環(huán)模容器真空度異常分析及其解決思路
環(huán)模設(shè)備是指完成衛(wèi)星等航天器熱平衡熱真空試驗(yàn)的地面環(huán)境模擬設(shè)備，通常包括容器、熱沉、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)等多個(gè)分系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，容器內(nèi)真空度只有優(yōu)于1.3×10-3 Pa 時(shí)才能開展環(huán)模試驗(yàn)。本文列舉了幾例環(huán)模容器真空度不滿足要求的典型情況，從容器本體、熱沉、真空系統(tǒng)設(shè)備、法蘭等幾個(gè)方面開展了泄漏分析，并提供了解決思路。
環(huán)模設(shè)備是指完成衛(wèi)星、飛船等航天器熱平衡熱真空試驗(yàn)的地面熱環(huán)境模擬設(shè)備，我國從上個(gè)世紀(jì)60 年代至今陸續(xù)建成了KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7 等多臺(tái)大中小型熱環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備，用于模擬太空中的真空冷黑環(huán)境。其中KM6 環(huán)境模擬器是國際上三大載人航天器空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備之一，總體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
環(huán)模設(shè)備通常包括容器、熱沉、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、外熱流模擬與控制系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、氦系統(tǒng)等多個(gè)分系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，環(huán)模設(shè)備容器內(nèi)真空度只有優(yōu)于1.3×10-3 Pa 時(shí)才能滿足衛(wèi)星、飛船等航天器開展熱平衡熱真空試驗(yàn)的需求。容器本體上法蘭、閥門、管道等接口眾多，容器內(nèi)部又包括熱沉、衛(wèi)星等試件，因此當(dāng)容器內(nèi)真空度不滿足條件時(shí)，判斷并找出漏點(diǎn)是一項(xiàng)難度很大的工作，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為不僅需要借助于氦質(zhì)譜檢漏儀、四極質(zhì)譜計(jì)等靈敏度高的儀器，更需要有經(jīng)驗(yàn)技術(shù)人員的綜合判斷分析。本文將列舉幾個(gè)查漏、找漏的例子，為類似于環(huán)模設(shè)備的復(fù)雜、大型設(shè)備檢漏工作提供部分思路和啟發(fā)。
1、環(huán)模設(shè)備容器、熱沉及真空系統(tǒng)簡介
環(huán)模設(shè)備容器主要有立式及臥式兩種結(jié)構(gòu)形式，為不銹鋼材質(zhì)，由鋼板焊接而成，臥式容器通常只有一個(gè)大門。立式容器通常包括活動(dòng)頂蓋、側(cè)門。容器上通常根據(jù)各種功能需要開有口徑大小不一的法蘭。如KM6 環(huán)境模擬器上開有113個(gè)準(zhǔn)160～準(zhǔn)1320 mm 大小不同的孔。各個(gè)門、法蘭通常為橡膠圈密封。在檢漏實(shí)踐中，各個(gè)法蘭尤其是試驗(yàn)前更換過的法蘭往往是首先懷疑的對(duì)象。
