Способ испытаний изделий на суммарную негерметичность
METHOD OF TESTING PRODUCTS ON TOTAL LEAKAGE

Данное изобретение относится к способам испытаний изделий на суммарную герметичность с использованием пробных газов, вакуума и течеискателей, в частности к испытаниям изделий космической техники на герметичность, и может найти применение в таких областях техники, как газовое, атомное, авиационное машиностроение, где предъявляются повышенные требования к герметичности, долговечности и надежности изделий (баллонов высокого давления пневмогидросистем).
Известны способы-аналоги испытаний изделий на суммарную герметичность, основанные на измерении суммарного количества вещества, находящегося в испытываемом изделии при испытаниях. Согласно данным способам заполняют изделие контрольным веществом, например газом, до достижения заданного избыточного испытательного давления и делают контрольную выдержку, в течение которой измеряют суммарное количество вещества, находящегося в испытываемом изделии, а о степени герметичности испытываемого изделия судят по измеренному изменению суммарного количества вещества, находящегося в испытываемом изделии, например, измеряют давление газа в изделии, а о степени герметичности испытываемого изделия судят по измеренному спаду давления в изделии («ГОСТ 24054-80. Изделия машиностроения и приборостроения. Методы испытаний на герметичность. Общие требования (с Изменением №1)», М.: Издательство стандартов, 1980).
К недостаткам данных способов можно отнести их недостаточную чувствительность, не позволяющую осуществлять испытания изделий с высокими требованиями к степени герметичности, например, двигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА).
Известны также способы-аналоги испытаний изделий на суммарную герметичность, использующие измерение количества вещества, вытекающего из испытываемого изделия при испытаниях («Технология сборки и испытаний космических аппаратов». Под общей редакцией проф. И.Т. Белякова и проф. И.А. Зернова, М.: «Машиностроение», 1990, стр. 180-183). Принятым авторами прототипом предлагаемого изобретения является способ-аналог испытаний изделий на суммарную герметичность, согласно которому помещают в вакуумную камеру изделие, например баллон высокого давления в составе двигательной установки (ДУ) космического аппарата (КА), вакуумируют вакуумную камеру, подают в вакуумную камеру поток пробного газа, например гелия, для калибровки испытательной системы, включающей в себя вакуумную камеру, средства ее вакуумирования и измерительный прибор, например гелиевый масс-спектрометрический течеискатель; измеряют в вакуумной камере парциальное давление пробного газа, заправляют изделие смесью пробного газа с воздухом до испытательного давления, причем делают это в несколько этапов; после каждого из этапов заправки изделия делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, по достижении в изделии испытательного давления повторно измеряют парциальное давление пробного газа в вакуумной камере, а о степени негерметичности испытываемого изделия судят по измеренному приращению парциального давления пробного газа в вакуумной камере (патент РФ №2213945, G01M 3/00 (2006.01), опубликован 10.10.2003. «Способ контроля герметичности изделий». Липняк Л.В., Тройников В.И.).
Заправка в несколько этапов с выдержками на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой необходима для тех изделий, которые должны быть заправлены газом под высоким давлением при соблюдении ограничений на повышение их температуры в процессе заправки, например, для упомянутых выше баллонов высокого давления ДУ КА. При заправке таких изделий, в частности баллонов, происходит повышение температуры изделия при поступлении газа в баллон, поскольку поступающий в баллон газовый поток останавливается в баллоне, при этом кинетическая энергия газового потока преобразуется во внутреннюю энергию газа при остановке потока газа.
2
Повышение температуры баллонов в процессе их заправки до давлений в интервале от 100 до 150 кгс/см может достигать нескольких десятков градусов Цельсия и приводить к перегреву конструкции баллона, создающему потенциальную опасность выхода баллона из строя.
Металлический баллон за счет высокой теплопроводности металла довольно быстро остывает до температуры окружающей среды при выдержке после каждого этапа заправки, при этом время составляет около 1 ч.
Если же баллон изготовлен из неметаллических, например композитных материалов, то за счет невысокой теплопроводности материала баллона после каждого этапа заправки необходимо производить достаточно длительные выдержки для остывания баллона до температуры окружающей среды - от 5 до 10 ч.
Недостатком способа-прототипа является то, что точность и достоверность результатов испытаний снижаются при длительных выдержках на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, что происходит по следующим причинам.
В процессе вакуумирования вакуумной камеры с расположенным в ней изделием происходит постоянная дегазация изделия, т.е. откачка газов, в первую очередь, компонентов воздуха, адсорбированных поверхностями изделия, абсорбированных материалами терморегулирующих, теплозащитных полимерных покрытий и экранно-вакуумной теплоизоляции изделия, а также продуктов газовыделения самих материалов изделия. При продолжающихся несколько дней испытаниях значение суммарного газового потока от изделия может снижаться на порядок - с нескольких десятков тысяч до нескольких тысяч л⋅мкм рт. ст./с. Аналогичным образом при длительном вакуумировании изделия в вакуумной камере снижается и поток гелия как компонента атмосферного воздуха. Этот процесс находит отражение в постоянном дрейфе в сторону уменьшения показаний гелиевых масс-спектрометрических течеискателей, подключенных к вакуумной камере.
Дрейф показаний течеискателей в сторону их уменьшения может привести к заниженной оценке негерметичности изделия, что критично при высоких требованиях к герметичности изделия. При особо длительных выдержках на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой дрейф может привести и к получению не имеющих физического смысла отрицательных значений негерметичности изделия.
