СПОСОБ ПОИСКА ТЕЧЕЙ Российский патент 2001 года по МПК G21C17/00 G01M3/20 

Изобретение относится к области поиска течей в изделиях, имеющих свободный объем, который перед герметизацией заполняется гелием. Такими изделиями, например, являются тепловыделяющие элементы (твэлы) легководных ядерных реакторов, например ВВЭР.

Поиск течей в них обычно осуществляют масс-спектрометрическим методом с помощью гелиевого течеискателя в вакуумной камере с объемом загрузки 1-20 шт. твэлов после предварительной опрессовки гелием и нагревания. Нагрев служит для улучшения выявления мелких течей.

Гелий используют как пробный газ, наличие которого в измерительной камере рассматривают как свидетельство того, что в ней имеется негерметичный твэл. К измерительной камере перед испытанием подключают стандартный источник гелия, с помощью которого определяют чувствительность установки и сравнивают ее с допустимой. Если она удовлетворяет предъявляемым требованиям, установку считают работоспособной. О герметичности изделий судят при сравнении замеренного потока натекания гелия в измерительную камеру с допустимым для данного типа твэлов потоком утечки (браковочным признаком). Фактическая величина потока утечки определяет степень герметичности твэлов.

Недостатком этого способа является ограниченная выявляемость крупных течей и малая загрузка камеры. Если, например, увеличивать объем загрузки, то увеличивается и время нагрева изделий. К моменту испытаний уменьшается количество гелия, поданного под оболочку твэлов при опрессовке, увеличивается поток поверхностного натекания. Для снижения потока поверхностного натекания используют иногда выдержку перед испытанием или промывку камеры инертным газом, на что расходуется дополнительное время. Это делает часть крупных течей в твэлах невыявляемой.

Изделия до опрессовки уже содержат гелий, а появление крупных течей обычно сопровождается появлением грубых повреждений или заметных отклонений по качеству герметизирующей оболочки, которые легко обнаруживают по внешнему виду, ультразвуковой или рентгеновской дефектоскопией. Поэтому опрессовку гелием иногда не применяют, как, например, в способе по патенту США N5009835. Однако в этом случае не применяют нагрев изделий, объем загрузки остается тот же. Гарантии выявления крупных течей при этом все-таки нет, так как дефекты с малым раскрытием типа трещин не выявляются указанными методами.

В таких случаях могут применять дополнительную операцию, специально предназначенную для контроля крупных течей. Так, например, в патенте США N 5625141, G 01 M 3/20, 29.04.97 о наличии крупной течи судят по изменению давления в камере, в которой находится изделие. В патенте США N 5307139, G 01 L 1/24, 26.04.94 при наборе вакуума следят за деформацией стенок изделий с помощью интерферометра.

Однако указанные способы возможны только при штучном контроле, требуют также сложного специального оборудования и практически не применимы для контроля твэлов из-за недостаточно высокого класса обработки поверхности и сравнительно большой жесткости оболочки.

Известны также способы поиска течей в изделиях, содержащих гелий, которые наиболее близки к заявляемому (патент США N 5009835, G 21 C 17/00, 23.04.89, европатент ЕР 0379946 A3, G 01 M 3/22, 21.11.99). В частности, по патенту США N5009835, принятому здесь за прототип, в качестве пробного газа используют гелий, поданный в твэлы при их герметизации. Изделия при нормальной температуре (одно или несколько) подают в вакуумную камеру, камера закрывается и вакуумируется. Одновременно в камеру подается известный поток гелия. Показания течеискателя с учетом паспортной чувствительности установки должны соответствовать этому потоку. Если показания течеискателя показывают, что натекание гелия в камеру меньше, чем известный поток, то установка не работоспособна, если они соответствуют этому потоку, то установка работоспособна, а изделия герметичны. Если же показания течеискателя больше этого значения, то в камере имеется негерметичный твэл. Таким образом одновременно происходит проверка работоспособности установки и испытание на герметичность.

