氦質(zhì)譜檢漏儀、四極質(zhì)譜計等靈敏度高的儀器,更需要有經(jīng)驗技術(shù)人員的綜合判斷分析。本文將列舉幾個查漏、找漏的例子,為類似于環(huán)模設(shè)備的復雜、大型設(shè)備檢漏工作提供部分思路和啟發(fā)。

1、環(huán)模設(shè)備容器、熱沉及真空系統(tǒng)簡介

  環(huán)模設(shè)備容器主要有立式及臥式兩種結(jié)構(gòu)形式,為不銹鋼材質(zhì),由鋼板焊接而成,臥式容器通常只有一個大門。立式容器通常包括活動頂蓋、側(cè)門。容器上通常根據(jù)各種功能需要開有口徑大小不一的法蘭。如KM6 環(huán)境模擬器上開有113個準160~準1320 mm 大小不同的孔。各個門、法蘭通常為橡膠圈密封。在檢漏實踐中,各個法蘭尤其是試驗前更換過的法蘭往往是首先懷疑的對象。

  容器內(nèi)部通常安裝有熱沉。大型環(huán)模設(shè)備熱沉由多個熱沉組片組成。熱沉材質(zhì)有不銹鋼、鋁、銅。在早期的熱沉研制中,銅、鋁材質(zhì)的熱沉進出液管道通常為銅、鋁與不銹鋼管道的摩擦焊接口方式。每個組片熱沉通常由若干個支管焊接到匯總管上。如KM6 環(huán)境模擬器由2000 多根管子4000多個管道焊縫組成。在檢漏實踐中,經(jīng)常被踩踏的熱沉、存在波紋管的熱沉以及摩擦焊接頭通常容易出現(xiàn)泄漏,是檢漏的重點關(guān)注對象。

  真空系統(tǒng)通常包括粗抽、高真空、分子泵及檢漏、真空測量等多個子系統(tǒng)。其中高真空系統(tǒng)主要由低溫泵組成,是環(huán)模設(shè)備容器獲得高真空的主抽泵。當容器內(nèi)真空度上不去時,低溫泵自身工作正常與否是一個判斷點。在排除了此點后,各個子系統(tǒng)與容器之間的閥門連接是否有漏也是排查的重點。在檢漏實踐中,閥門本體存在泄漏往往容易被忽略。

2、環(huán)模設(shè)備檢漏實例

  2.1、常用檢漏方法介紹

  2.1.1、氦質(zhì)譜檢漏法

  氦質(zhì)譜檢漏法使用氦質(zhì)譜檢漏儀來完成,其檢漏靈敏度可以達到10-9 Pam3/s甚至更高。檢漏儀通常接在前級泵與分子泵之間,如圖1 所示。目前大多數(shù)檢漏儀具有逆流檢漏功能或質(zhì)譜室能夠承受較高的壓力,其檢漏儀入口處能夠在較高的壓力下工作。進入檢漏儀的示漏氣體一部分進入檢漏儀的質(zhì)譜室,另一部分由前級泵抽走。對于大型環(huán)模設(shè)備,檢漏時通常開啟1~2 臺低溫泵。以低溫泵為主泵的檢漏系統(tǒng)中,低溫泵對氦氣的分流很小,因此低溫泵的引入對系統(tǒng)有效檢漏靈敏度影響很小。

氦質(zhì)譜檢漏儀連接位置示意圖

圖1 氦質(zhì)譜檢漏儀連接位置示意圖

  2.1.2、四極質(zhì)譜計檢漏法

  四極質(zhì)譜計(也稱四極濾質(zhì)器)測量氣體的原理如圖2 所示。四極質(zhì)譜計的質(zhì)量分離原理是基于不同質(zhì)荷比的離子在高頻和直流四極場中運動軌跡穩(wěn)定與否來實現(xiàn)的,它是近代殘余氣體分析器中最為流行的無磁濾質(zhì)器,其性能指標較高。四極質(zhì)譜計也可以用于檢漏,通過某種氣體的譜圖變化來判斷系統(tǒng)是否有漏,其檢漏靈敏度可以達到10-6 Pam3/s甚至更高。而且通過判斷氮氣、氧氣的成分比,還可以判斷是否為空氣泄漏。

