采用压降检漏法对大型密封容器检漏时的“升压”现象分析

回天力，闫治平，金春玲，闫荣鑫

（1.北京卫星制造厂，北京 100190；2.北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

1 压降检漏法

随着科学技术和工业水平的不断进步，几十甚至上百立方米的大型密封容器越来越多。这些容器容积大、焊缝长，而且像空间环境模拟设备、燃料贮箱等对密封性能的要求很高。对大型密封容器常用的泄漏检测方法有压降检漏法[1]、非真空收集器检漏法[2]、真空罐检漏法和Kr85检漏法[3]等等。压降检漏方法与其他方法相比，具有设备简单、无污染、操作便捷、经济适用性好等特点，广泛应用于航空、航天、石油化工等领域。压降检漏法诞生以来，国内一些研究机构开展了泄漏仿真分析[4]和检测结果影响因素的研究[5]，并提出了一些针对性的改进措施[6]；但对于大型密封容器在压降检漏过程中经常出现的“升压”现象，均是从检测参数（如温度）测量的准确性入手进行分析的，没有从检漏灵敏度的角度进行分析与解释。

一般情况下，被检容器发生泄漏时，保压后的压力值应当下降，但在对大型密封容器进行压降检漏过程中却发现，保压一段时间并进行温度修正后，经常出现被检系统压力上升的现象。为了找到问题原因，并合理地解释该现象，分别采用压降检漏法与非真空收集器检漏法对同一个大型密封容器进行检漏试验。

1.1 定义

压降检漏法是指在被检件中充入规定压力的气体后，在规定测试时间内测量压力变化从而计算出漏率的方法。

1.2 基本原理

将被检系统（或产品）内部充入（模拟其工况压力）干燥、清洁、成分符合要求的气体介质，使其产生内外压力差，经储置一定时间周期后，观测其压力变化，并同时观测被检系统内部气体介质的温度以及被检系统所处环境大气压的变化，从而实现总漏率的检测。原理如图1所示。

图1 压降检漏法原理图Fig.1 Schematic diagram of pressure decay leak detection

1.3 漏率计算方法

压降检漏法漏率的计算方法主要有3种。

1）总时段漏率法[7]

式中：Q为被检系统漏率，Pa·m3/s；V为被检件的内部容积，m3；t为测量周期，s；P1为被检件内部压力初值，Pa；T1为被检件内部温度初值，K；P2为被检件内部压力终值，Pa；T2为被检件内部温度终值，K。

2）相等时段的漏率平均值法

式中：Q为被检系统漏率，Pa·m3/s；n为分段次数。

3）不同时段的漏率平均值法

式中：Q为被检系统漏率，Pa·m3/s；n为分段次数；Pi为第i时段的被检件内部压力终值，Pa；Pave为第i时段的被检件内部压力平均值，Pa；V为被检件的内部容积，m3；ti为第i时段的终止时间，s；tave为第i时段的时间平均值，s。

2 压降检漏法和非真空收集器检漏法对比试验

2.1 试验设备

1）压降检漏法试验设备

压力传感器：测量范围为0 Pa～250 kPa（绝对压力）；分辨率为1 Pa；精度为15Pa。

温度传感器：分辨率为0.01℃；精度为0.05℃。

2）非真空收集器检漏法试验设备

氦质谱检漏仪：检漏灵敏度5×10-11Pa·m3/s；漏率输出显示有效数字为3位，检测精度≤1%。

非真空收集器：容积为20 m3；收集室总体相对漏率≤1%/d。

标准容积：容积8.7 mL左右；精度优于1%；在10 MPa压力下的漏率＜1×10-5Pa·m3/s。

充压和取标准氦气样的压力表：精度为0.4级。

2.2 试验过程

向体积为10 m3的大型密封容器内充入1个标准大气压的氦气，置于非真空收集器内，历经约25h，用氦质谱检漏仪检测非真空收集器内的氦浓度变化。用电脑自动记录时间、被检系统内温度和绝对压力，并用温度对压力值进行修正，修正后的压力曲线如图2所示。

图2 修正后的压力曲线Fig.2 The curve of modified pressure data

2.3 试验结果

1）非真空收集器检漏法的漏率为Q=(W·∆U)/(U0·t)＝1.4×10-3Pa·m3/s，设备有效灵敏度为2.3×10-5Pa·m3/s。

2）压降法漏率的计算值（采用温度修正后的被检系统内绝对压力），负值表示压力上升：

① 总时段的漏率为

2.4 试验结果分析

1）现象分析

压降检漏法的总时段漏率计算值为负值，似乎说明被检系统内气体没有因泄漏使被检容器内压力下降，反而压力显示上升。这是一种虚假现象，主要是大型密封容器内部温度不均匀所致[8]。

