Способ и устройство контроля герметичности цилиндрических обечаек корпусов жидкостных ракет Российский патент 2017 года по МПК G01M3/20 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к испытательной технике.

Развитие ракетно-космической техники сопровождается непрерывным повышением требований к герметичности систем и агрегатов. Для последних модификаций ракет-носителей уровень требований к основным элементам корпуса ракет, в том числе обечаек достигает значения показателя допустимой негерметичности - 1⋅10^-5 л⋅мкм рт.ст./с (1,33⋅10^-9 м³Па/с).

При этом столь высокие требования предъявляются к конструктивным элементам корпусов ракет, размеры которых измеряются многими метрами. Достижение высокой чувствительности при испытании на герметичность столь габаритных изделий представляет большую проблему. Еще более трудная задача - установление местонахождения дефектов герметичности для выполнения операций ремонта.

Известны способы контроля локальной негерметичности масс-спектрометрическими методами, регламентированные ОСТ 92-1527-89 «Изделия отрасли. Методы испытания на герметичность с применением масс-спектрометрических течеискателей»:

- метод «щупа»;

- метод обдува гелием;

- метод вакуумных присосок;

- метод накопления гелия в локальной камере.

Две причины ограничивают и препятствуют их применению при поиске негерметичностей малого порядка на крупногабаритных сборочных единицах:

- высокая трудоемкость и малая производительность;

- недостаточная чувствительность и надежность контроля.

Поиск течей на изделиях с поверхностями, измеряемых десятками и сотнями квадратных метров, требует многосуточных затрат времени, трудозатраты - до 200…300 н-час.

Контроль проводится в среде окружающего атмосферного воздуха, содержащего пары влаги, частиц пыли. Как показывают последние исследования, микронеплотности с проницаемостью ~1⋅10^-5 л⋅мкм рт.ст./с (1,33⋅1⋅10^-9 м³Па/с) теряют проницаемость за счет конденсации капиллярной влаги через 2…4 часа пребывания изделия в атмосфере с относительной влажностью 60,0…80,0%. Практическая чувствительность контроля не превышает

5⋅10^-4 л⋅мкм рт.ст. (6,65⋅10^-8 м³Па/с).

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способы и устройства контроля зоны расположения дефекта герметичности методами вакуумной присоски и накопления гелия в локальной камере. Однако эти способы, как уже указано выше, характеризуются недостаточной чувствительностью, надежностью, и производительностью.

Контроль методом вакуумной присоски изделий с большими поверхностями - малопроизводителен, поскольку для перестановки присоски на новый участок контроля, герметизации с поверхностью изделия, достижения под ее поверхностью высокого вакуума и требуется достаточно большое время, к тому же достижимая чувствительность в связи трудностью герметизации ее на поверхности ограничена значением 1⋅10^-3…5⋅10^-4 л⋅мкм рт.ст./с. (1.33⋅10^-7…6,65⋅10^-8 м³Па/с).

Метод накопления гелия в локальной камере для установления зоны расположения дефекта требует многократной перестановки локальной камеры и герметизации ее на поверхности изделия, что также требует больших затрат труда и времени, а при ускорении процесса снижаются чувствительность контроля до значений - не выше 1⋅10^-3…5⋅10^-4 л⋅мкм рт.ст./с. (1.33⋅10^-7……6,65⋅10^-8) м³Па/с и надежность контроля герметичности.