四極質(zhì)譜計探測器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 四極質(zhì)譜計探測器結(jié)構(gòu)示意圖

  2.1.3、壓力檢漏法

  壓力檢漏法,也叫正壓檢漏法,將被檢容器充入一定壓力的示漏物質(zhì),如果容器上有漏孔,示漏物質(zhì)便從漏孔漏出,用一定的方法或儀器在容器外檢測出從漏孔中漏出的示漏物質(zhì),從而判定漏孔的存在、漏孔的具體位置及漏率大小。對懷疑漏點涂抹肥皂泡或吸槍的方法找到漏點。涂抹肥皂泡的檢漏靈敏度約為6.7 Pam3/s。吸槍法的檢漏靈敏度為10-2 Pam3/s~10-4 Pam3/s。壓力檢漏方法適用于判斷漏點較大以及便于操作的場合。

  2.2、環(huán)模設(shè)備容器真空度異常檢漏實例

  2.2.1、熱沉泄漏檢漏實例

  KM4 環(huán)模設(shè)備開展某型號熱試驗。粗抽結(jié)束后開啟低溫泵口閥門,利用低溫泵對容器進行抽氣,然后熱沉通入液氮,并啟動液氮泵。液氮泵工作正常后,容器真空度穩(wěn)定在4.2×10-3 Pa,不再變好。容器真空度不滿足試驗要求,于是開展檢漏工作。

  1)如圖3 所示,當熱沉管道內(nèi)壓力降低時,容器內(nèi)真空度隨之變好。當熱沉管道內(nèi)壓力升高時,容器內(nèi)真空度隨之變壞。據(jù)此初步分析為熱沉有漏;

  2) 打開四極質(zhì)譜計觀察容器內(nèi)殘余氣體譜圖(如圖4 所示,數(shù)據(jù)在圖中的右上角),發(fā)現(xiàn)氮峰明顯偏高,高于氧峰兩個量級,據(jù)此判斷不是容器漏,而是熱沉漏,與上面的判斷相符;

  3)通過逐路增壓、降壓的方法判斷出中部熱沉有漏;

  4)熱沉回溫后,將該路熱沉管道封閉,采用管道內(nèi)抽真空、對懷疑部位噴吹氦氣的方法進行檢漏,最終定位到漏點。

KM4 熱沉管道內(nèi)壓力及容器真空度曲線圖

圖3 KM4 熱沉管道內(nèi)壓力及容器真空度曲線圖(時間同步)

某型號試驗抽氣后容器內(nèi)殘余氣體譜圖

圖4 某型號試驗抽氣后容器內(nèi)殘余氣體譜圖

  2.2.2、環(huán)模設(shè)備容器本體泄漏檢漏實例

  KM6 環(huán)模設(shè)備開展某衛(wèi)星熱試驗。粗抽結(jié)束后開啟低溫泵口閥門,利用低溫泵對容器進行抽氣,容器真空度只能維持在5×10-2 Pa,不再變好,經(jīng)過比對分析認為容器有漏,于是開展檢漏工作。

  1)打開四極質(zhì)譜計觀察容器內(nèi)殘余氣體譜圖,氮氣、氧氣分壓比接近4:1,與空氣中氮氣、氧氣的分壓比較一致,因此判斷是空氣漏入容器所致;

  2)根據(jù)容器內(nèi)真空度較差的情況,考慮到用三臺低溫泵抽氣只能將容器真空度抽至5×10-2 Pa,經(jīng)估算漏率較大,決定首先排查本次試驗前有變動的法蘭,采用對可疑點噴酒精的方法進行排查;

  3)當噴到某法蘭上的一個KF16 快接口時,容器真空度對應變壞,據(jù)此找到漏點,重新安裝KF16 快接卡箍,容器真空度上升約兩個量級,泄漏問題得以解決;

  4) 采用對可疑漏點噴酒精的檢漏方法適用于所判斷的漏點較大時,當認為漏點較小時,噴酒精、看容器真空度變化的方法不一定適用。此時最好的方法是氦質(zhì)譜檢漏法。將氦質(zhì)譜檢漏儀接在分子泵及檢漏子系統(tǒng)的排氣管道上,采取對可疑點噴吹氦氣的方法進行檢漏。此方法對于大漏、小漏均有較高的靈敏度。

