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(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川綿陽(yáng) 621999)

0 引言

貯氫壓力系統(tǒng)是用于加注、貯存及快速釋放氫氣的小型壓力系統(tǒng)，在能源、航天及軍工產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用[1]。這類(lèi)壓力系統(tǒng)主要由高壓貯氣罐、手動(dòng)閥、電控閥(又稱(chēng)電爆閥)、安全閥及管路等構(gòu)成，高壓貯氣罐為貯存氣體元件[2]，電爆閥是控制其充放氣功能的核心元件[3]。貯氫壓力系統(tǒng)組件之間通過(guò)焊接連接，長(zhǎng)期處于氫工作介質(zhì)條件下[4]，且工作壓力高[2]，對(duì)系統(tǒng)密封性要求高，常要求其工作壓力下密封氦漏率不大于1.0×10-8Pa·m3/s。

這類(lèi)壓力系統(tǒng)常作為設(shè)備或武器產(chǎn)品的分系統(tǒng)之一，在服役期間需經(jīng)歷特定的環(huán)境載荷(常為一系列運(yùn)輸、加速度、振動(dòng)等序貫環(huán)境)，而檢測(cè)密封性是獲得其經(jīng)歷特定環(huán)境載荷后性能狀態(tài)的主要手段。氦質(zhì)譜檢漏方法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。但是，若直接對(duì)服役期間的貯氫壓力系統(tǒng)進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，涉及高壓氫氣釋放、抽真空、加注氦氣、檢漏、釋放氦氣、重新加注氫氣等環(huán)節(jié)，而工藝特性及試驗(yàn)?zāi)康牟辉试S對(duì)該類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行多次裝配及充氦檢漏。因此，有必要探索操作更簡(jiǎn)便、成本低且能獲得密封性狀態(tài)的檢測(cè)方法。

基于質(zhì)譜檢漏技術(shù)，本文提出貯氫壓力系統(tǒng)氫質(zhì)譜檢漏方法;為驗(yàn)證其有效性，研制低漏率通道型漏孔并開(kāi)展氫、氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)，以獲得初步試驗(yàn)結(jié)果。本文提出的檢測(cè)方法及獲得初步試驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)研究具有一定參考意義。

1 貯氫壓力系統(tǒng)密封性檢測(cè)方法

氦質(zhì)譜檢漏采用氦氣作為示蹤氣體，由質(zhì)譜檢漏儀實(shí)現(xiàn)漏率測(cè)量。質(zhì)譜檢漏儀主要是運(yùn)用磁質(zhì)譜理論、逆擴(kuò)散理論及質(zhì)譜分析方法制備的檢測(cè)儀器。商業(yè)化氦質(zhì)譜檢漏儀支持幾種檢漏模式，通過(guò)設(shè)置示蹤氣體的質(zhì)量數(shù)，可實(shí)現(xiàn)示漏氣體質(zhì)量數(shù)分別為2，3，4的三種檢漏模式的切換。質(zhì)量數(shù)為4即對(duì)應(yīng)氦質(zhì)譜檢漏模式，該模式下檢漏儀自帶內(nèi)校準(zhǔn)功能；質(zhì)量數(shù)為2時(shí)，對(duì)應(yīng)示蹤氣體為氫氣，即為氫檢漏模式。氦氣和氫氣都是理想的示蹤氣體，但由于氫氣易燃易爆，在實(shí)際密封性檢測(cè)中應(yīng)用較少[5]。因此，氫檢測(cè)模式應(yīng)用極少，該模式下檢測(cè)儀也沒(méi)有內(nèi)校準(zhǔn)功能。

雖然氫氣易燃易爆，但孫濤等[6]指出氫氣檢漏法已在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用，且在國(guó)內(nèi)的制冷、空調(diào)行業(yè)引起越來(lái)越多的關(guān)注；王鳳超[7]介紹了氫檢漏技術(shù)在中央空調(diào)冷水機(jī)組、工業(yè)冷凍設(shè)備等壓力容器密封性檢測(cè)中的應(yīng)用，歸納了氫檢漏的技術(shù)要點(diǎn)。不同于氫質(zhì)譜檢漏，氫氣檢測(cè)采用氫氮混合氣體作為示蹤氣體，采用氫氣檢漏儀作為檢測(cè)工具。這種檢漏儀不含質(zhì)譜儀和真空泵等部件，為帶半導(dǎo)體架構(gòu)氫氣傳感器的純電子儀器，由氫氣引起半導(dǎo)體中電流變化計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)漏率。該方法類(lèi)似氫濃度監(jiān)測(cè)，不能獲得系統(tǒng)整體的密封性情況，不適用于貯氫壓力系統(tǒng)密封性檢測(cè)。