Недостатками способа по прототипу являются высокие требования к стабильности работы установки, которая должна иметь постоянную чувствительность. Иначе при наличии негерметичного твэла во время одновременного измерения потока утечки из этого твэла и потока от калиброванного источника гелия можно получить положительные результаты испытаний. Эти высокие требования становятся недостижимыми при испытании на герметичность горячих изделий, как это требуется при контроле твэлов ВВЭР, а также при повышенных объемах загрузки.

К недостаткам прототипа также следует отнести невозможность выявлять более крупные течи, через которые исходный гелий успевает выйти и которые были бы обнаружены с помощью опрессовки изделий гелием. Однако использование опрессовки твэлов по прототипу создало бы еще один источник нестабильности - поток поверхностного натекания гелия от спрессованных твэлов, который колеблется от загрузки к загрузке в зависимости от многих факторов.

Целью данного изобретения является предложение такого способа поиска течей с помощью гелиевого течеискателя и проверки работоспособности установки в процессе измерения, при которых можно было бы испытывать горячие изделия с большой загрузкой, искать также и крупные течи с использованием опрессовки, но таким образом, чтобы это не сказывалось ни на работоспособности установки, ни на выявляемости крупных течей, чтобы можно было подбирать оптимальные режимы контроля с максимальной производительностью в зависимости от типа изделий и требований к ним.

Сделать это можно, если в способе по прототипу проводить два замера во время испытаний изделий: один замер с подключенным калиброванным источником гелия, другой - с отключенным. По разнице показаний определить чувствительность установки, по второму показанию - степень герметичности.

Кроме того, нужно дополнительно проводить поиск крупных течей (с малым раскрытием) тем же методом, но после предварительной опрессовки изделий гелием. При испытании твэлов на герметичность без опрессовки главной целью является прогрев всей загрузки изделий в течение достаточного для этого времени, какой бы большой эта загрузка ни была. При испытании твэлов на крупные течи с опрессовкой главным является уменьшение до минимума периода времени между опрессовкой и испытанием, какая бы температура твэлов и чувствительность установки ни была. Использование двух операций контроля позволяет создать наиболее благоприятные условия выявления для каждого вида течей - мелких и крупных.

Крупная течь дает хорошо заметный сигнал течеискателя, превышающий все фоновые уровни. Граничная течь даст сигнал, быстро уменьшающийся во времени от верхнего предела чувствительности течеискателя до нижнего. Поэтому для ее выявления подойдет даже индикаторный метод определения. Однако для наиболее полного перекрытия диапазонов выявления крупных и мелких течей должно быть принято конкретное значение потока допустимой утечки в диапазоне чувствительностей течеискателя, в котором эта утечка может быть уверенно определена над уровнями фона.

Определение чувствительности установки в ходе выполнения замера дает возможность исключить ошибку, связанную с колебаниями потоков поверхностного натекания от загрузки к загрузке, которая может быть достаточно большой при повышенной температуре изделий и больших объемах загрузок.

Большое значение для обнаружения мелких течей имеет давление гелия под оболочкой. В зависимости от конструкции твэла (давление под оболочкой) и требований к изделиям (температура испытаний, браковочный признак) один и тот же дефект в оболочке может давать разную утечку. С другой стороны, величина потока утечки косвенно характеризует размер повреждения оболочки, многое зависит от степени раскрытия дефекта. Это заставляет иногда, с одной стороны, задавать допустимую утечку для определенных (стандартных) условий течения газа (например, нормальных), с другой стороны, стремиться при изготовлении одни изделия контролировать на более высокую степень герметичности, чем того требует спецификация, другие - на уровне требований, но с максимальной производительностью. Дать возможность изготовителю в каждом конкретном случае выбирать наиболее оптимальные режимы контроля - еще одна цель данного изобретения.

Порядок поиска течей по предлагаемому способу можно подробнее описать следующим образом.

