大型密封容器高精度气密性检查方法初探

刘 平，王相玉，曾 飞

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999）

1 引言

气密性指的是零件对气体或液体的泄漏程度[1]。随着科学技术的进步和相关制造、装配、使用质量要求的不断提高，气密性检测技术被广泛应用在各个行业，包括汽车工业[2]、航天航空工业[3-5]等领域。漏率通常作为衡量气密性的物理量[6]。中国航天工业总公司航天工业行业标准QJ 2592-94《弹头气密性检查实验方法》、QJ 2706-95《弹道式导弹弹头总装、测试和验收通用技术条件》、QJ 3010-98《导弹内外压气密性实验方法》均对不同对象的气密性检查方法给出了详细规定。而通常对于有气密性要求的容器而言，漏孔的截面形状和位置都有随机性。常见的漏孔主要包括零部件本身的焊缝及与管路连接的焊缝，螺栓连接及可拆密封处发生划伤、存在杂质，动密封构件发生磨损，材料本身缺陷造成的隐性漏孔等。因此，根据不同容器的特点，选择合适的气密性检测方法，从而灵活、方便地检测出漏孔和定量描述气密性是非常重要的。

对于大型密封容器而言，容积大，焊缝和接口多，气密性检查方法耗时长，其气密性检查存在一些难点。气密性检测是一个复杂的过程，需要操作者具有丰富的经验，且容器本身的热力学特性是影响检测的难点。针对不同气密性检查方法的优缺点，检测前需根据实际的容器特点选择合适的检漏方法。目前比较常用的方法是压力监测法和气体探测法。由于大容器容积大，温度和自身容积在充气过程中变化大，在实际测量中，温度、容积、压力的变化都会导致测量误差，对气密性检查结果影响较大。

综上，寻找一种快速灵敏且精确高效的气密性检查方法来适用于大型密封容器是非常必要的。开展了可靠性气密性检查试验研究，并提出了可靠性保证的气密性检查方法，适用于在工程使用中的快速检测。

2 研究方法

2.1 氦质谱检漏法

氦质谱检漏法的检测仪器包括氦质谱检漏仪、喷枪、密封探测器、氦气瓶及软管等。大容积容器氦质谱检漏法的示意图。将容器充氦气至一定压力，用喷枪对容器各个焊缝、连接接口等可能漏点部位进行局部漏孔探测，找到局部漏率的薄弱环节，如图1所示。然后封堵密封探测器，保压40min，用喷枪对密封探测器内进行探测，测量整体漏率。当容器漏率达到要求，如不大于10-3Pa·m3/s，则气密性合格。

图1 氦质谱检漏法操作示意图Fig.1 Operation Schematic Diagram of Method with Helium Mass Spectrum

2.2 压力监测法

压力监测法的测试仪器采用新型高洁净度气源与气密性检查装置[7]、软管及氮气瓶（气源要求为氮气时）等，该气密性检查装置可以实现气体干燥、抽换气、压力监测法等功能。压力监测法的操作示意图，如图2 所示。通过气密性检查装置向容器充气至一定压力（QJ2592-94），待压力稳定后（消除温度影响），对容器在保压时间内的压力进行实时监测。保压时间内压降为0.04MPa，容器的气密性合格。

图2 压力监测法操作示意图Fig.2 Operation Schematic Diagram of Air Pressure Method

3 实验与分析

图3 被测容器示意图Fig.3 The Diagrammatic Sketch of Tested Cabin

针对某型特定柱形大容积容器开展实验研究，其容积大于100L，被测容器，如图3 所示。容器内壁覆盖高分子防热层，内部安装电子元器件。容器漏率设计指标为＜10-3Pa·m3/s。压力监测法采用高精度压力表不确定度为0.2%，量程为（-0.1～1）MPa。压力监测法采用的仪器为洁净正负压气源及气密性检查装置，可测量满足0.04MPa 的压降，达到10-1Pa·m3/s，不能测量满足容器漏率要求的漏率。氦质谱检漏仪本底漏率为10-7Pa·m3/s，可测量满足漏率要求的漏率。

3.1 可靠性实验

根据GB/T 4087-2009《数据的统计处理和解释二项分布可靠度单侧置信下限》，采用可靠性模型评估，保证至少0.8（置信度为0.7）的可靠度，所需实验次数至少为6 次。因此，开展6 次重复性的气密性检查实验，每轮实验流程，如图4 所示。为保证实验条件的一致性，避免装配条件不一致导致的误差，在满足装配要求的情况下随机装拆螺栓连接件。为避免人为因素、仪器设备不同引起的系统误差，尽可能固定实验考察因素。

图4 单次可靠性实验流程示意图Fig.4 The Flow Chat of Single Reliability-Experiment

在实验中测量的项目包括压力监测法测量的压降和氦质谱检漏法测量的漏率。其中，压力监测法具体测试仪器和操作流程见2.2 节，氦质谱检漏法具体测试仪器和操作流程见2.1 节。采用压力监测法测量压降，若压降＜0.04MPa，则压力监测法成功。容器的薄弱环节是相对较大的螺栓连接接口和密封元件的连接接口，如图3 所示。采用氦质谱检漏法测量这两处的局部漏率，以分析漏率薄弱环节；并测量整体漏率，当整体漏率满足要求，则氦质谱检漏法成功。两种测量方法均满足要求，则单次实验成功。

实验结果表明，6 次实验均成功测得数据，压降均满足小于0.04MPa，局部漏率和整体漏率均满足小于10-3Pa·m3/s 的要求，因此6 次实验均取得成功，可靠度得到保证。