容器內(nèi)部通常安裝有熱沉。大型環(huán)模設(shè)備熱沉由多個(gè)熱沉組片組成。熱沉材質(zhì)有不銹鋼、鋁、銅。在早期的熱沉研制中，銅、鋁材質(zhì)的熱沉進(jìn)出液管道通常為銅、鋁與不銹鋼管道的摩擦焊接口方式。每個(gè)組片熱沉通常由若干個(gè)支管焊接到匯總管上。如KM6 環(huán)境模擬器由2000 多根管子4000多個(gè)管道焊縫組成。在檢漏實(shí)踐中，經(jīng)常被踩踏的熱沉、存在波紋管的熱沉以及摩擦焊接頭通常容易出現(xiàn)泄漏，是檢漏的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。
真空系統(tǒng)通常包括粗抽、高真空、分子泵及檢漏、真空測量等多個(gè)子系統(tǒng)。其中高真空系統(tǒng)主要由低溫泵組成，是環(huán)模設(shè)備容器獲得高真空的主抽泵。當(dāng)容器內(nèi)真空度上不去時(shí)，低溫泵自身工作正常與否是一個(gè)判斷點(diǎn)。在排除了此點(diǎn)后，各個(gè)子系統(tǒng)與容器之間的閥門連接是否有漏也是排查的重點(diǎn)。在檢漏實(shí)踐中，閥門本體存在泄漏往往容易被忽略。
2、環(huán)模設(shè)備檢漏實(shí)例
2.1、常用檢漏方法介紹
2.1.1、氦質(zhì)譜檢漏法
氦質(zhì)譜檢漏法使用氦質(zhì)譜檢漏儀來完成，其檢漏靈敏度可以達(dá)到10-9 Pam3/s甚至更高。檢漏儀通常接在前級(jí)泵與分子泵之間，如圖1 所示。目前大多數(shù)檢漏儀具有逆流檢漏功能或質(zhì)譜室能夠承受較高的壓力，其檢漏儀入口處能夠在較高的壓力下工作。進(jìn)入檢漏儀的示漏氣體一部分進(jìn)入檢漏儀的質(zhì)譜室，另一部分由前級(jí)泵抽走。對(duì)于大型環(huán)模設(shè)備，檢漏時(shí)通常開啟1～2 臺(tái)低溫泵。以低溫泵為主泵的檢漏系統(tǒng)中，低溫泵對(duì)氦氣的分流很小，因此低溫泵的引入對(duì)系統(tǒng)有效檢漏靈敏度影響很小。
圖1 氦質(zhì)譜檢漏儀連接位置示意圖
2.1.2、四極質(zhì)譜計(jì)檢漏法
四極質(zhì)譜計(jì)(也稱四極濾質(zhì)器)測量氣體的原理如圖2 所示。四極質(zhì)譜計(jì)的質(zhì)量分離原理是基于不同質(zhì)荷比的離子在高頻和直流四極場中運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定與否來實(shí)現(xiàn)的，它是近代殘余氣體分析器中最為流行的無磁濾質(zhì)器，其性能指標(biāo)較高。四極質(zhì)譜計(jì)也可以用于檢漏，通過某種氣體的譜圖變化來判斷系統(tǒng)是否有漏，其檢漏靈敏度可以達(dá)到10-6 Pam3/s甚至更高。而且通過判斷氮?dú)狻⒀鯕獾某煞直龋�可以判斷是否為空氣泄漏。
圖2 四極質(zhì)譜計(jì)探測器結(jié)構(gòu)示意圖
2.1.3、壓力檢漏法
壓力檢漏法，也叫正壓檢漏法，將被檢容器充入一定壓力的示漏物質(zhì)，如果容器上有漏孔，示漏物質(zhì)便從漏孔漏出，用一定的方法或儀器在容器外檢測出從漏孔中漏出的示漏物質(zhì)，從而判定漏孔的存在、漏孔的具體位置及漏率大小。對(duì)懷疑漏點(diǎn)涂抹肥皂泡或吸槍的方法找到漏點(diǎn)。涂抹肥皂泡的檢漏靈敏度約為6.7 Pam3/s。吸槍法的檢漏靈敏度為10-2 Pam3/s～10-4 Pam3/s。壓力檢漏方法適用于判斷漏點(diǎn)較大以及便于操作的場合。
