贮氢压力系统氢介质检漏方法研究

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(中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川绵阳 621999)

0 引言

贮氢压力系统是用于加注、贮存及快速释放氢气的小型压力系统，在能源、航天及军工产品中有广泛的应用[1]。这类压力系统主要由高压贮气罐、手动阀、电控阀(又称电爆阀)、安全阀及管路等构成，高压贮气罐为贮存气体元件[2]，电爆阀是控制其充放气功能的核心元件[3]。贮氢压力系统组件之间通过焊接连接，长期处于氢工作介质条件下[4]，且工作压力高[2]，对系统密封性要求高，常要求其工作压力下密封氦漏率不大于1.0×10-8Pa·m3/s。

这类压力系统常作为设备或武器产品的分系统之一，在服役期间需经历特定的环境载荷(常为一系列运输、加速度、振动等序贯环境)，而检测密封性是获得其经历特定环境载荷后性能状态的主要手段。氦质谱检漏方法技术成熟，应用广泛。但是，若直接对服役期间的贮氢压力系统进行氦质谱检漏，涉及高压氢气释放、抽真空、加注氦气、检漏、释放氦气、重新加注氢气等环节，而工艺特性及试验目的不允许对该类系统进行多次装配及充氦检漏。因此，有必要探索操作更简便、成本低且能获得密封性状态的检测方法。

基于质谱检漏技术，本文提出贮氢压力系统氢质谱检漏方法;为验证其有效性，研制低漏率通道型漏孔并开展氢、氦质谱检漏试验，以获得初步试验结果。本文提出的检测方法及获得初步试验结果对后续研究具有一定参考意义。

1 贮氢压力系统密封性检测方法

氦质谱检漏采用氦气作为示踪气体，由质谱检漏仪实现漏率测量。质谱检漏仪主要是运用磁质谱理论、逆扩散理论及质谱分析方法制备的检测仪器。商业化氦质谱检漏仪支持几种检漏模式，通过设置示踪气体的质量数，可实现示漏气体质量数分别为2，3，4的三种检漏模式的切换。质量数为4即对应氦质谱检漏模式，该模式下检漏仪自带内校准功能；质量数为2时，对应示踪气体为氢气，即为氢检漏模式。氦气和氢气都是理想的示踪气体，但由于氢气易燃易爆，在实际密封性检测中应用较少[5]。因此，氢检测模式应用极少，该模式下检测仪也没有内校准功能。

虽然氢气易燃易爆，但孙涛等[6]指出氢气检漏法已在国外得到广泛的应用，且在国内的制冷、空调行业引起越来越多的关注；王凤超[7]介绍了氢检漏技术在中央空调冷水机组、工业冷冻设备等压力容器密封性检测中的应用，归纳了氢检漏的技术要点。不同于氢质谱检漏，氢气检测采用氢氮混合气体作为示踪气体，采用氢气检漏仪作为检测工具。这种检漏仪不含质谱仪和真空泵等部件，为带半导体架构氢气传感器的纯电子仪器，由氢气引起半导体中电流变化计算获得对应漏率。该方法类似氢浓度监测，不能获得系统整体的密封性情况，不适用于贮氢压力系统密封性检测。

黄文平等[8]通过试验探讨了质谱检漏仪氦、氢模式下的离子加速电压，并针对不同长度的金属毛细管，采用氦气及氢氮混合气体分别进行了氦、氢模式下的密封性检测试验，获得了对应的漏率。该研究通过氢气浓度分别为1%和2%的氢氮混合气体对应氢质谱检测漏率值的对比，认为氢质谱检测漏率与混合气体中氢气浓度成正比，并由此推测了纯氢气检漏介质对应漏率为氢浓度1%的氢氮混合气体对应漏率的100倍。根据该研究，纯氢气下的氢漏率(推测计算值)与纯氦气下氦漏率比值在1～4范围内，无量级差异。这为贮氢压力系统的密封性检测指出了可能的方向。

因此，基于贮氢压力系统自带氢气的特点，本文提出贮氢压力系统氢质谱检漏方法，具体为：将充氢后的系统整体置于真空室中，以系统自带氢气作为示踪气体，采用氦质谱检漏仪的氢检漏模式进行密封性检测，获得对应氢漏率。该方法直接将系统自带氢气作为示踪气体，未额外引入任何气体，且系统整体置于真空室中，即使产品泄漏严重，发生燃烧的概率也极小，无安全性风险。因此，该方法对贮氢压力系统的密封性检测具有可行性。另外，该方法不会改变产品的状态，操作简单，成本低。

2 低漏率通道型标准漏孔研制

贮氢压力系统各部组件材料主要为FeCrNi奥氏体不锈钢，其抗氧化、耐腐蚀及抗氢渗透性能优良[9-10]，可能的泄漏部位主要为密封面和焊缝部位，为通道型泄漏。因此，本研究选定通道型漏孔为后续试验研究的载体，开展低漏率通道型漏孔研制。

