复合材料整体油箱检测技术探究

陈勇刚

摘 要：为确保飞机装配的效率以及装配质量，因此比较轻便的复合材料钛合金在飞机设计及制造中获得了广泛地应用，复合材料及复合材料-钛合金夹层结构在主要承力件上应用成为飞机设计的趋势。复合材料作为整体油箱结构的气密和油密检测成为重中之重。本文介绍了氦质谱检漏和差压检漏法，并给出单点漏率临界带，对后续复合材料整体油箱检漏有一定的指导作用。

关键词：整体油箱;差压检漏;单点漏率

1引言

因此，复合材料是继铝、钢、钛之后，又一新兴航空结构材料。从波音787开始，飞机机体开始大量采用复合材料，空客A350改进型A350XWB的复合材料用量已成倍增加;波音787、A380和F35等飞机采用复合材料机翼，取得明显的减重效果。在我国已研制的飞机结构中，复合材料的用量均较少，大型主承力结构如复合材料中央翼盒等的制造在我国还很薄弱。一般来说针对不同的材料选取的制孔工艺也存在相应的差别，材料的物理化学特性直接影响钻削热和钻削力，因此复合材料整体油箱的检漏和排漏就成为确保飞机产品质量的关键环节。

2氦质谱差压检漏原理

氦质谱差压检漏是将被测物与已确认无泄漏的基准物（或设备内置的基准物）通过管路连接至差压传感器的两端，然后以测试压力对被测物与基准物同时进行充气（按一定比例混合好的氦气-空气混合气体），充气至测试压力后停止，这时差压传感器两端压力相等，经过一段时间后，有漏的被测物，即使是微小泄漏，其与不漏的基准物之间也会产生压力差，此压力差可通过差压传感器检测到，经由差压检漏仪将这一输出信号检出、放大并计算出被测物的具体漏气量，进而根据设定的气密性标准判定出被测物是否合格，最后将这些信息传送给操作人员。由于它采用差压传感器测量压力差的检测方式，检测精度与充至被测物的测试压力无关，能获得较高的检测精度。

3 试验结果分析

3.1 将氦质谱差压检漏技术应用于大容积容器的泄漏检测，在不同漏率下，均能得到准确的检测结果，且随着检测时间的成倍增长，检测结果值成倍增加;

3.2 通过油箱模拟件上进行不加漏孔，加漏孔1和加漏孔2的实验数据，差压检测数据与气密实验车的检测结果对比来看，当差压达到200Pa时，通过气密实验车无法确定是否存在泄漏情况，只有当差压值达到500Pa以上时，气密实验车的指针式压力表才发生可分辨的偏转，由此才能判定泄漏情况;

3.3 相对于气密实验车上量程100kPa，最小一格0.5kPa的指针式压力表，差压检漏系统最小可精确到1Pa。目视观察指针式压力表变化的气密压降检测方法，能够更有效的提高检测精度和检测效率;

3.4 差压检漏检测结果的数字显示及检测数据的自动保存，也要比指针式压力表的读数方式更客观，结果更准确，操作更方便快捷，排除了人为因素的影响。

与当今诸多检漏方法（如气泡法、卤素检漏法等）相比，氦质谱检漏方法的效率和可靠性最高。它将可疑漏点与氦质谱检漏仪中的质谱室连为一个密封的空腔，将空腔抽至真空（10Pa以下）后，若有漏点，氦气经漏点进入空腔，并扩散至质谱室，经电离、加速、聚焦、偏转后，由接收极接收，即可确定漏点位置。检漏仪还可以根据接收到的氦离子浓度，指示出该漏点处氦气的漏气率大小。

和原有气密实验相比，氦质谱差压法具有检测精度好、可靠性强、检测效率高、检测指标可以量化等优点。依据原有气密实验检查指标，可初步确定与原有气密实验检测等同的差压法的检测指标为：15分钟保压检测，差压值不大于500Pa，相当于每分钟33.3Pa。试验证明差压检漏可以完全替代原有直压检测方法，可以高效、精确的进行复合材料油箱的密封检测。

4单点漏率的确定

整体油箱密封检测进行检测整体漏率检测后，为确保油箱不漏油，还需对泄露点进行单点漏率检测。为了确定复合材料油箱的单点漏率，进行标准漏孔试验。

通过12组试验进行漏孔漏率分析，因数据分布密集，因此漏孔漏率相同或相近，检测结果也相同的，通过试验数据可以得出：

测试压力为24.2kPa 时，标准漏率大于10-6Pa.m3/s量级的漏孔，都呈现漏油现象，标准漏率小于10-6Pa.m3/s量级，没有渗油现象;

标准漏率为10-6Pa.m3/s量级的漏孔，在24 小时检测时间中;1×10-6Pa.m3/s ～5×10-6Pa.m3/s之间的漏孔，在漏孔下端聚集较小液滴，但未发生油滴滴落的现象，存在泄漏的概率较小;6×10-6Pa.m3/s ～9×10-6Pa.m3/s之间的漏孔，会形成较小液滴，会有部分滴落，存在泄漏的概率相对较大;

漏油与不漏油的临界状态所对应的标准漏率，为一个临界带，在1×10-6Pa.m3/s到8×10-6Pa.m3/s之间，而不是单独的某一个临界点，在临界带内，漏油情况也呈现临界状态。