2.2、環(huán)模設(shè)備容器真空度異常檢漏實(shí)例
2.2.1、熱沉泄漏檢漏實(shí)例
KM4 環(huán)模設(shè)備開展某型號(hào)熱試驗(yàn)。粗抽結(jié)束后開啟低溫泵口閥門，利用低溫泵對(duì)容器進(jìn)行抽氣，然后熱沉通入液氮，并啟動(dòng)液氮泵。液氮泵工作正常后，容器真空度穩(wěn)定在4.2×10-3 Pa，不再變好。容器真空度不滿足試驗(yàn)要求，于是開展檢漏工作。
1)如圖3 所示，當(dāng)熱沉管道內(nèi)壓力降低時(shí)，容器內(nèi)真空度隨之變好。當(dāng)熱沉管道內(nèi)壓力升高時(shí)，容器內(nèi)真空度隨之變壞。據(jù)此初步分析為熱沉有漏；
2) 打開四極質(zhì)譜計(jì)觀察容器內(nèi)殘余氣體譜圖(如圖4 所示，數(shù)據(jù)在圖中的右上角)，發(fā)現(xiàn)氮峰明顯偏高，高于氧峰兩個(gè)量級(jí)，據(jù)此判斷不是容器漏，而是熱沉漏，與上面的判斷相符；
3)通過逐路增壓、降壓的方法判斷出中部熱沉有漏；
4)熱沉回溫后，將該路熱沉管道封閉，采用管道內(nèi)抽真空、對(duì)懷疑部位噴吹氦氣的方法進(jìn)行檢漏，最終定位到漏點(diǎn)。
圖3 KM4 熱沉管道內(nèi)壓力及容器真空度曲線圖(時(shí)間同步)
圖4 某型號(hào)試驗(yàn)抽氣后容器內(nèi)殘余氣體譜圖
2.2.2、環(huán)模設(shè)備容器本體泄漏檢漏實(shí)例
KM6 環(huán)模設(shè)備開展某衛(wèi)星熱試驗(yàn)。粗抽結(jié)束后開啟低溫泵口閥門，利用低溫泵對(duì)容器進(jìn)行抽氣，容器真空度只能維持在5×10-2 Pa，不再變好，經(jīng)過比對(duì)分析認(rèn)為容器有漏，于是開展檢漏工作。
1)打開四極質(zhì)譜計(jì)觀察容器內(nèi)殘余氣體譜圖，氮?dú)狻⒀鯕夥謮罕冉咏?：1，與空氣中氮?dú)狻⒀鯕獾姆謮罕容^一致，因此判斷是空氣漏入容器所致；
2)根據(jù)容器內(nèi)真空度較差的情況，考慮到用三臺(tái)低溫泵抽氣只能將容器真空度抽至5×10-2 Pa，經(jīng)估算漏率較大，決定首先排查本次試驗(yàn)前有變動(dòng)的法蘭，采用對(duì)可疑點(diǎn)噴酒精的方法進(jìn)行排查；
3)當(dāng)噴到某法蘭上的一個(gè)KF16 快接口時(shí)，容器真空度對(duì)應(yīng)變壞，據(jù)此找到漏點(diǎn)，重新安裝KF16 快接卡箍，容器真空度上升約兩個(gè)量級(jí)，泄漏問題得以解決；
4) 采用對(duì)可疑漏點(diǎn)噴酒精的檢漏方法適用于所判斷的漏點(diǎn)較大時(shí)，當(dāng)認(rèn)為漏點(diǎn)較小時(shí)，噴酒精、看容器真空度變化的方法不一定適用。此時(shí)最好的方法是氦質(zhì)譜檢漏法。將氦質(zhì)譜檢漏儀接在分子泵及檢漏子系統(tǒng)的排氣管道上，采取對(duì)可疑點(diǎn)噴吹氦氣的方法進(jìn)行檢漏。此方法對(duì)于大漏、小漏均有較高的靈敏度。
2.2.3、真空設(shè)備泄漏檢漏實(shí)例
2.2.3.1、粗抽閥門關(guān)不嚴(yán)導(dǎo)致的泄漏
2012 年2 月，KM6 環(huán)模設(shè)備開展某衛(wèi)星熱試驗(yàn)。轉(zhuǎn)入低溫泵抽氣后，容器真空度達(dá)到4×10-3 Pa后基本不再變化，經(jīng)分析認(rèn)為是容器有漏。于是開展檢漏工作：