黃文平等[8]通過(guò)試驗(yàn)探討了質(zhì)譜檢漏儀氦、氫模式下的離子加速電壓，并針對(duì)不同長(zhǎng)度的金屬毛細(xì)管，采用氦氣及氫氮混合氣體分別進(jìn)行了氦、氫模式下的密封性檢測(cè)試驗(yàn)，獲得了對(duì)應(yīng)的漏率。該研究通過(guò)氫氣濃度分別為1%和2%的氫氮混合氣體對(duì)應(yīng)氫質(zhì)譜檢測(cè)漏率值的對(duì)比，認(rèn)為氫質(zhì)譜檢測(cè)漏率與混合氣體中氫氣濃度成正比，并由此推測(cè)了純氫氣檢漏介質(zhì)對(duì)應(yīng)漏率為氫濃度1%的氫氮混合氣體對(duì)應(yīng)漏率的100倍。根據(jù)該研究，純氫氣下的氫漏率(推測(cè)計(jì)算值)與純氦氣下氦漏率比值在1～4范圍內(nèi)，無(wú)量級(jí)差異。這為貯氫壓力系統(tǒng)的密封性檢測(cè)指出了可能的方向。

因此，基于貯氫壓力系統(tǒng)自帶氫氣的特點(diǎn)，本文提出貯氫壓力系統(tǒng)氫質(zhì)譜檢漏方法，具體為：將充氫后的系統(tǒng)整體置于真空室中，以系統(tǒng)自帶氫氣作為示蹤氣體，采用氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢漏模式進(jìn)行密封性檢測(cè)，獲得對(duì)應(yīng)氫漏率。該方法直接將系統(tǒng)自帶氫氣作為示蹤氣體，未額外引入任何氣體，且系統(tǒng)整體置于真空室中，即使產(chǎn)品泄漏嚴(yán)重，發(fā)生燃燒的概率也極小，無(wú)安全性風(fēng)險(xiǎn)。因此，該方法對(duì)貯氫壓力系統(tǒng)的密封性檢測(cè)具有可行性。另外，該方法不會(huì)改變產(chǎn)品的狀態(tài)，操作簡(jiǎn)單，成本低。

2 低漏率通道型標(biāo)準(zhǔn)漏孔研制

貯氫壓力系統(tǒng)各部組件材料主要為FeCrNi奧氏體不銹鋼，其抗氧化、耐腐蝕及抗氫滲透性能優(yōu)良[9-10]，可能的泄漏部位主要為密封面和焊縫部位，為通道型泄漏。因此，本研究選定通道型漏孔為后續(xù)試驗(yàn)研究的載體，開(kāi)展低漏率通道型漏孔研制。

基于各類(lèi)通道型漏孔的特點(diǎn)[11]，選定按金屬壓扁型漏孔進(jìn)行研制。采用金屬毛細(xì)管擠壓固定的方法制作標(biāo)準(zhǔn)漏孔，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。金屬毛細(xì)管內(nèi)徑0.1 mm，由壓板、墊塊及連接螺栓固定，壓板、墊塊均由高硬度材料制成。金屬毛細(xì)管安裝在壓板與墊塊之間，通過(guò)連接螺栓預(yù)緊力大小控制金屬毛細(xì)管的擠壓變形程度，從而獲得不同漏率的通道型漏孔。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)漏孔結(jié)構(gòu)示意

對(duì)所研制的部分漏孔，通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏方法監(jiān)測(cè)了漏率隨時(shí)間變化情況。監(jiān)測(cè)情況顯示漏孔漏率穩(wěn)定，基本不隨時(shí)間發(fā)生變化，表明通過(guò)該方法可以制備漏率穩(wěn)定的漏孔。表1列出了對(duì)應(yīng)表2中1#，2#和4#漏孔的漏率變化情況，監(jiān)測(cè)漏率時(shí)毛細(xì)管出氣端直接與檢漏儀抽氣口連接，進(jìn)口端壓力0.12 MPa(表壓)。

表1 1#，2#和4#漏孔的漏率變化情況

需要說(shuō)明的是，后續(xù)對(duì)漏孔進(jìn)行的氫、氦模式下密封性檢測(cè)試驗(yàn)的時(shí)差基本可以忽略，漏孔可能存在的因金屬蠕變等而產(chǎn)生的漏率變化對(duì)本文研究沒(méi)有影響。

表2 氫、氦漏率對(duì)比情況

注：括號(hào)中的數(shù)字分別為氫漏率最小值/氦漏率最大值、氫漏率最大值/氦漏率最小值的計(jì)算值

3 氫質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于研制的漏孔，采用XL300質(zhì)譜儀開(kāi)展氫、氦檢漏模式下的密封性檢測(cè)。氦、氫檢漏模式下，示蹤氣體分別為純凈氦氣(濃度大于99.9%)和純凈氫氣(濃度大于99.9%)。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)流量計(jì)控制氣體流速為0.1 L/min。