3.2 结果分析

3.2.1 压力监测法结果分析

压力监测法实测数据保证粗检无大漏。压力监测法采用的压力表的最大允许误差为0.00224MPa，其中，显示读数为当前压力。压降数据为二次计算结果，根据误差传递公式，压降误差为（取0.004MPa）。因此，压降数据的实测数据应该考虑±0.004MPa 的误差。

在实验过程中，压力监测法实施相对比较简单，使用仪器少，不存在气体残留，耗时短，但是在精度保证等方面存在问题：

（1）精度低。根据仪器和相关标准要求，压降0.04MPa 只能保证10-1Pa·m3/s 的精度，漏率保证较低。

（2）测量误差：①温度变化：在实际抽换气操作中，容器容积大，由于充气过程中气体膨胀，容器内气体有温升，在保压过程中有气体的温度平衡，保压过程中气体温度变化会导致压力变化。②容积变化：容器中一些部组件中存在一些小间隙，部分组件内有相对封闭的空腔，保压过程中气体将缓慢进入这些部位，导致压力降低。

上述因素将导致压力变化，从而影响压力监测法测试的精度。为减少以上测量误差，在压力监测法实验的初期，让容器内部气体处于热平衡状态以及部分空腔内气体平衡，不记录这段平衡时间内的压力变化。待平衡后再记录压力变化，结果更准确。

（3）保压时间：理论上而言，测试时间越长，压降对应计算的漏率越精确。而对应的漏率每降低一个量级，保压时间需要增加10 倍。对于实际操作而言，将压力检测法的对应漏率要求降低一个量级，则需要保压时间增加10 倍，付出的时间成本过大。

3.2.2 氦质谱检漏法结果分析

实验过程中氦质谱检漏法测得的漏率均满足要求，可保证一定可靠度下的高精度漏率。氦质谱检漏法精度高，可检测到10-7Pa·m3/s 的漏率，能够方便、灵敏地检测局部漏点，整体漏率受保压时间影响小，但还存在以下问题：

（1）氦气残留：容器中采用的大量的高分子材料对对氦气的吸附漏率高[8]。若氦质谱检漏完成后未采取措施使得氦气完全挥发，残留氦气对容器内部相关部件造成影响；或影响下次氦质谱检漏结果，导致气密性评估不准确。

（2）使用仪器多：包括质谱检漏仪、密封探测器、氦气瓶、橡胶软管等，相比于压力监测法，大大增加操作复杂度。

（3）耗时长：进行整体漏率需要保压较长时间。除了氦质谱检漏法本身进行漏率标定、保压耗费的时间，检测完成后去除残留氦气需要远大于检测本身的时间。鉴于容器本身的特殊性，不能采用高温烘烤来加速氦气挥发[8]，因此实验中至少需14 小时才能释放完全大容器中的残留氦气。实际工程使用中不希望耗费太多时间来进行气密性检查。

3.2.3 工程使用方法确定

针对大容积容器的特点，充分开展了实验研究不同气密性方法对当前容器的适用性。单一的气密性检查方法在开展大容积容器的气密性检查方面都存在一定不足。压力监测法适合工程应用，但是测量中影响因素多，在保证和提升精度方面存在困难。氦质谱检漏法精度高，但有气体残留、操作复杂且耗时长。因此，结合可靠性研究试验的数据结果，提出当前容器选择的气密性检查方法为：采用压力监测法的现场检测数据来保证可靠度，而氦质谱检漏法的实验数据用来保证高精度的漏率。这种可靠性方法综合了两种方法的优点，来达到快速高效且保证漏率的要求。采用此方法可以规避大容积容器实际工程使用过程中气密性检查方法的困难，也可以在一定可靠度下保证漏率精度。

开展第7 次气密性检查实验，用来验证上述可靠性方法。先开展的压力监测法实测数据小于0.04MPa，试验取得成功。综合可靠性实验的结果即可保证容器的漏率满足＜10-3Pa·m3/s 的量级要求。最后，开展了氦质谱检漏法进行验证，实验测得的局部漏率和整体漏率均满足要求，验证了可靠性方法的适用性。

因此，针对大容积容器，在实际工程使用中只需采用压力监测法进行气密性检查，并在前期采用氦质谱检漏法开展可靠性研究实验。

4 结论

大容积容器焊缝多、螺栓连接接口和密封接口多，对气密性检查方法提出了更多的挑战。单一的气密性检查方法在实际应用中都存在一定的不足，为了更快捷方便精确地进行实际检测，对容器开展可靠性气密性检查实验，在满足可靠度的基础上选取合适的方法。采用高精度氦质谱检漏法进行可靠性实验研究，排除薄弱环节，保证一定可靠度下的高精度漏率；采用压力监测法开展现场检测，大大简化操作流程。

（1）对大容积容器的实际检测过程中发现，压力检测法精度低，测量误差随温度、容积变化大，保压时间长；氦质谱检漏法有氦气残留、使用仪器多、耗时长。

（2）通过可靠性方法开展6 次高精度氦质谱检漏法和压力监测法进行大容积容器的气密性检查，可以保证0.8（置信度为0.7）的可靠度下漏率小于10-3Pa·m3/s。

（3）结合单一方法的分析及可靠性研究试验的结果，开展第7 次压力监测法检验漏率及氦质谱检漏法验证漏率，表明了可靠性方法的适用性。

（4）采用的方法开展气密性检查，弥补了单一气密性检查方法针对大容器开展的气密性检查方法的不足，既保证漏率又简化了操作。