Пусть требуется контролировать изделия при температуре T_исп с внутренним давлением гелия P_тв, с допустимой утечкой q^м_доп, заданной при температуре T₀ и давлении P₀.

Предварительно определяют удельный поток поверхностного натекания от одного твэла q^м_{удел.пов}. Для этого количество изделий N, соответствующее полной загрузке печи, нагревают до температуры испытаний T_исп, определяют значение фона от изделий производят вычисления:
.

Затем находят значение браковочного признака q^м_бр, который соответствует q^м_доп при температуре испытаний. Можно показать, используя газовые законы, что:

После этого определяют n и q^м_бр в зависимости от принятого соотношения из выражения:
nq^м_{удел.пов}=q^м_бр
Затем загрузку в количестве n штук изделий нагревают в печи до температуры T_исп и перегружают в измерительную камеру установки контроля герметичности.

Предварительно определяют фон камеры
После набора вакуума снимают показание течеискателя от камеры с изделиями - 3атем подключают гелит с потоком гелия g и снова снимают показание течеискателя - Определяют чувствительность системы по формуле:

Определяют работоспособность установки контроля герметичности, которая наступает при соблюдении условия:
k=k_доп,
где k_доп - допустимая чувствительность, при которой на данной установке можно достоверно замерить поток, равный допустимой утечке q^м_доп
Определяют утечку гелия от изделий Q_и по формуле:

где фон камеры.

Сравнивают полученное значение с допустимым. Если выполняется неравенство
Q_и≅q^м_бр,
то все твэлы в камере герметичны. Если оно не выполняется, производят последовательное деление пучка и поиск негерметичного изделия.

Таким образом, условием герметичности, включающим свойства изделий, требования по герметичности и технологические параметры, будет выражение:

Это соотношение позволяет:
- при заданной допустимой утечке выбрать максимальную загрузку,
- при малой загрузке повысить определяемый уровень герметичности изделий,
- менять параметры контроля, не снижая его качества.

Тем же масс-спектрометрическим методом определяют крупные течи с предварительной опрессовкой гелием. При этом используют дополнительный браковочный признак - значение допустимой утечки для крупных течей q^к_доп, который также должен удовлетворять определенным требованиям. С одной стороны, он не может быть меньше суммарного потока поверхностного натекания от изделий:
nq^к_{удел.пов}=q^к_доп
С другой стороны, он должен обеспечивать перекрытие диапазонов выявления течей на обоих стадиях контроля. На практике для условий, когда объем загрузки при обоих операциях контроля герметичности не изменяется, происходит тогда, когда соблюдается соотношение:
q^к_доп=(100-1000)q^м_доп
Уменьшить значение коэффициента меньше 100 не дает уровень поверхностного натекания от изделий, увеличение его больше 1000 нецелесообразно из-за снижения степени перекрытия диапазонов выявления течей на обоих операциях контроля.

Таким образом, условием герметичности изделий по крупным течам является выполнение соотношения:
Q_и=(100-1000)q^м_доп
Оно позволяет, применяя те же приемы контроля, что и для мелких течей, расширить диапазон выявления течей в область больших потоков утечек, которые вместе с высокими потоками поверхностного натекания от спрессованных изделий мешали бы поиску мелких течей, если производить поиск за одну операцию.

Применение заявляемого способа поиска течей может быть показано на примере. Твэл ВВЭР-1000 представляет собой трубчатую оболочку, герметизированную по концам приваренными заглушками и имеющую внутри себя топливный столб. Свободный объем твэла заполнен при герметизации гелием под давлением P_тв = 17,5 атм. Допустимая утечка гелия из твэла равна q^м₀ = 0,185·10 мкм рт. ст. ·л/с при нормальных условиях (T₀ = 20^oC, P₀ = 1 атм). Температура испытания T_исп = 300^oC. Определили допустимую утечку при этой температуре для испытания на мелкие течи, q^м_доп=5·10^-5 мкм рт. ст.·л/с. Определив ранее экспериментально удельный поток поверхностного натекания q^м_{удел.пов}=4,4·10^-8 мкм рт. ст.·л/с из соотношения (1), нашли максимальный объем разовой загрузки n = 1136.

