СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ЕМКОСТИ ПРИ КРИОГЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА
METHOD FOR CONTAINER LEAKAGE DETERMINATION AT CRYOGENIC TEMPERATURE IN VACUUM

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в других областях техники, где возможна эксплуатация емкостей при низких температурах.
При эксплуатации ракет-носителей, в состав которых входят криогенные емкости, предъявляются повышенные требования к герметичности емкостей.
Особенно эти требования актуальны для ракетных разгонных блоков, работающих длительное время в космических условиях.
Испытания криогенных емкостей в условиях обычных температур зачастую бывают недостаточными, т.к. в условиях криогенных температур неплотности в конструкции емкостей (микронеплотности в основном материале емкостей, в сварных швах, в разъемных соединениях и т.д.) могут раскрываться, в результате чего появляются микротечи, через которые возможно натекание криогенного компонента в экранно-вакуумную теплоизоляцию, установленную на криогенную емкость, значительно снижая ее теплофизические свойства.
Известен способ определения негерметичности элементов пневмогидросистем при нормальных условиях, работающих при избыточном давлении, включающий подачу контрольного газа (гелия) во внутреннюю полость испытываемого элемента пневмогидросистемы и определяющий негерметичность по натеканию гелия в вакуумную камеру, который принят за прототип (см. Вакуумная техника. Справочник. Под общей редакцией Е.С.Фролова и В.Е.Минайчева. М.: Машиностроение, 1992, стр.449).
Известный способ не дает возможности определить негерметичность емкости при криогенных температурах в условиях вакуума.
Задачей предложенного способа является определение негерметичности емкости при криогенной температуре в условиях вакуума в наземных условиях, т.е. в условиях, близких к условиям штатной эксплуатации емкости.
Задача решается за счет того, что в способе определения негерметичности емкости при криогенной температуре в условиях вакуума, включающем размещение емкости в вакуумной камере, подачу гелия в емкость, сначала вакуумируют вакуумную камеру, затем емкость заправляют криогенным компонентом и надувают емкость захоложенным гелием, вытесняя криогенный компонент. Слив криогенного компонента ведут последовательно по зонам. Каждая зона содержит в себе элементы конструкции емкости (фланцы, гермовыводы, люки и т.п.), в которых может быть обнаружена негерметичность, т.е. потенциальные места негерметичности. Контроль температуры криогенного компонента в каждой зоне ведут с помощью датчиков температуры, контролирующих достижение температуры стенки емкости, обеспечивающей раскрытие микронеплотностей, после чего ведется слив криогенного компонента из следующей зоны. Величину негерметичности каждой зоны определяют вычитанием из величины негерметичности последующей зоны величины негерметичности предыдущей зоны. После полного слива криогенного компонента из емкости с помощью контрольной аппаратуры, регистрирующей гелий, замеряют суммарную негерметичность емкости в целом. При превышении суммарной величины негерметичности емкости выше допустимой величины ведут поиск места повышенной негерметичности емкости в той зоне, где величина негерметичности максимальна.
На чертеже схематично представлено устройство для определения негерметичности емкости при криогенной температуре в условиях вакуума.
1 - емкость;
2 - вакуумная камера;
3 - контрольная аппаратура;
4 - трубопроводы;
6 - датчики температуры;
7 - теплообменник;
8 - дренажный клапан;
9 - наддувная магистраль;
10 - крышка люка-лаза;
11 - заправочная магистраль;
12 - заправочный клапан;
13 - сливной клапан;
14 - подставка;
15 - расходный клапан;
16 - зоны;
17 - газовая подушка.
В способе определения негерметичности емкости 1 при криогенной температуре в условиях вакуума, включающем размещение емкости 1 в вакуумной камере 2, подачу гелия в емкость 1, сначала вакуумируют вакуумную камеру 2, затем емкость 1 заправляют криогенным компонентом и, надувая емкость 1 захоложенным гелием, ведут слив криогенного компонента последовательно по зонам 16. После освобождения очередной зоны 16 от жидкой фазы криогенного компонента с помощью контрольной аппаратуры 3, регистрирующей гелий, замеряют негерметичность по натеканию гелия из освобожденных от криогенного компонента зон 16 в вакуумную камеру 2, а после полного слива компонента из емкости 1 с помощью контрольной аппаратуры 3, регистрирующей гелий, замеряют суммарную негерметичность емкости 1 в целом.
Емкость 1 внутри вакуумной камеры 2 устанавливают на подставку 14, обеспечивая минимальный теплоприток к емкости 1 (например, термомостами). Связь емкости 1 с вакуумной камерой осуществляется с помощью трубопроводов 4.