Кроме того, чувствительность течеискателей в ходе длительных многодневных испытаний может снижаться, т.е. приращение показаний течеискателя при подаче в вакуумную камеру одного и того же потока пробного газа может уменьшиться по прошествии нескольких дней испытаний. Снижение чувствительности течеискателей также ведет к заниженной оценке негерметичности изделия.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности определения значения негерметичности изделия.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности результатов испытаний изделий на суммарную герметичность, увеличение надежности изделий и их долговечности при эксплуатации, а также повышение экономической эффективности изготовления, подготовки и эксплуатации изделий.
Технический результат достигается тем, что предложенный способ испытаний изделий на суммарную герметичность заключается в том, что изделие помещают в вакуумную камеру с подключенным к ней течеискателем, вакуумируют вакуумную камеру, подают в вакуумную камеру эталонный поток пробного газа, измеряют приращение парциального давления пробного газа в вакуумной камере от поданного в вакуумную камеру эталонного потока пробного газа, измеряют парциальное давление пробного газа в вакуумной камере, в необходимое число этапов заправляют изделие смесью пробного газа с воздухом до заданного испытательного давления, после этапов заправки изделия делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, по достижении в изделии заданного испытательного давления повторно измеряют парциальное давление пробного газа в вакуумной камере, на каждом из этапов заправки изделия подают в вакуумную камеру эталонный поток пробного газа, измеряют приращение парциального давления пробного газа в вакуумной камере от поданного в вакуумную камеру эталонного потока пробного газа, измеряют парциальное давление пробного газа в вакуумной камере перед началом и после окончания каждого этапа заправки, вычисляют приращение негерметичности изделия на каждом этапе заправки на основании измеренных приращений парциального давления пробного газа в вакуумной камере на каждом этапе заправки и от поданного в вакуумную камеру эталонного потока пробного газа, суммируют вычисленные приращения негерметичности изделия на каждом из этапов его заправки, при этом при достижении в изделии заданного испытательного давления на последнем этапе заправки не делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, а о степени негерметичности испытываемого изделия судят по значению суммы вычисленных приращений негерметичности изделия на каждом из этапов его заправки.
Сущность изобретения поясняется таблицей 1, в которой приведена в качестве примера типичная последовательность операций при испытаниях шар-баллона на герметичность по предлагаемому способу.
Предлагаемый способ испытаний изделий на суммарную герметичность осуществляют следующим образом:
- изделие помещают в вакуумную камеру с подключенным к ней течеискателем;
- вакуумируют вакуумную камеру до достижения в ней стабильного высокого вакуума, необходимого для проведения измерений парциального давления гелия в вакуумной камере с помощью подключенного к вакуумной камере гелиевого масс-спектрометрического течеискателя;
- проводят первый этап заправки изделия смесью пробного газа с воздухом, при этом выполняют следующие действия:
а) подают в вакуумную камеру эталонный поток пробного газа - гелия;
б) измеряют при помощи гелиевого масс-спектрометрического течеискателя приращение парциального давления пробного газа в вакуумной камере от поданного в вакуумную камеру эталонного потока пробного газа;
в) измеряют парциальное давление пробного газа в вакуумной камере перед началом первого этапа заправки изделия;
г) заправляют изделие смесью пробного газа с воздухом. Давление в изделии в конце первого этапа заправки должно составить определенную долю от испытательного давления, например, 20%. Конкретное значение давления выбирают на основе компромисса между требованиями соблюдения ограничений на повышение температуры изделия в процессе заправки (обеспечивается при увеличении количества этапов заправки изделия) и обеспечения минимальной продолжительности испытаний (достигается при снижении количества этапов заправки изделия);
д) измеряют парциальное давление пробного газа в вакуумной камере после окончания первого этапа заправки изделия;
е) вычисляют приращение негерметичности изделия на первом этапе заправки на основании измеренных приращения парциального давления пробного газа в вакуумной камере на первом этапе заправки и от поданного в вакуумную камеру эталонного потока пробного газа;
ж) делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, которая может продолжаться, например, от 1 до 10 ч;
- проводят последующие этапы заправки изделия смесью пробного газа с воздухом необходимое число раз до достижения в изделии испытательного давления. На каждом из этапов выполняют действия по пунктам а)-ж), за исключением последнего этапа, на котором не делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой;
- суммируют вычисленные приращения негерметичности изделия на каждом из этапов заправки изделия;
- по значению полученной суммы судят о степени негерметичности испытываемого изделия.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение точности и достоверности результатов испытаний, поскольку в нем устраняется влияние на оценку степени негерметичности испытываемого изделия длительных переходных процессов - дегазации изделия и снижения чувствительности течеискателей - а именно:
- на каждом этапе заправки изделия для измерения приращения негерметичности изделия на этом этапе заправки используют результаты измерений парциального давления пробного газа в вакуумной камере перед заправкой изделия на данном этапе и после нее. В результате понижение парциального давления гелия в камере при длительной дегазации изделия практически не оказывает влияния на итоговую оценку степени негерметичности изделия;
- на каждом этапе заправки изделия в вакуумную камеру подают эталонный поток пробного газа, чем достигается снижение влияния такого фактора, как изменение чувствительности течеискателя в ходе длительных многодневных испытаний.
Пример реализации предложенного способа испытаний изделий на суммарную герметичность представлен в вышеупомянутой таблице 1.
Использование предлагаемого способа позволяет за счет повышения точности и достоверности результатов испытаний увеличить надежность изделий и их долговечность при эксплуатации.
Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.