基于各类通道型漏孔的特点[11]，选定按金属压扁型漏孔进行研制。采用金属毛细管挤压固定的方法制作标准漏孔，其结构见图1。金属毛细管内径0.1 mm，由压板、垫块及连接螺栓固定，压板、垫块均由高硬度材料制成。金属毛细管安装在压板与垫块之间，通过连接螺栓预紧力大小控制金属毛细管的挤压变形程度，从而获得不同漏率的通道型漏孔。

图1 标准漏孔结构示意

对所研制的部分漏孔，通过氦质谱检漏方法监测了漏率随时间变化情况。监测情况显示漏孔漏率稳定，基本不随时间发生变化，表明通过该方法可以制备漏率稳定的漏孔。表1列出了对应表2中1#，2#和4#漏孔的漏率变化情况，监测漏率时毛细管出气端直接与检漏仪抽气口连接，进口端压力0.12 MPa(表压)。

表1 1#，2#和4#漏孔的漏率变化情况

需要说明的是，后续对漏孔进行的氢、氦模式下密封性检测试验的时差基本可以忽略，漏孔可能存在的因金属蠕变等而产生的漏率变化对本文研究没有影响。

表2 氢、氦漏率对比情况

注：括号中的数字分别为氢漏率最小值/氦漏率最大值、氢漏率最大值/氦漏率最小值的计算值

3 氢质谱检漏试验结果与分析

基于研制的漏孔，采用XL300质谱仪开展氢、氦检漏模式下的密封性检测。氦、氢检漏模式下，示踪气体分别为纯净氦气(浓度大于99.9%)和纯净氢气(浓度大于99.9%)。试验时通过流量计控制气体流速为0.1 L/min。

按照氦漏率从大到小的顺序对漏孔进行编号，各漏孔对应氢、氦漏率对比情况见表2。其中1#，2#及4#漏率与表1中差异的主要原因为入口端压强及温湿度差异。各漏孔对应氦质谱及氢质谱下漏率平均值及氢质谱与氦质谱的漏率比值情况见图2。

图2 氢氦漏率及比值

由表2及图2可以看出，对于氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量级的漏孔(1#，2#，3#)，氢检漏模式获得的漏率稳定，约为氦检测模式下氦漏率的2～5倍；而当漏孔氦漏率在10-8Pa·m3/s量级以下时，对应氢漏率有效但不稳定；随着漏率进一步减小，采用氢质谱检测方法已经不能获得有效漏率值，质谱仪显示的漏率值会随着时间快速下降到系统漏率，然后趋于稳定。

4 试验结果的分析与讨论

黄文平等[8]所研制的漏孔，对应氦漏率在10-3～10-2Pa·m3/s量级范围，采用2%氢气混合气体测得的氢漏率在10-5～10-3Pa·m3/s量级范围，外推到纯净氢气下的漏率为10-3～10-1Pa·m3/s量级范围，氢、氦漏率的比值在1～4范围内。本研究中，对于氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量级的漏孔，采用氢检漏模式可以获得稳定的漏率，氢漏率约为氦漏率的2～5倍。以上数据表明,采用氦质谱检漏仪的氢检测模式，对于氦漏率在10-7Pa·m3/s量级及以上通道型漏孔，可以获得有效且稳定的氢漏率指标，具备可行性。但是，根据本研究中获得的试验结果，随着漏孔漏率进一步减小，氢检漏模式将不能获得有效漏率值。这表明，对现有工业化氦质谱检漏仪的氢检测模式，除检漏仪没有内校准功能外，在测量对象漏率低(一般氦漏率小于1.0×10-8Pa·m3/s)的情况下将不能获得有效漏率值。

初步分析认为，在测量对象氦漏率低于10-8Pa·m3/s量级情况下，采用氢质谱检漏模式不能获得有效漏率值的主要原因为：现有工业化检漏仪采用分子泵抽气及逆扩散模式进行质谱分析，由于氢气的分子量小，分子泵对氢气的压缩比比对氦气的压缩比小，故逆扩散到高真空质谱室的氢比氦多，形成的仪器氢本底较高，造成仪器对氢的灵敏度降低(如对10-8Pa·m3/s量级及以下的氢气泄漏可能按本底处理，直接抑制了)。为了进一步提高氢检漏的灵敏度，还需开展相关研究。

5 结论

(1)利用现有氦质谱检漏仪的氢检漏功能，可以实现氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量级范围及以上泄漏的漏率检测，氢漏率指标和氦漏率指标有较好的相关性。

(2)对于贮氢压力系统，在经历特定环境载荷后，将其整体置于真空室中进行氢质谱检漏，能判断是否有氦漏率10-7Pa·m3/s量级及以上的泄漏存在。

(3)由于贮氢压力系统对密封性要求高，当采用氢检测模式能获得有效漏率值时，系统密封性已不满足要求。为了在漏率较小情况下也能获得有效漏率值，对氦质谱检漏仪的氢检测模式还需开展相关工作。