Цель изобретения - повышение чувствительности, надежности контроля герметичности, сокращение затрат труда и времени на поиск дефектов герметичности и повышение производительности испытаний.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу контроля герметичности, заключающемуся в размещении изделия - цилиндрической обечайки, объем которой герметизирован по торцам, в вертикальном положении осевой линии на монтажном столе испытательной вакуумной камеры, подключении к внутреннему объему изделия магистрали подачи давления контрольного газа, помещении изделия в объем испытательной вакуумной камеры, удалении из объема испытательной камеры атмосферного воздуха до достижения в ее объеме остаточного давления менее 1⋅10^-4…5⋅10^-5 мм рт.ст., нагружении изделия избыточным давлением контрольного газа и регистрации и измерения утечки контрольного газа в объем испытательной камеры масс-спектрометрическим течеискателем, согласно изобретению дополнительно к измерению общей негерметичности контролируемого изделия обеспечивается возможность определения зоны дефекта на его поверхности путем использования кольцевой локальной камеры, объем которой может быть сообщен гибким вакуумпроводом с вакуумной системой масс-спектрометрического течеискателя, локальной камеры, способной последовательно, пошагово перемещаться вдоль всей боковой цилиндрической поверхности изделия, создавая герметичное соединение с поверхностью изделия после каждого шага последовательного перемещения, обеспечивая при этом контроль герметичности каждой кольцевой зоны цилиндрической поверхности изделия, а для установления местонахождения дефекта герметичности под периметром кольцевой камеры отключают системы вакуумной откачки общей испытательной и локальной камер, производят напуск атмосферного воздуха в объем испытательной камеры и чистого сухого воздуха в объем локальной камеры до атмосферного давления при сохранении избыточного испытательного давления контрольного газа в объеме контролируемого изделия (выше атмосферного значения) и производят выдержку в течение времени τ_н, сек:

,

где q - величина негерметичности кольцевой зоны изделия, установленная при контроле с использованием локальной камеры, л⋅мкм рт.ст./сек;

- объем контрольной доли общего внутреннего объема V локальной камеры, л;

, ед - рекомендуемое четное количество равных контрольных долей внутреннего объема кольцевой локальной камеры, симметрично расположенных относительно точки подключения вакуум-провода, где

d_k - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры, дм;

s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой, дм;

С - объемная концентрация гелия в контрольном газе, %;

P_min=(1,5…2,0)⋅С_ф⋅Р_а мкм рт.ст. - минимальное парциальное давление гелия, надежно регистрируемое течеискателем на фоне его атмосферного содержания, где:

С_ф - объемное содержание гелия в атмосферном воздухе, ед;

Р_а - давление атмосферного воздуха, мкм рт.ст.

и по истечении времени τ_н обеспечивают циркуляцию воздуха в объеме локальной камеры к штуцеру подключения гибкого контрольного вакуум-провода с объемным расходом Q_в при условии равноценного напуска чистого сухого воздуха через гибкий трубопровод, подключенный к объему кольцевой камеры в точке, противоположной подключению контрольного вакуум-провода, а координату расположения дефекта под периметром локальной камеры L_∂ определяют по значению времени τ_max, сек установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя на поток анализируемого газа, поступающего в систему напуска течеискателя через щуп-зонд, подключенный к контрольному вакуум-проводу:

, дм, где

Q_в - объемный расход воздуха, циркулирующий в объеме локальной камеры к штуцеру подключения контрольного вакуум-провода и поступающий через трубопровод напуска с противоположного конца локальной камеры, нл/сек;

V - общий внутренний объем локальной камеры, л;

а для установления под какой из симметрично расположенных долей объема кольцевой локальной камеры находится дефект герметичности после прекращения циркуляции воздуха выполняют повторную выдержку в течение времени τ_н, сек и затем контролируют содержание фактически накопленного в объеме локальной камеры гелия при его поступлении из микронеплотности путем обследования через два симметричных контрольных штуцера на поверхности локальной камеры, расположенных на расстояниях по периметру кольцевой камеры близких значению L_∂, слева и справа от точки соединения контрольного вакуум-провода с объемом локальной камеры.