1) 在分子泵排氣口連接檢漏儀，如圖5 所示。采用氦氣噴吹的方法對(duì)所有的法蘭連接處進(jìn)行檢漏。首先排查動(dòng)過的法蘭，沒有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。其次排查沒有動(dòng)過的法蘭，也沒有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)；
圖5 檢漏系統(tǒng)組成圖
2)在排除了法蘭連接處存在泄漏的可能后，將檢漏重點(diǎn)轉(zhuǎn)向與容器連接的各個(gè)閥門。當(dāng)噴吹到粗抽閥門與粗抽管道連接處時(shí)，發(fā)現(xiàn)檢漏儀反應(yīng)較大。據(jù)此判斷該閥門未關(guān)嚴(yán)。后經(jīng)計(jì)算，該處漏率為2.8×10-1 Pa·m3/s；
3)啟動(dòng)粗抽機(jī)組，對(duì)機(jī)組與閥門之間的管道進(jìn)行抽氣，使粗抽閥門兩側(cè)壓差小于650 Pa 后，重新開關(guān)閥門，問題得以解決。
本次是用氦質(zhì)譜檢漏的方法在逐步摸排中鎖定到粗抽閥門存在泄漏的。在實(shí)際工作中，當(dāng)懷疑到粗抽閥門未關(guān)嚴(yán)而存在泄漏時(shí)，也可以采取將粗抽管道放氣或抽真空、觀察容器內(nèi)真空度變化的快捷方法來定位。如果粗抽管道放氣過程中容器內(nèi)真空度隨著變壞或者是抽氣過程中容器真空度隨著變好，則可以立即定位到粗抽閥門問題上。
2.2.3.2、低溫泵工作異常導(dǎo)致的泄漏
由低溫泵做為高真空抽氣設(shè)備的環(huán)模容器，當(dāng)真空度發(fā)生異常后，按照上述各種方法仍然不能找到漏點(diǎn)時(shí)，可將懷疑的對(duì)象轉(zhuǎn)移到低溫泵自身上來。理論與實(shí)踐證明，當(dāng)?shù)蜏乇玫亩?jí)冷頭溫度因某種原因而升高至30 K 左右時(shí)，二級(jí)冷板吸附的部分成分的氣體會(huì)釋放，進(jìn)入到容器中，導(dǎo)致容器真空度變壞。可通過關(guān)閉低溫泵泵口閥后觀察容器真空度變化的方法來判斷。
3、結(jié)論與展望
環(huán)模設(shè)備檢漏不僅需要高精度的儀器設(shè)備，更需要結(jié)合工況，將多個(gè)參數(shù)綜合起來進(jìn)行判斷。本文從容器本體、熱沉、真空系統(tǒng)設(shè)備等多個(gè)角度列舉了檢漏實(shí)例，希望能夠給有類似設(shè)備的單位以檢漏啟發(fā)。盡管利用各種方法最終完成了檢漏工作，找到了具體漏點(diǎn)并采取了補(bǔ)漏措施，但是在人力與時(shí)間的耗費(fèi)方面也比較大，有時(shí)甚至是幾天時(shí)間才能夠找到漏點(diǎn)。環(huán)模設(shè)備一旦發(fā)生泄漏，往往要求用最短的時(shí)間將漏點(diǎn)找到，為實(shí)現(xiàn)此目的，今后擬在以下幾個(gè)方面開展工作：
1)調(diào)研或研制對(duì)大漏反應(yīng)敏感的傳感器(如光纖、超聲波)，布置在容器內(nèi)，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，將容器分成若干個(gè)區(qū)域，當(dāng)容器本體發(fā)生泄漏時(shí)能夠定位到小的區(qū)域，縮小檢漏范圍，實(shí)現(xiàn)快速定位；
2) 在開展熱沉泄漏檢漏時(shí)往往使用正壓檢漏的方法，氣泡法與吸槍法都可以采用，但均有局限。因此擬在正壓檢漏方面開展相關(guān)工作，識(shí)別微小氣流，確保快速定位。
