СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
METHOD OF TESTING PRODUCTS FOR SEALING

Изобретение относится к испытательной технике и позволяет испытывать на герметичность полые изделия без подключения к их внутренней полости при закрытой запорной арматуре, например баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах.
Известен способ испытания изделий на герметичность (авторское свидетельство СССР №1546863, кл. G01М 3/06, опубл. 28.02.1990) путем соединения изделия с воздушной полостью барботера, выбора ресивера из условия обеспечения выделения пузырьков при допустимой утечке из изделия известного объема с заданной погрешностью, соединения ресивера с трубкой барботера, одновременного заполнения ресивера, изделия и барботера газом под контрольным давлением, регистрации выделяющихся из трубки барботера пузырьков газа, по которым судят о негерметичности изделия.
Однако этим способом невозможно испытывать на герметичность изделия без подключения к их внутренней полости, например баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах потому, что при испытании изделия на герметичность известным способом происходит обязательное соединение внутренней полости изделия с воздушной полостью барботера.
Известен способ испытания изделий на герметичность (ГОСТ Р 51753-2001. Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах. Общие технические условия. -М.: ИПК Издательство" стандартов, 2001, с. 20. - подпункт 7.1) путем погружения в ванну с водой, нагружения контрольным газом до давления Р и выдержки не менее 1 мин. При испытании не допускается выделение пузырьков контрольного газа на поверхности баллона или в местах соединений с запорной арматурой.
Однако при этом способе испытания оценка герметичности проводится визуально по появившемся на поверхности баллона пузырькам, а не по измеренному объему утечек газа, как обычно проводится при испытании изделия на герметичность (ГОСТ Р 54808-2011. Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов. -М.: Изд-во Стандартинформ, 2012, с. 42), а также не проверяется герметичность запорной арматуры в закрытом состоянии, расположенной на изделии.
Технический результат изобретения - повышение достоверности испытания изделия без подключения к его внутренней полости при закрытой запорной арматуре за счет получения конкретных значений - негерметичности изделия по объему контрольного газа, вошедшего в изделие.
Поставленная задача решается тем, что при испытании изделий на герметичность путем выбора ресивера из условия обеспечения выделения пузырьков при допустимой утечке из изделия известного объема с заданной погрешностью, соединения ресивера с трубкой барботера, регистрации выделяющихся из трубки барботера пузырьков газа, по которым судят о негерметичности изделия, закрывают при атмосферном давлении расположенную на изделии запорную арматуру, изделие располагают в основной камере, которая соединена с воздушной полостью барботера и с дополнительной камерой, равной по объему основной камере, в дополнительной камере располагают эталонное герметичное изделие, равное по объему испытываемому на герметичность изделию, основной ресивер соединяют с дополнительным ресивером, объем которого равен объему основного ресивера, заполняют контрольным газом от источника газа дополнительный ресивер, дополнительную камеру и барботер до давления в два раза большим испытательного, отключают их от источника контрольного газа и дополнительный ресивер от дополнительной камеры, к дополнительному ресиверу подключают основной ресивер, а к дополнительной камере подключают основную камеру, после чего отключают дополнительную камеру от основной камеры и дополнительный ресивер от основного ресивера, разобщают газовые полости барботера и его трубки и подключают основную камеру к барботеру.
На чертеже схематично изображено устройство для реализации способа испытания изделий на герметичность.
Устройство содержит барботер 1 с прозрачной стенкой, воздушная полость которого соединена через вентиль 2 с основной камерой 3, в которой расположено изделие 4, испытываемое на герметичность. Основная камера 3 через вентиль 5 соединена с атмосферой. Трубка 6 барботера 1 через вентиль 7 соединена с воздушной полостью барботера 1 и через вентиль 8 соединена с основным ресивером 9. Основной ресивер 9 через вентиль 10 соединен с дополнительным ресивером 11. Основная камера 3 через вентиль 12 соединена с дополнительной камерой 13, в которой расположено эталонное герметичное изделие 14 из группы испытываемых на герметичность изделий, равное по объему испытываемому на герметичность изделию 4.
Источник 15 контрольного газа соединен через вентиль 16 и вентиль 8 с основным ресивером 9, через вентиль 17 - с дополнительным ресивером 11, а через вентиль 18 - с дополнительной камерой 13. Объем основного ресивера 9 выбирают исходя из условия обеспечения выделения пузырьков газа в жидкости барботера 1 при допустимой утечке из изделия известного объема с заданной погрешностью. Объем дополнительного ресивера 11 выбирают равным объему основного ресивера 9. Объем дополнительной камеры 13 выбирают равным объему основной камеры 3.