А также применением устройства контроля герметичности цилиндрических обечаек корпусов жидкостных ракет, включающего испытательную вакуумную камеру в составе монтажного стола для размещения контролируемого изделия с вертикальным положением его оси и вакуумного колпака, устройство герметизации нижнего торца изделия и заглушку для герметизации его верхнего торца, систему подачи в объем изделия контрольного газа, систему вакуумной откачки испытательной камеры и систему контроля герметичности изделия масс-спектрометрическим течеискателем, согласно изобретению оно дополнительно содержит кольцевую локальную камеру, которая имеет возможность располагаться в плоскости, перпендикулярной продольной оси изделия соосно с его цилиндрической поверхностью, снабженную устройством ее осевого шагового перемещения вдоль всей боковой поверхности изделия, которое выполнено в виде не менее трех винтовых приводов, причем, их приводные колонки с винтовой резьбой имеют возможность располагаться у внешней поверхности изделия параллельно продольной его оси и сообщены с шаговыми электродвигателями, расположенными под монтажным столом вне объема вакуумной испытательной камеры, а противоположные концы винтовых колонок входят в подшипники, установленные на траверсах, прикрепленных к заглушке, и подшипники, смонтированные на монтажном столе, а общий объем кольцевой локальной камеры ограничен кольцевыми уплотнительными прокладками полого сечения, которые имеют возможность после подачи во внутреннюю полость от герметичной гибкой магистрали, выведенной из объема испытательной вакуумной камеры, раздувающего сжатого воздуха обеспечивать герметичное соединение кольцевой локальной камеры с поверхностью изделия, а общий объем локальной камеры соединен герметично гибким контрольным вакуум-проводом, выведенным из объема испытательной камеры и соединенным с вакуумной системой контроля герметичности масс-спектрометрическим течеискателем, при этом образованный под кольцевой камерой объем условно разделен по ее периметру на равные контрольные доли ее объема в четном количестве долей, симметрично расположенных относительно точки подключения к объему локальной камеры гибкого контрольного вакуум-провода, где d_k - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры, дм, s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой, дм, а на наружной поверхности локальной камеры напротив каждой из ее равных долей расположены контрольные штуцеры, снабженные разделяющими диафрагменными перегородками, изготовленными из эластичного материала, и снабженные герметичными заглушками, кроме того, к гибкому контрольному вакуум-проводу подключен побудитель расхода воздуха, а с противоположной стороны расположения точки подключения вакуум-провода к кольцевой камере к ней подключен гибкий трубопровод подачи чистого сухого воздуха.

Кроме того, передача вращающего момента от шаговых двигателей, расположенных вне объема вакуумной камеры, к винтовым приводным колонкам, расположенным в объеме вакуумной камеры, осуществляется с помощью магнитных муфт.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются:

- возможность контроля общей герметичности изделия (обечайки корпуса жидкостной ракеты) и последующего установления кольцевой зоны цилиндрической поверхности обечайки, на которой располагается дефект герметичности, благодаря использованию кольцевой локальной камеры, последовательно, пошагово перемещающейся вдоль всей боковой поверхности изделия;

- возможность последующего установления местоположения дефекта на участке боковой цилиндрической поверхности изделия с размерами - , где d_и - диаметр цилиндрической поверхности изделия, дм, s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой, дм, методом накопления гелия, проникающего через сквозную микронеплотность в объем локальной камеры, предварительно заполненной чистым, сухим воздухом, с последующим после выдержки в течение времени τ_н, сек установлением зоны расположения дефекта в объеме локальной камеры по длительности τ_max, сек максимального сигнала течеискателя при условии обеспечения циркуляции воздуха внутри кольцевой локальной камеры с объемным расходом Q_в, а также после повторной выдержки в течение времени τ_н уточнение местоположения течи контролем концентрации гелия в долях объема локальной камеры, симметрично расположенных относительно точки подключения контрольного вакуум-провода.

Благодаря указанным отличиям достигаются повышение чувствительности, надежности контроля герметичности, сокращаются затраты труда и времени на поиск дефектов герметичности и повышается производительность испытаний.

Повышение чувствительности и надежности контроля при поиске локальной герметичности в сравнении с традиционной технологией поиска способами вакуумных присосок, накопления гелия в локальной камере, обдува гелием достигается уменьшения фоновых потоков гелия, вызванных негерметичностью в стыке присосок с поверхностью изделия, исключения контакта поверхности изделия с атмосферным воздухом, содержащим влагу и другие производственные загрязнения (пыль, пары летучих веществ и т.п.).