按照氦漏率從大到小的順序?qū)β┛走M(jìn)行編號(hào)，各漏孔對(duì)應(yīng)氫、氦漏率對(duì)比情況見(jiàn)表2。其中1#，2#及4#漏率與表1中差異的主要原因?yàn)槿肟诙藟簭?qiáng)及溫濕度差異。各漏孔對(duì)應(yīng)氦質(zhì)譜及氫質(zhì)譜下漏率平均值及氫質(zhì)譜與氦質(zhì)譜的漏率比值情況見(jiàn)圖2。

圖2 氫氦漏率及比值

由表2及圖2可以看出，對(duì)于氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量級(jí)的漏孔(1#，2#，3#)，氫檢漏模式獲得的漏率穩(wěn)定，約為氦檢測(cè)模式下氦漏率的2～5倍；而當(dāng)漏孔氦漏率在10-8Pa·m3/s量級(jí)以下時(shí)，對(duì)應(yīng)氫漏率有效但不穩(wěn)定；隨著漏率進(jìn)一步減小，采用氫質(zhì)譜檢測(cè)方法已經(jīng)不能獲得有效漏率值，質(zhì)譜儀顯示的漏率值會(huì)隨著時(shí)間快速下降到系統(tǒng)漏率，然后趨于穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

黃文平等[8]所研制的漏孔，對(duì)應(yīng)氦漏率在10-3～10-2Pa·m3/s量級(jí)范圍，采用2%氫氣混合氣體測(cè)得的氫漏率在10-5～10-3Pa·m3/s量級(jí)范圍，外推到純凈氫氣下的漏率為10-3～10-1Pa·m3/s量級(jí)范圍，氫、氦漏率的比值在1～4范圍內(nèi)。本研究中，對(duì)于氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量級(jí)的漏孔，采用氫檢漏模式可以獲得穩(wěn)定的漏率，氫漏率約為氦漏率的2～5倍。以上數(shù)據(jù)表明,采用氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢測(cè)模式，對(duì)于氦漏率在10-7Pa·m3/s量級(jí)及以上通道型漏孔，可以獲得有效且穩(wěn)定的氫漏率指標(biāo)，具備可行性。但是，根據(jù)本研究中獲得的試驗(yàn)結(jié)果，隨著漏孔漏率進(jìn)一步減小，氫檢漏模式將不能獲得有效漏率值。這表明，對(duì)現(xiàn)有工業(yè)化氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢測(cè)模式，除檢漏儀沒(méi)有內(nèi)校準(zhǔn)功能外，在測(cè)量對(duì)象漏率低(一般氦漏率小于1.0×10-8Pa·m3/s)的情況下將不能獲得有效漏率值。

初步分析認(rèn)為，在測(cè)量對(duì)象氦漏率低于10-8Pa·m3/s量級(jí)情況下，采用氫質(zhì)譜檢漏模式不能獲得有效漏率值的主要原因?yàn)椋含F(xiàn)有工業(yè)化檢漏儀采用分子泵抽氣及逆擴(kuò)散模式進(jìn)行質(zhì)譜分析，由于氫氣的分子量小，分子泵對(duì)氫氣的壓縮比比對(duì)氦氣的壓縮比小，故逆擴(kuò)散到高真空質(zhì)譜室的氫比氦多，形成的儀器氫本底較高，造成儀器對(duì)氫的靈敏度降低(如對(duì)10-8Pa·m3/s量級(jí)及以下的氫氣泄漏可能按本底處理，直接抑制了)。為了進(jìn)一步提高氫檢漏的靈敏度，還需開(kāi)展相關(guān)研究。

5 結(jié)論

(1)利用現(xiàn)有氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢漏功能，可以實(shí)現(xiàn)氦漏率在10-6～10-7Pa·m3/s量級(jí)范圍及以上泄漏的漏率檢測(cè)，氫漏率指標(biāo)和氦漏率指標(biāo)有較好的相關(guān)性。

(2)對(duì)于貯氫壓力系統(tǒng)，在經(jīng)歷特定環(huán)境載荷后，將其整體置于真空室中進(jìn)行氫質(zhì)譜檢漏，能判斷是否有氦漏率10-7Pa·m3/s量級(jí)及以上的泄漏存在。

(3)由于貯氫壓力系統(tǒng)對(duì)密封性要求高，當(dāng)采用氫檢測(cè)模式能獲得有效漏率值時(shí)，系統(tǒng)密封性已不滿(mǎn)足要求。為了在漏率較小情況下也能獲得有效漏率值，對(duì)氦質(zhì)譜檢漏儀的氫檢測(cè)模式還需開(kāi)展相關(guān)工作。