Решено ограничиться реальной загрузкой n_реальн=450 шт., следовательно, уровень контроля может быть повышен - браковочный признак можно уменьшить до значения:
q^м_{бр.уменьшеное}=q^м_бр/n_реальн /n=2·10^-5 мкм рт. ст.·л/с
При малых n можно повысить уровень контроля, уменьшив допустимую утечку до значения
Пучок твэлов n штук нагрели до температуры 300^oC, загрузили в установку контроля мелких течей, набрали вакуум, сняли показания течеискателя, Затем подключили гелит, определили определили превышение показания течеискателя за счет гелита вычиcлили чувствительность установки 0,33·10^-5 мкм рт. ст. ·л/с·мв, убедились в ее работоспособности. Вычислили натекание от изделий мкм рт. ст.·л/с, сравнили его с допустимым значением при данной температуре контроля, убедились в герметичности всех испытуемых изделий:
3,31·10^-5=5·10^-5 (мкм рт. ст.·л/с).

Затем тот же пучок изделий опрессовали гелием с давлением 5 атм в течение 10 минут, загрузили в камеру контроля, определили поток натекания от изделий по той же формуле
0,33·10^-5 мкм рт. ст.·л/с·мв ·(1200-500)мв=2,3·10^-3 (мкм рт. ст.·л/с)
Сравнили его с браковочным признаком для крупных течей, взятых здесь по формуле
q^к_доп=100q^м_доп=5,0·10^-3мкм рт. ст.·л/с,
убедились в отсутствии крупных течей:
2,3·10^-3<5,0·10^-3 (мкм рт. ст.·л/с).

Использование данного изобретения позволит при организации контроля герметичности изделий решить вопросы выбора технологических режимов испытания, уровня и качества контроля, стоимости его выполнения и вопросы аппаратурного оформления материальных и технических средств.

Использование: при поиске течей с помощью гелиевого течеискателя в заполненных гелием тепловыделяющих элементах легководных ядерных реакторов и проверке работоспособности установки в процессе измерения, для возможности использования в процессе измерения горячих изделий с большой загрузкой, поиска крупных течей с использованием опрессовки, подбора оптимальных режимов контроля с максимальной производительностью в зависимости от типа изделий и требований к ним. Сущность изобретения: напускают гелий от стандартного источника во время испытания изделий, определяют поток утечки гелия от изделий, сравнивают его с допустимым значением утечки, при этом для каждой температуры испытания рассчитывают объем загрузки установки контроля и величину допустимой утечки при данной температуре. Дополнительно опрессовывают изделия гелием, выполняют поиск крупных течей и рассчитывают величину браковочного признака.

Способ поиска течей с помощью гелиевого течеискателя в изделиях, содержащих свободный объем, заполненный гелием, имеющих величину допустимой утечки при заданных значениях давления и температуры и имеющих поток поверхностного натекания, включающий проверку работоспособности установки путем напуска гелия от стандартного источника во время испытаний изделий, определение потока утечки гелия от изделия и сравнение его с допустимым значением утечки, отличающийся тем, что для каждой температуры испытания определяют объем загрузки установки контроля и величину допустимой утечки при данной температуре из соотношения:

где P_тв - давление заполнения изделий гелием;
q_доп - допустимая утечка, заданная при давлении P₀ и Т₀;
qму

_{дел.пов} - поток поверхностного натекания от одного изделия, вызванный газоотделением с его наружной поверхности во время испытаний на герметичность;
qмб_р - браковочный признак, максимальный допустимый поток утечки от изделия при температуре испытаний Т_исп.;
n - объем загрузки,
и дополнительно выполняют поиск крупных течей в изделиях объема, предварительно опрессовав их гелием, при этом величину браковочного признака определяют из соотношения
qкб_р= (100-1000)qмб_р
qкб_р - браковочный признак для крупных течей.