背壓法氦質譜檢測系統研制

許貴平+劉衛+高三杰

摘 要：工程應用中需開展背壓法氦質譜檢測系統展開研究和設計開發，設計內容主要包括氦質譜檢漏儀技術參數確定、預抽真空系統設計、真空容器設計以及控制系統設計等，對氦質譜檢測系統的儀器靈敏度、系統靈敏度及系統反應時間等性能參數進行了測定，結果表明檢測系統具有檢測靈敏度高和檢測效率高等優點，滿足使用要求。

關鍵詞：氦質譜檢漏 背壓法 預抽真空系統

中圖分類號：TB774 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0057-02

工件（毛坯板）在加工過程中，必須處于真空密封狀態，其外部保護層由不銹鋼框架、蓋板經真空焊接而成。其密封性能是直接影響成品率的重要因素之一，一旦出現泄漏，將會導致毛坯板在軋制工藝中出現起泡、崩裂等現象，嚴重影響結合質量，必須其密封性能進行100%的無損檢測，檢測內容包括工件的8條焊縫及堵孔焊的密封性能。可采用的泄漏檢測方法為背壓法整體檢漏和壓氦后吸槍法定點檢漏，為實現對工件高靈敏度和高效率檢測，開展了背壓法氦檢漏系統的研制。

1 氦質譜檢漏方法

工件采用的泄漏檢測方法為氦質譜背壓法和吸槍法。

背壓法檢測過程分為三步，首先進行氦加壓，將工件置于一定壓力的氦室中，有漏隙的內腔中會被滲入氦氣；其次進行凈化，用無水乙醇檫洗表面并用壓縮空氣吹掃以去除表面吸附的氦氣；最后進行檢漏，將工件放入檢漏系統的真空容器內進行檢漏。

吸槍法：用以軟管與檢漏儀質譜室相連的且被抽成真空的特制吸槍（限流的針閥）沿焊縫及堵孔進行探測，如果焊縫處有漏孔時，氦氣就會隨同周圍的空氣一起被吸槍吸入到檢漏儀質譜室中經分析而產生漏氣指示。

在進行氦檢漏時，首先采用背壓法進行100%的定性檢測，查看有無泄漏，若檢出有泄漏時，再采用吸槍法對泄漏的位置進行精確定位，以便返回焊接室進行補焊。

2 系統設計

2.1 總體設計思路

基于對氦質譜檢漏方法的深入研究和滿足科研生產的需要，檢測系統要求在背壓工藝條件下，至少能發現10-7Pa·m3/s數量級的缺陷，因此，對氦質譜檢漏系統總體設計思路圍繞提高檢測靈敏度和提高檢測效率兩方面來展開。

在提高系統檢測靈敏度方面，首先需提高氦質譜檢漏儀性能以獲得較高的儀器靈敏度，在儀器采購中選用具有較高儀器靈敏度的檢漏儀；其次預抽真空系統設計中應選取適合的材料以及正確的表面處理方式以降低材料自身存在的吸氣和放氣，系統連接中采用合適的裝配方式和焊接以降低預抽真空系統的漏氣等；最后增加真空測量裝置以便對真空容器內真空度水平進行監測，增加電磁閥管路系統對系統抽氣和放氣進行自動控制。

在提高預抽真空系統檢測效率方面，增大真空容器的容積以提高單次檢測數量；提高真空泵有效抽速，設計真空泵組進行抽氣以降低抽真空時間等。

氦質譜檢測系統由氦質譜檢漏儀、真空容器、預抽真空系統、電磁閥、控制箱、吸槍、標準漏孔、波紋管及測量數據處理計算機組成，如圖1所示。以下就檢測系統的幾個重要組成部分展開設計。

2.2 氦質譜檢漏儀技術參數確定

檢測系統中對氦質譜檢漏儀器的技術指標要求具體指標如下：最小可檢漏率優于5×10-12Pa·m3/s；漏率顯示范圍：1×10-3～5×10-12Pa·m3/s；啟動時間：≤2min；響應時間：≤1S；檢漏口最高壓力：﹥1.0×103Pa。該技術指標要求保證了氦質譜檢漏儀的儀器靈敏度，同時較寬的漏率顯示范圍還可適用于對大的泄漏點的檢測。比如：當檢漏口壓力降到1000～50 Pa時，系統自動進入粗檢模式（Gross），當檢漏口壓力降到50 Pa時，系統自動進入精檢模式（Normal）在本設計的研制中，采用了型號為ZQJ-542型的氦質檢漏儀。

2.3 預抽真空系統

預抽真空系統主要由真空獲得單元、真空測量單元和機柜三大功能單元組成。預抽真空系統在結構上采取移動機柜式結構布局設計。真空泵、真空規管以及閥門等組成單元均安裝于真空獲得機箱內，測量、控制以及電源模塊安裝在測量機柜表面，以便于操作。機柜四周門均可打開，可方便就地進行系統維修與器件更換。預抽真空系統結構如圖2所示。