Способ реализуется следующим образом.
p
u
p
u
3
3
Исходя из объема изделия 4, допустимой утечки и заданной погрешности измерения определяют объем основного ресивера 9 по формуле (авторское свидетельство СССР №1546863, кл. G01М 3/06, опубл. 28.02.1990) V=V[(100/β)-1], где V - объем ресивера, м, V - объем изделия, испытываемого на герметичность, м, β - абсолютная погрешность измерения, %.
Закрывают при атмосферном давлении расположенную на изделии 4 запорную арматуру и размещают изделие в камере 3. Закрывают вентили 2, 5, 8, 10, 12, 16, 17 и 18. Открывают вентиль 7 и соединяют трубку 6 барботера с воздушной полостью барботера 1. Дополнительный ресивер 11, дополнительную камеру 13 и барботер 1 с трубкой 6 заполняют контрольным газом давлением, в два раза большим давления, при котором осуществляют испытания изделия 4 на герметичность. Для этого открывают вентили 16, 17 и 18, соединяя источник 15 контрольного газа с дополнительным ресивером 11, дополнительной камерой 13 и барботером 1 с трубкой 6.
Закрывают вентили 16, 17 и 18 и отключают дополнительный ресивер 11, дополнительную камеру 13 и барботер 1 с трубкой 6 от источника 15 контрольного газа, а также отключают дополнительный ресивер 11 от дополнительной камеры 13. Открывают вентили 10 и 12 и соединяют дополнительный ресивер 11 с основным ресивером 9, а дополнительную камеру 13 - с основной камерой 3. Давление контрольного газа в основном и дополнительном ресиверах 9 и 11 выравнивается и устанавливается равным половине от первоначального давления в дополнительном ресивере, то есть равное заданному испытательному давлению для испытываемого на герметичность изделия.
Давления контрольного газа в основной и дополнительной камерах 3 и 13 выравнивается. Закрывают вентили 10 и 12 и отключают основной ресивер 9 от дополнительного ресивера 11 и основную камеру 3 от дополнительной камеры 13. В основной камере устанавливается давление, равным половине от первоначального давления контрольного газа в дополнительной камере при условии, что испытываемое на герметичность изделие 4, расположенное в камере 3, герметично. Если же изделие 4 не герметично, тогда часть контрольного газа проходит из основной камеры 3 через микрощели изделия 4 внутрь изделия и давление контрольного газа в основной камере понижается.
Открывают вентиль 8 и соединяют основной ресивер 9 с трубкой 6 и газовой полостью барботера 1. Закрывают вентиль 7 и открывают вентиль 2. Негерметичность изделия 4 определяют по количеству газовых пузырьков, прошедших через жидкость барботера 1. Испытания изделия на герметичность осуществляют в течение установленного времени, равного, например, 60 секунд. Контрольный газ при испытании изделия 4 на герметичность проходит из основного ресиверов 9 через вентиль 8, трубку 6 барботера, жидкость барботера 1 в виде пузырьков газа, вентиль 2, основную камеру 3 в изделие 4. По количеству пузырьков газа, прошедших через жидкость барботера 1, делают заключение о негерметичности изделия 4.
После завершения испытания изделия 4 на герметичность открывают вентили 7 и 5, выпускают контрольный газ из основной камеры 3 и основного ресивера 9 в атмосферу и заменяют испытанное изделие на герметичность на новое изделие с закрытой при атмосферном давлении запорной арматурой. Закрывают вентили 2, 5 и 8 (при закрытых вентилях 10, 12, 16, 17 и 18) и далее цикл повторяется при испытании изделия на герметичность.
Для определения объема контрольного газа, проходящего через жидкость барботера 1, являющегося ошибкой способа испытания изделия на герметичность, проводят полный цикл испытания с герметичными изделиями 4 и 14, расположенными в основной и дополнительной камерах 3 и 13.
При испытании изделия заявляемым способом выполняется дополнительно испытание запорной арматуры в закрытом состоянии, то есть проводится испытание на герметичность сопряжения затвор-седло запорной арматуры изделия.
В соответствии с ГОСТ Р 51753-2001 (Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах, Общие технические условия. -М.: ИПК Издательство стандартов, 2001, с. 20. - подпункт 7.1) изделие испытывают на герметичность путем погружения в ванну с водой и нагружения контрольным газом (воздухом) до давления Р.