非真空收集器检漏法的设备有效检漏灵敏度为2.3×10-5Pa·m3/s，约比实测漏率值1.4×10-3Pa·m3/s小两个数量级，其不确定度＜10 %，所以实测漏率值是可信的。通过非真空收集器法检测的实测漏率，可计算出被检容器实际的压降为14.57 Pa，而压降法实测的负值漏率也可计算出一个不真实的压力值49 Pa，二者之和为63.57 Pa（相当于温度变化0.1℃的结果）。用这个值又可近似地计算出压降法的实际灵敏度为6×10-3Pa·m3/s，用于检测漏率为1.4×10-3Pa·m3/s的大型密封容器时，显然无法保证检漏结果的不确定度＜10%的要求。

2）计算分析

式中：δΔP被检系统压力降的标准误差，Pa；δP1被检系统压力初始值测量误差，Pa；δP2为被检系统压力终值测量误差，Pa；δT1为被检系统温度初始值测量误差，K；δT2为被检系统温度终值测量误差，K。

被检容器的压力传感器测量误差为δΡ=δΡ2=3Pa ，被检容器的温度测量误差为1 δΤ1=δΤ2=0.1K。代入式(4)可得δ∆P=66.98Pa。

将δΔP代入压降检漏法的灵敏度公式Qmin=V[9]，可得此次试验中压降检漏法的检漏灵敏度为6.2×10-3Pa·m3/s，显然用于检测1.4×10-3Pa·m3/s的大型密封容器时无法保证检漏结果的不确定度＜10%的要求。

那么对于大型密封容器，压降检漏法就无能为力了吗？当然不是。通过灵敏度公式Q=Vmin可以看出，只要延长保压时间，是能够提高检漏灵敏度的。在检测周期允许的前提下，通过延长保压时间可以完成被检系统的检测要求。

3 结论

采用压降检漏法对于大型密封容器进行检漏，必须先考虑该检漏方法的灵敏度，根据被检容器的漏率指标选择适当保压时间，以使系统的检漏灵敏度满足被检容器的检测要求。如果被检容器的真实漏率小于压降法的灵敏度，则在检漏过程中往往会出现压力上升的虚假现象。

（References）

[1]闫荣鑫.常用密封检漏方法的注意事项[C]∥第十四届全国质谱分析和检漏会议、第九届全国真空计量测试会, 2007: 55-56

[2]闫治平, 黄淑英.非真空收集器质谱检漏技术[J].中国空间科学技术, 1997, 17(5): 41-45Yan Zhiping, Huang Shuying.A sdudy of leakage detecting with mass-spectrometry under non-vacuum environment[J].Chinese Space Science and Technology,1997, 17(5): 41-45

[3]高慎斌.卫星制造技术(下册)[M].北京: 宇航出版社,1998: 335-336

[4]朱会学, 马林, 李锦云.压降检漏过程中温度对漏率检测影响研究[J].机床与液压, 2010, 38(13): 10-13 Zhu Huixue, Ma Lin, Li Jinyun.The influence of temperature on leak rate in pressure-based air leak detector[J].Machine Tool & Hydraulics, 2010, 38(13):10-13

[5]冯琪, 师立侠, 闫荣鑫.压降检漏的影响因素[C]∥第十三届全国质谱分析和检漏会议、第八届全国真空计量测试年会.沈阳: 中国真空学会, 2005: 63-66

[6]闫荣鑫, 刘平, 冯琪, 等.压降检漏法的影响因素及改进措施[J].中国空间科学技术, 2006, 26(4): 37-41 Yan Rongxin, Liu Ping, Feng Qi, et, al.Factor of leak detection for pressure decay[J].Chinese Space Science and Technology, 2006, 26(4): 37-41

[7]吴孝俭, 闫荣鑫.泄漏检测[M].北京: 机械工业出版社, 2005: 59-60

[8]喻新发, 闫荣鑫.温度场对飞船压降检漏的影响与优化测试方法[J].航天器环境工程, 2009, 26(6): 540-544 Yu Xinfa, Yan Rongxin.The effect of temperature distribution upon airship pressure decay leak testing and the optimized testing method[J].Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(6): 540-544

[9]闫治平, 黄淑英.检漏方法的灵敏度估算[J].中国空间科学技术, 2002, 22(1): 59-64 Yan Zhiping, Huang Shuying.Sensitivity calculation formulas of leakage detecting method[J].Chinese Space Science and Technology, 2002, 22(1): 59-64