Сокращение трудозатрат, времени на поиск местоположения течи обусловлен механизацией и возможной автоматизацией технологического процесса, благодаря этому же значительно увеличивается производительность работ по поиску течей.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются:

- наличие дополнительной кольцевой локальной камеры, расположенной в плоскости, перпендикулярной продольной оси изделия соосно с его цилиндрической поверхностью, объем которой с помощью гибкого контрольного вакуум-провода может соединяться с вакуумной системой масс-спектрометрическкого течеискателя, обеспечивая возможность контроля герметичности кольцевого пояса поверхности изделия;

- наличие устройства осевого шагового перемещения кольцевой локальной камеры вдоль всей боковой поверхности изделия, выполненного в виде нескольких винтовых приводов, причем, их приводные колонки с винтовой резьбой располагаются у внешней поверхности изделия параллельно продольной его оси и сообщены с шаговыми электродвигателями, расположенными под монтажным столом

- наличие устройства герметизации кольцевой локальной камеры на каждом последовательном шаге ее перемещения вдоль всей боковой поверхности изделия двумя кольцевыми уплотнительными прокладками полого сечения после подачи во внутреннюю полость от раздувающего давления сжатого воздуха

- наличие системы циркуляции сухого чистого воздуха в объеме кольцевой локальной камеры с использованием побудителя расхода для установления координаты расположения зоны расположения дефекта герметичности;

- наличие на поверхности кольцевой локальной камеры четного количества контрольных штуцеров, симметрично расположенных относительно точки подключения контрольного вакуум-провода, для точного установления зоны расположения дефекта герметичности по периметру камеры;

- передача вращающего момента от шаговых двигателей, расположенных вне объема вакуумной камеры, к винтовым приводным колонкам, расположенным в объеме вакуумной камеры с помощью магнитных муфт.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство контроля герметичности цилиндрических обечаек корпусов жидкостных ракет-носителей позволяют в значительной степени повысить надежность и чувствительность контроля, снизить затраты труда и времени на поиск зоны расположения дефекта. Предлагаемые решения могут быть также практически реализованы в процессах испытаний цилиндрических оболочек, составляющих основу конструкций емкостей в авиастроении, судостроении, изготовлении герметичных конструкций в химической, ядерно-энергетической и других отраслях промышленности. Заявляемое решение может быть промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «промышленная применимость».

Сравнение заявляемого технического решения с уровнем техники по научно-технической литературе и патентным источникам показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна. Следовательно, оно соответствует условию патентоспособности - «новизна».

Анализ известных технических решений в данной области техники показывает, что предлагаемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема устройства контроля герметичности цилиндрических обечаек корпуса жидкостной ракеты-носителя, позволяющего выполнить измерение ее общей негерметичности с чувствительностью до ~1⋅10^-4…1⋅10^-5 л⋅мкм рт.ст./с (1,33⋅10^-8…1,33⋅10^-9 м³Па/с) и провести оперативный поиск области местоположения дефекта (дефектов герметичности, если их несколько).

Устройство включает испытательную вакуумную камеру в составе монтажного стола 1 для размещения контролируемого изделия 2 с вертикальным положением его оси и вакуумный колпак 3, устройство герметизации нижнего торца изделия на монтажном столе (на схеме не показано) и заглушку для герметизации его верхнего торца 4, систему подачи в объем изделия давления контрольного газа 5, систему вакуумной откачки испытательной камеры 6 и систему контроля герметичности изделия масс-спектрометрическим течеискателем 7.

Устройство дополнительно содержит кольцевую локальную камеру 8, расположенную в плоскости, перпендикулярной продольной оси изделия 2 соосно с цилиндрической поверхностью изделия 2, снабженную устройствами шагового перемещения 9, 10 ее вдоль продольной оси изделия, и с возможностью герметизации кольцевой камеры 8 на поверхности изделия 2 в каждом последующем положении, причем, обеспечена после получения рабочего вакуума в испытательной камере 1, 3 (остаточное давление менее 1⋅10^-4…5⋅10^-5 мм рт.ст.) и подачи избыточного давления контрольного газа от системы 5 в объем изделия 2 возможность последовательного пошагового перемещения и герметизации кольцевой камеры 8 вдоль всей боковой цилиндрической поверхности изделия 2.