  2.2.3、真空設(shè)備泄漏檢漏實例

  2.2.3.1、粗抽閥門關(guān)不嚴導致的泄漏

  2012 年2 月,KM6 環(huán)模設(shè)備開展某衛(wèi)星熱試驗。轉(zhuǎn)入低溫泵抽氣后,容器真空度達到4×10-3 Pa后基本不再變化,經(jīng)分析認為是容器有漏。于是開展檢漏工作:

  1) 在分子泵排氣口連接檢漏儀,如圖5 所示。采用氦氣噴吹的方法對所有的法蘭連接處進行檢漏。首先排查動過的法蘭,沒有發(fā)現(xiàn)漏點。其次排查沒有動過的法蘭,也沒有發(fā)現(xiàn)漏點;

檢漏系統(tǒng)組成圖

圖5 檢漏系統(tǒng)組成圖

  2)在排除了法蘭連接處存在泄漏的可能后,將檢漏重點轉(zhuǎn)向與容器連接的各個閥門。當噴吹到粗抽閥門與粗抽管道連接處時,發(fā)現(xiàn)檢漏儀反應較大。據(jù)此判斷該閥門未關(guān)嚴。后經(jīng)計算,該處漏率為2.8×10-1 Pa·m3/s;

  3)啟動粗抽機組,對機組與閥門之間的管道進行抽氣,使粗抽閥門兩側(cè)壓差小于650 Pa 后,重新開關(guān)閥門,問題得以解決。

  本次是用氦質(zhì)譜檢漏的方法在逐步摸排中鎖定到粗抽閥門存在泄漏的。在實際工作中,當懷疑到粗抽閥門未關(guān)嚴而存在泄漏時,也可以采取將粗抽管道放氣或抽真空、觀察容器內(nèi)真空度變化的快捷方法來定位。如果粗抽管道放氣過程中容器內(nèi)真空度隨著變壞或者是抽氣過程中容器真空度隨著變好,則可以立即定位到粗抽閥門問題上。

  2.2.3.2、低溫泵工作異常導致的泄漏

  由低溫泵做為高真空抽氣設(shè)備的環(huán)模容器,當真空度發(fā)生異常后,按照上述各種方法仍然不能找到漏點時,可將懷疑的對象轉(zhuǎn)移到低溫泵自身上來。理論與實踐證明,當?shù)蜏乇玫亩壚漕^溫度因某種原因而升高至30 K 左右時,二級冷板吸附的部分成分的氣體會釋放,進入到容器中,導致容器真空度變壞。可通過關(guān)閉低溫泵泵口閥后觀察容器真空度變化的方法來判斷。

3、結(jié)論與展望

  環(huán)模設(shè)備檢漏不僅需要高精度的儀器設(shè)備,更需要結(jié)合工況,將多個參數(shù)綜合起來進行判斷。本文從容器本體、熱沉、真空系統(tǒng)設(shè)備等多個角度列舉了檢漏實例,希望能夠給有類似設(shè)備的單位以檢漏啟發(fā)。盡管利用各種方法最終完成了檢漏工作,找到了具體漏點并采取了補漏措施,但是在人力與時間的耗費方面也比較大,有時甚至是幾天時間才能夠找到漏點。環(huán)模設(shè)備一旦發(fā)生泄漏,往往要求用最短的時間將漏點找到,為實現(xiàn)此目的,今后擬在以下幾個方面開展工作:

  1)調(diào)研或研制對大漏反應敏感的傳感器(如光纖、超聲波),布置在容器內(nèi),組成傳感器網(wǎng)絡(luò),將容器分成若干個區(qū)域,當容器本體發(fā)生泄漏時能夠定位到小的區(qū)域,縮小檢漏范圍,實現(xiàn)快速定位;

  2) 在開展熱沉泄漏檢漏時往往使用正壓檢漏的方法,氣泡法與吸槍法都可以采用,但均有局限。因此擬在正壓檢漏方面開展相關(guān)工作,識別微小氣流,確保快速定位。