Вакуумирование вакуумной камеры 2 значительно снижает теплопритоки к емкости 1. Кроме того, вытеснение криогенного компонента из емкости 1 в процессе его слива обеспечивают, например, захоложенным с помощью теплообменника 7 газообразным гелием с целью поддержания необходимой криогенной температуры в газовой подушке 17 емкости 1. Гелий захолаживают при помощи подачи криогенного компонента (например, жидкого азота) в полость теплообменника 7.
Из опыта известно, что микронеплотности, например, в оболочках их алюминиевых сплавов проявляются при температуре ниже минус 170°С, в результате чего при наличии микронеплотностей в емкости 1 гелий проникает в полость вакуумной камеры 2 и регистрируется контрольной аппаратурой 3 (например, гелиевым течеискателем), с помощью которой определяют величину негерметичности.
Сливая криогенный компонент по зонам 16 открытием сливного клапана 13 и/или расходного клапана 15, определяют величину негерметичности в каждой зоне 16 емкости 1 следующим образом.
Определив величину негерметичности в первой зоне 16, сливают криогенный компонент из последующей зоны 16 и определяют суммарную негерметичность двух зон 16. Вычитая из суммарной величины негерметичности величину негерметичности первой зоны 16, получают величину негерметичности второй зоны 16. Такими последовательными действиями определяют величины негерметичности каждой зоны 16.
После полного слива криогенного компонента определяют суммарную негерметичность емкости 1 при криогенной температуре. При величине негерметичности ниже допустимой негерметичности криогенную емкость 1 допускают к дальнейшей эксплуатации.
При негерметичности выше допустимой величины, зная негерметичность в каждой зоне 16 емкости 1, производят поиск течей и в зоне с наибольшей величиной негерметичности устраняют их, после чего повторяют операции определения негерметичности емкости 1 при криогенной температуре.
Датчики температуры 6, например, могут быть наклеены на поверхность емкости 1, которыми обеспечивается контроль температуры стенки емкости 1 в каждой зоне 16 криогенного компонента.
-3
После помещения в вакуумную камеру 2 емкости 1 и вакуумирования полости вакуумной камеры 2, например, до давления 1·10 мм рт.ст. емкость 1 заправляют подачей криогенного компонента через заправочную магистраль 11 последовательным открытием дренажного клапана 8 и заправочного клапана 12 емкости 1, контролируют температуру стенки емкости 1 датчиками температуры 6. Окончание заправки емкости 1 определяют, например, по резкому повышению давления в емкости 1. В емкости 1 создают газовую подушку 17 с большим содержанием газообразного гелия путем наддува ее гелием и определяют негерметичность верхней зоны 16 емкости 1 после выдержки (например, около 10 минут).
Как правило, на верхнем уровне находятся соединения дренажного клапана 8, наддувной магистрали 9, крышки люка-лаза 10 и другого оборудования с оболочкой криогенной емкости 1.
Далее, определяя температуру датчиками температуры 6, контролирующими температуру стенки емкости 1, например, не выше минус 170°С, поступает команда на срабатывание соответствующих клапанов, в результате чего ведется слив криогенного компонента из следующей зоны 16 через сливную магистраль 5 открытием сливного клапана 13 и подачей гелия в газовую подушку 17 емкости 1. Получают суммарную негерметичность по двум зонам 16 емкости 1. Далее последовательно проводят слив по всем зонам 16 с определением суммарной негерметичности зон 16, освободившихся от жидкой фазы криогенного компонента.
В итоге после завершения слива криогенного компонента получают величины негерметичностей по каждой зоне 16 емкости 1 и негерметичности емкости 1 при криогенной температуре в целом, при этом на протяжении всего процесса контролируется криогенная температура датчиками температуры 6, обеспечивающая раскрытие микронеплотностей.
-2
По завершении слива криогенного компонента и определения негерметичности емкость 1 отогревают при давлении в вакуумной камере 2 не более 1·10 мм рт.ст. для исключения выпадения конденсата.
В случае если уровень сливного клапана 13 находится выше уровня расходного клапана 15, завершение слива криогенного компонента ведут открытием расходного клапана 15.
Предлагаемый способ позволяет определить негерметичность емкости 1 при криогенной температуре в наземных условиях, при этом используется вакуумирование вакуумной камеры, в которую помещают емкость 1 в процессе испытаний, т.е. в условиях, близких к условиям штатной эксплуатации емкости 1 в составе, например, ракетного блока, работающего длительное время в космических условиях.