真空獲得單元由真空泵組和真空系統管道所構成。采用機械泵和測量真空裝置聯接構成真空泵組，連接真空容器的管路采用了不銹鋼的波紋管，真空容器內壁做拋光處理技術，以減小容器內壁放氣。為了快速達到抽氣的效果，機械泵抽速大于8 L/s；為保證不污染檢漏系統，采用油蒸汽不返流的真空泵；檢測系統的真空泵組可在2分鐘內獲得<5 Pa以下的真空度，縮短了抽真空時間，提高了檢測效率。

2.4 真空容器設計

真空容器的材質采用316 L內拋光不銹鋼材料，容器內壁作拋光處理，以減小容器內壁放氣，外壁粗糙度小于6.3 μm，內壁粗糙度小于3.2 μm。

根據工件尺寸大小，按照每次檢查5個工件的能力設計，確定真空容器的尺寸為Φ220 mm×5 mm×650 mm，確保裝入工件后容器剩余空間盡可能小，縮短預抽真空的時間。

容器壁上設置5個對外接口，接口尺寸為KF25和KF16。其中KF25接口4個，分別接標準漏孔、真空計和檢漏儀檢漏口（由波紋管連接）和抽氣口，KF16接口作為放氣閥，放氣閥為電動控制。

真空容器一端設荷葉式開門，內有密封圈，要求關閉容器門時能密封良好；保壓時間要求：2 h內，真空容器內壓力由10～1 Pa降至不超過1 Pa；

真空容器內部采用半“O”型的槽，可將被檢工件安全放置在內，同時為了保證被檢工件不被劃傷，支撐工件的部分采用材質為放氣率很小的聚四氟乙烯，并在支撐部分開孔以確保氣體可流通，從而保證對檢漏工件不會產生盲區。

3 檢測系統性能驗證試驗endprint

根據技術指標要求，對本套氦質譜檢測系統開展儀器靈敏度測定、系統靈敏度測定和系統反應時間測定實驗，以驗證該檢測系統是否滿足技術指標要求。

3.1 系統靈敏度測定

系統靈敏度測定方法為：開啟檢漏儀，調節參數至正常工作狀態；啟動真空泵組，對真空容器抽真空至3 Pa時；打開檢漏閥，使檢漏儀與檢漏系統連通；當儀器輸出表指示值穩定后，記錄儀器本底值I0并記錄入表中，然后開始觀測每2 min內儀器輸出最大值（噪聲值）連續觀測三次，取三次噪聲值中最大的一次計算，作為本底噪聲值IN并記錄入表中。打開預抽真空系統標準漏孔后，當儀器輸出表指示值穩定，記錄標準漏孔所產生的訊號值I0并記錄入表中。

每間隔1h，重復以上操作，共重復3次，記錄測量值并填入表中。

按下式計算最小可檢漏率

Qmin=（IN/I-I0）×Q0（1-2）

式中：

Qmin——最小可檢漏率；

IN——系統噪聲值，Pa·m3/s；

I——打開標準漏孔所產生的訊號值，Pa·m3/s；

I0——系統本底值，Pa·m3/s；

Q0——標準漏孔的漏率，Pa·m3/s。

將三次Qmin取平均值得到儀器最小可檢漏率，填入記錄表中

經過三次實驗，測得系統靈敏度（最小可檢漏率）為5.7×10-11Pa·m3/s。

3.2 背壓法檢漏工藝靈敏度

被檢件的實際漏率（等效標準漏率）值和本工藝條件下的最小可檢漏率min可由下式算出：

（1-3）

式中QR——測量漏率，Pa·m3/s；

QL——等效標準漏率，Pa·m3/s；

P0——標準大氣壓力，1×105 Pa；

PE——氦氣室內氦氣的轟擊壓力，4×105Pa；

MA——空氣的摩爾質量，2.9×10-2 kg/mol；

M——氦氣的摩爾質量，4×10-3 kg/mol；

t1——加壓時間，0.5 h；

t2——凈化時間，10min；

V——被檢件內腔凈容積，m3。

根據實際檢漏條件V=5cm3，t1=0.5h，t2=10min時，公式（1-3）可簡化為：

可計算出該系統在以上工藝條件下的最小可檢漏率為（對空氣）：

=2.35×10-8 Pa·m3/s

4 結語

通過對背壓法氦質譜檢漏系統的設計、開發和研制，得到檢測系統靈敏度達到5.7×10-11Pa·m3/s，背壓工藝靈敏度達到2.35×10-8 Pa·m3/s，滿足生產工藝要求，真空室的設計使檢測效率達到一次可檢測5個工件，抽真空時間縮短至2分鐘之內，氦質譜檢測系統在檢測靈敏度和檢測效率方面均滿足要求。

參考文獻

[1] 吳孝儉.泄漏檢測[M].機械工業出版社，2004.

[2] 達道安.真空設計手冊[M].國防工業出版社，2004.

[3] 氦質譜檢漏儀使用說明書，北京中科科儀技術發展有限責任公司，2011.endprint