不銹鋼板式熱沉的氦質譜檢漏方法

趙玉坤

摘 要：熱沉是空間環境模擬器的重要組成部分，主要是用來給航天器熱平衡與熱真空實驗提供冷黑環境。不銹鋼板式熱沉是由兩片不銹鋼板通過激光焊接而成。焊接節點多，真空要求高，真空的檢驗難度大。本文主要介紹了不銹鋼板式熱沉氦質譜檢漏的方法，通過詳細的檢漏方案和方法，保證板式熱沉的真空漏率滿足常溫和冷態要求。

關鍵詞：空間環境模擬器；熱沉；真空；氦質譜檢漏

中圖分類號： V416.8 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-194-2

0 引言

熱沉是空間環境模擬器的重要組成部分，主要是用來給航天器熱平衡與熱真空實驗提供冷黑環境。我國早期的空間環境模擬器的熱沉采用紫銅材料、鋁材料還有不銹鋼管與銅翅片混合焊接結構，目前根據不銹鋼材料的特點開發了一種不銹鋼板式熱沉結構，這種熱沉結構已在歐美等國家得到了廣泛應用，他們新近研制的空間環境模擬器熱沉都采用了這種結構。我國最近研制的KM7A和KM8空間環境模擬器也是采用的不銹鋼板式熱沉。

實驗過程中先將熱沉置于真空容器中，向板式熱沉流道內通入低溫流體，為空間環境模擬設備提供100K的實驗溫度，模擬太空中的低溫環境。實驗結束后，在熱沉中通入高溫氣體，使熱沉的溫度恢復到室溫，以便容器復壓開門。實際上，熱沉就是一個大型換熱器，熱沉內的流體介質通過對流換熱方式，將冷量傳遞給熱沉壁板；熱沉壁板再通過輻射熱的方式將冷量傳遞給試驗件，進行低溫環境試驗。不銹鋼板式熱沉是由兩片不銹鋼板通過激光焊接而成，并通過充入高壓水將不銹鋼板鼓脹成型，使兩片不銹鋼板間形成連通的流道，脹板通過不銹鋼管路相連通。對于像KM7A和KM8這種大型的空間環境模擬器的熱沉，需要由幾十片甚至上百片不同形狀和不同大小的不銹鋼板式熱沉小塊通過不銹鋼管路連接組成。這種大型的熱沉其焊接的接口成百上千個，且接口間距離很近，一旦真空不合格很難判斷具體哪個點存在泄漏。所以從著手開始就要對每一小部分，每個可檢查的接口和管路進行真空氦質譜檢漏，保證高出要求一至兩個數量級的漏率，最終才能滿足整體真空漏率指標的要求。為此制定了詳細的真空檢漏方案。

1 氦質譜檢漏前處理

在進行氦質譜檢漏前，采用高溫氣體吹入的方法，將脹板熱沉、管材等待檢件進行除水處理，隨后才可進行氦質譜檢漏。

2 管材的氦質譜檢漏

脹板熱沉上所使用的各種規格型號的真空管道材料，包括進出液管、匯總管、金屬軟管、波紋管在加工前都要求經過氦質譜檢漏，其漏率均要求低于1.0×10-10Pam3/s。

2.1 管材檢漏系統

采用圖1所示的檢漏系統。輔助真空系統采用了分子泵加液氮冷阱復合系統。分子泵可將管內抽到范圍的高真空，有助于檢漏儀節流閥的充分開啟。液氮冷阱可捕集管內表面90%以上的水蒸氣，故不僅可加快檢漏速度還可提高系統的檢漏靈敏度。正式檢漏時可關掉分子泵進氣閥，讓管內全部氣體都通過檢漏儀，故可以保證系統的可檢漏率低于要求值（1.0×10-10Pam3/s）。

2.2 檢漏方法和步驟

①管材在清洗完并用熱風加熱到120℃后，待管子自然冷卻到40-60℃時立即趁熱進行檢漏，以免水蒸氣堵塞10-7Pam3/s以下的微小漏孔。匯總管與進出液管焊接的檢漏要在三次冷沖擊后進行。每兩根管子的兩端通過帶有橡膠密封槽的卡具或橡皮塞進行真空密封，管子除去端頭的其余部分全部用塑料膜套住。