Вода, при погружении изделия в ванну с водой, выполняет роль гидравлического затвора для микрощелей в изделии, то есть создает противодавление и препятствует прохождению контрольного газа из баллона в воду ванны. Причиной возникновения противодавления в микрощелях изделия, погруженного в воду, является поверхностное натяжение воды. Поверхностное натяжение представляет собой термодинамическую характеристику поверхности раздела двух фаз и создает дополнительное давление в микрощели, которое определяется по формулой Лапласа
л
ΔР=2⋅σ/R,
л
где ΔР - давление, возникающее в микрощели, от действия поверхностного натяжения воды, Па; σ - поверхностное натяжение воды, Н/м; R - внутренний радиус микрощели, м.
щ
Если радиус R выразить через диаметр d, м, микрощели, тогда формула Лапласа принимает вид
л
щ
ΔР=4σ/d.
При испытании изделия на герметичность путем погружения в воду к микрощели, кроме поверхностного натяжения воды, прикладывается давление столба воды, находящейся над микрощелью. Принимаем, что средняя глубина погружения изделия в воду при испытании на герметичность составляет 300 мм водного столба. Этот уровень жидкости создает дополнительное статическое давление, равное 2943 Па, противодействующее расходу контрольного газа через микрощель.
-3
Учитывая статическое давление столба жидкости, минимально обнаруживаемая микрощель, в соответствии с формулой Лапласа, испытываемого на герметичность изделия путем погружения в воду при давлении газа в изделии, равного например 0,1 МПа, составляет (при σ=72,5⋅10 Н/м для воды)
щ
к
-3
5
d=4σ/(ΔР-2943)=4⋅72,5⋅10/(1,0⋅10-2943)=2,99 мкм.
В работе [Нагорный B.C., Денисов А.А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем / учеб. пособие Для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 367 с., стр. 52] приводится формула для определения объемного расхода газа через микрощель (дроссель) в виде (принимая коэффициент потерь равным нулю)
,
д
щ
1
2
1
3
2
3
где Q - объемный расход газа через микрощель, м/с; S - площадь проходного сечения микрощели, м; d - диаметр микрощели, м; P и P - давление газа до и после микрощели, Па; ρ - плотность газа, протекающего через микрощель, кг/м.
2
1
Принимаем, что испытания изделия на герметичность проводятся газом при избыточном давлении, равном 0,1 МПа = 1 атм = 100000 Па. В этом случае, применительно к формуле расхода газа через микрощель, Р=100000 Па (атмосферное давление) и Р=200000 Па (атмосферное давление и плюс испытательное давление, равное одной атмосфере). Расход газа через микрощель при этих условиях составляет
3
За время испытания изделия на герметичность, равное 60 с (ГОСТ Р 51753-2001), утечки контрольного газа через микрощель диаметром 2,99 мкм составляют 2,80⋅60=168,0 мм.
В работе [Жежера Н.И., Ильин О.Н. Контроль герметичности топливной системы вертолета МИ-8 с использованием пузырьковой камеры. Интернет-журнал Науковедение. - 2014. - №3 (22). С. 100, рисунок 2. Электронный доступ. http://elibrary.ru/download/76064584.pdf] приведены экспериментальная и теоретическая зависимости диаметров пузырьков сжатого воздуха, формируемых в жидкости барботера (пузырьковой камеры), от диаметра барботажной трубки. Выбираем диаметр барботажной трубки, равный 3,0 мм.
п
шара
3
3
3
Для барботажной трубки диаметром 3 мм на выходе этой трубки в жидкости барботера формируются пузырьки сжатого воздуха диаметром Д=3,8 мм. Объем сжатого воздуха в шаре диаметром 3,8 мм составляет V=(4/3)πR=(4/3)π1,9=28,7 мм.
Количество пузырьков газа, которое пройдет через жидкость барботера при испытании изделия на герметичность, имеющего микрощель диаметром, равным 2,99 мкм, составляет 168,0/28,7=5,9≈6 пузырьков.
Из этого примера следует, что при испытании изделия на герметичность известным способом при испытательном давлении контрольного газа, равном, например, 0,1 МПа, микрощели диаметром менее 2,99 мкм не будут пропускать контрольный газ, и микрощели в изделии менее 2,99 мкм не будут выявлены при испытании на герметичность. Однако при испытании изделия на герметичность заявляемым способом микрощели, например, диаметром 2,99 мкм будут выявлены и обеспечат прохождение через жидкость барботера шести пузырьков контрольного газа.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемый способ позволяет определять негерметичность изделия без подключения к его внутренней полости при закрытой запорной арматуре с высокой достоверностью за счет получения конкретных значений негерметичности изделия в виде объема контрольного газа, вошедшего в изделие, определяемого по количеству газовых пузырьков, прошедших через жидкость барботера.