通过标准漏孔试验，在标准漏孔在压力24.2kPa下，煤油渗漏与否的临界漏率值指标初步定为1×10-6Pa.m3/s～8×10-6Pa. m3/s。

5油密检测

油箱检漏的目的是确定油箱的密封性，从而确定航空煤油的泄漏点并进行工艺修补。经氦质谱细漏检测获得的漏率并不是航空煤油的漏率，因此需要确定一个对比的标准，标定煤油泄漏所对应的氦质谱检漏的最小漏率值。

油密实验是先向油箱中充入一定比例的煤油，采用常压煤油渗透检漏，然后向油箱内加压，采用加压煤油渗透检漏，进行漏源定位;这些方法存在著精度低、成本高、定量困难、效率不高、有安全隐患等不足。因此，需要寻找检测精度和效率较高、安全可靠的先进泄漏检测技术来替代原有方法，以提高整体油箱的检测水平和生产效率。通过油密试验来验证临界漏率是否适用于复合材料油箱的油密检测。

试验数据分析

标准漏率大于10-6Pa·m3/s量级的漏孔都存在漏油情况，如漏点A、B、C;从图7、8、9中可以观察到发生泄漏的情况，其中图7漏点A的氦质谱检测漏率数据最大，发生漏油的漏量也最大，形成较大的液滴，且滴落。

标准漏率小于10-6Pa·m3/s量级的漏点没有观察到漏油情况，如漏点D;从图10未观察到漏油现象。

按照油密实验的初步结论：测试压力为24.2kPa，标准漏率1×10-6Pa·m3/s作为判断漏油的临界漏率的指标。该指标在油箱模拟件上验证是适用的。

6整体油箱检漏方案

整体油箱，在实际生产中，由于各种不确定的因素，使得一些螺栓和夹层处的密封性达不到要求，因而存在漏油的现象。为了解决这一问题，有必要对油箱进行密封性检测，找出准确的漏点并加以修补。采用试验件对机翼整体油箱漏率进行摸索，整体油箱试验件检漏总体上分为两个部分：一是粗漏漏点检测与工艺修补;二是氦质谱细漏检测。

6.1 粗漏检测方法

粗漏检测过程涉及的主要设备有压缩空气气源、自动配气平台、控制阀等，其检测示意图如图8所示。试验时，首先接通压缩空气气源，启动整体油箱快速检漏设备，设定充气气压。充气过程结束后，稳压15min，观测检漏设备上的压降曲线，确定是否存在粗漏。若压降明显，说明有粗漏漏点存在。经肥皂泡方法确定粗漏漏点位置后，利用涂密封胶的方法对粗漏漏点进行工艺修补，重复检测修补后，至油箱试验件在规定时间内的压降符合技术要求后，可以进行氦质谱细漏檢测。

6.2 细漏检测方法

油箱试验件的细漏漏点采用正压法检测。试验时，向油箱试验件内部充入氦气和压缩空气的混合气体，使油箱内部压力大于外界大气压，如果有漏点存在，氦气就通过漏点泄漏出来，用吸枪进行探测，就能确定是否存在泄漏。

细漏检测过程涉及的主要设备有压缩空气气源、氦气气源、自动配气平台、氦质谱检测仪、吸枪、罩盒、控制阀等，其检测示意图如图10所示。本试验采用正压法对油箱试验件进行氦质谱细漏检测。

试验时，接通压缩空气气源和氦气气源，通过整体油箱快速检漏设备，设定配气比例和充气压力（如图11所示），分别向油箱试验件内部充一定气压的混合气体，使油箱内部压力大于外界大气压，如果有漏点存在，氦气就会通过漏点泄漏出来，再利用氦质谱检测仪（如图12、图13所示），配合吸枪和罩盒沿连接件表面进行检测，就能确定是否存在泄漏和具体的漏率大小。

7检漏安全措施

安全生产是现场生产的关键，也是保证产品质量的重要基础。

a.混气罐上装有压力传感器，超过设定压力上限则切断气源进口，低于设定压力下限则开启气源进口，保证配气压力的稳定;

b.驱动气源装有压力开关，驱动气源过低，将会报警提示，避免驱动压力过低导致的气控阀门误动作;

c.设备与被测产品相连接的充气口处设置有两级压力开关，一旦被测产品内压力超过设定压力，系统就会自动切断驱动管路、充气管路，切断充气阀门、停止充气，避免异常充压过高导致被测产品损坏;

d.系统配备了急停开关与蜂鸣器。异常情况可人为按动急停开关，将系统恢复到安全状态。蜂鸣器在异常状态时，提供了声光报警，使操作人员能够及时的发现异常情况，并加以解决。

8结束语

差压检漏技术研究和单点漏率差压检漏技术完全可以应用于整体油箱总漏率的检测上，其高精度、高可靠性、高检测效率和可以量化指标的优点非常适合进行大型客机的整体油箱检漏，也可推广至其他整体油箱机型。

大型客机中央翼整体油箱的密封是保证飞机重要部位密封质量的关键，所以我们需要将先进密封技术和先进的密封检测技术逐渐引入C919中央翼项目中，提高整体油箱的密封质量，实现飞机中央翼整体油箱渗漏点的快速定位检测与修补，利用现有手段并进行创新，制定大型客机的密封方法，形成先进密封、检测体系，保证中央翼的高质量、高效率装配。

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