②先用機械泵5將管抽至10Pa左右，即關粗抽閥改用分子泵6抽氣，直到關閉分子泵進氣閥，檢漏儀進氣閥全開，質譜室內真空度仍能滿足儀器要求為止。用裝在遠端的ST-1型標準漏孔8標定此時的可檢靈敏度和反應時間。當可檢靈敏度好于4×10-11Pam3/s時方可進行檢漏。若冷阱不加液氮難以達到要求時需向冷阱內注入液氮。

③用輔助真空泵將塑料膜套中的空氣抽出（以塑料膜緊貼管壁為準），立即充入氦氣直到膜套鼓起來為止。觀察時間大于反應時間，但不小于3分鐘；以儀器無反應為合格，此時即使氦罩內氦濃度僅為80%亦滿足漏率小于5×10-11Pam3/s的要求。

3 脹板熱沉的氦質譜檢漏

熱沉總漏率要求小于1.0×10-7Pa·m3/s。分配到每部分熱沉的指標如下：筒體熱沉每組片漏率小于1×10-8Pa·m3/s；大門和端部分別小于1×10-8Pa·m3/s；活動熱沉：小于1×10-8Pa·m3/s。；防污染板熱沉：小于1×10-9Pa·m3/s；對于每片脹板的漏率要求小于2×10-9Pa·m3/s。

3.1 除水處理

脹板脹型后內部殘留的水和汽必須在檢漏之前除去，這里采用的方法是通過專門的熱氮氣循環系統將熱氮氣通入其中，使之汽化并被氣流帶走。在脹板熱沉上下兩面均覆蓋保溫材料。中壓離心風機將空氣鼓進至電加熱爐內，電加熱爐由頂部插入四十余支電熱管，電熱管表面溫度均達到300℃以上，產生的熱空氣經空氣軟管接頭組件進入脹板熱沉。

具體裝置如圖2所示。

3.2 脹板檢漏系統

經初步估算，脹板檢漏時，其內表面的表面出氣量在3×10-4Pa.m3/s范圍，遠遠大于檢漏儀允許進氣量，因此檢漏時只能有部分氣體通過檢漏儀。若仍然采用管材的檢漏系統就只能用分子泵系統來進行分流，不僅使用很不方便，反應時間也會太長，故改用圖3所示的檢漏系統。

檢漏儀13通過冷阱和吸氣泵11接在分子泵6的前級，由于分子泵抽速比檢漏儀大得多，因此反應時間可大大縮短，通過調節分子泵與前級泵之間的蝶閥7的開度，很容易控制分流的氣量大小。冷阱可捕集水蒸氣，鋯鋁泵可吸收除氦以為的活性氣體，故有助于系統可檢靈敏度的提高。

3.3 檢漏方法和步驟

①組片經冷沖擊完畢后，與檢漏系統相連接。

②先用機械泵4將組片抽到10Pa左右，關閥3開閥5（此時分子泵已正常運轉）改用分子泵抽氣。當熱偶計指示真空度已達到10-1Pa左右時逐漸開啟節流閥13并適當關小蝶閥7，用標準漏孔1標定本系統實際可檢漏率，若達不到2×10-10Pa·m3/s的可檢靈敏度，則需延長抽氣時間或起動吸氣泵或在冷阱中加液氮進一步關小蝶閥直到系統可檢靈敏度滿足要求為止。并記下反應時間。

③逐個包檢密封焊，用塑料薄膜加上塑料玩具氣嘴做成一個一個的小氦罩，用輔助真空泵通過氣嘴抽出罩內空氣后再充入氦氣。待最后一個氦罩內充上氦氣，再觀察比反應時間長3分鐘，以儀器無反應為合格。充氦從最遠端開始，最后充靠近檢漏儀的焊縫。

④逐個包檢每個焊縫都合格后，再用塑料薄膜做一個大氦罩，將整個組片罩住。氦罩要盡可能做得密封，即使不可能用真空泵抽扁，也要設法將大部分空氣趕走，然后充入氦氣直到氦罩鼓起來為止，爭取讓氦氣的濃度大于20%，停留時間若超過反應時間3分鐘儀器仍無反應說明整片熱沉的漏率低于2×10-9Pa·m3/s（因為系統可檢靈敏度為2×10-10Pa.m3/s氦濃度為20%，則實際可檢漏率為2×10-9Pa·.m3/s。）

⑤對已檢出的不合格焊縫，在補焊后一定要進行局部冷沖擊，然后再重復b、c的檢漏步驟。