Объем локальной камеры 8 после каждого акта ее пошагового перемещения и герметизации на поверхности изделия подключается через гибкий герметичный вакуум-провод 11 и клапаны 12 и 13 к системе контроля герметичности 7, позволяющей оценить степень герметичности каждого кольцевого участка цилиндрической оболочки изделия 2, а через клапан 14 к побудителю расхода воздуха 15. На противоположном конце кольцевой локальной камеры к ее объему подключен гибкий трубопровод 16, через клапан 17 сообщаемый с системой подачи чистого сухого воздуха (на схеме не показана).

Пошаговое перемещение кольцевой локальной камеры 8 осуществляется несколькими винтовыми приводами: приводные колонки с винтовой резьбой 9 располагаются параллельно продольной оси изделия 2 у внешней его поверхности, а привод вращения винтов 10 осуществляется с помощью шаговых электродвигателей, распложенных вне объема вакуумной испытательной камеры, а противоположные концы винтовых колонок 9 входят в подшипники 18 траверс 19, закрепленных к заглушке 4, и подшипники 20, смонтированные на столе 1 у противоположного торца изделия 2.

Герметизация локальной камеры 8 с поверхностью изделия 2 осуществляется деформацией двух полых кольцевых уплотнительных прокладок 21 после подачи во внутреннюю кольцевую полость каждой прокладки раздувающего давления сжатого воздуха через гибкий трубопровод 22, клапан 33 от пневмопульта 23.

Общий объем кольцевой локальной камеры 8 условно разделяется по ее периметру на равные контрольные зоны. Количество этих зон - четное, причем равное количество таких зон располагается симметрично слева и справа относительно точки присоединения к объему кольцевой камеры гибкого вакуум-провода 11. Рекомендуемое общее количество условных зон - , где d_k - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры, s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой 8. На наружной поверхности кольцевой локальной камеры 8 напротив каждой из ее равных долей располагаются контрольные штуцеры 24, снабженные разделяющими диафрагменными перегородками толщиною 1,5…3,0 мм, изготовленными из эластичного материала (вакуумные резины, фторопласт, полиэтилен и т.п.) и закрываемые на период испытания изделия в вакуумной испытательной камере герметичными заглушками (на схеме не показаны).

Кроме того, передача вращающего момента от шаговых двигателей 10, расположенных вне вакуумной камеры, к нескольким (не менее 3-х) винтовым приводным колонкам 9, расположенным в объеме вакуумной камеры, осуществляется с помощью магнитных муфт 25.

Масс-спектрометрический течеискатель 7 может быть также соединен с объемом контрольного трубопровода 11 через клапаны 14, 27, 26 и натекатель 29. Сообщение масс-спектрометрического течеискателя 7 с игольчатым щупом 30 осуществляется через клапан 28, натекатель 29 и клапан 27.

Способ контроля герметичности реализуется следующим образом.

Контролируемое изделие - обечайка 2 устанавливается на столе 1 вакуумной испытательной камеры и герметично соединяется с ним по нижнему торцу. Затем заглушка 4 в комплекте с кольцевой камерой 8 и винтовыми колонками 9 (кольцевая камера 8 в этот момент находится в крайнем нижнем положении) устанавливается на верхнем торце обечайки 2, таким образом, чтобы нижние концы винтовых колонок 9 сочленились с подшипниками 20 на столе 1 и катушками магнитных муфт 25. Заглушка 4 герметизируется на верхнем торце обечайки 2. Внутренний объем кольцевой локальной камеры 8 соединяется через контрольный вакуум-провод 11 с системой масс-спектрометрического течеискателя 7. Внутренний объем уплотнительных прокладок 21 через гибкий трубопровод 22 и клапан 33 соединяется с пневмопультом 23. Внутренний объем изделия 2 подключается к пульту подачи контрольного газа (гелий или смесь гелия с воздухом) 5.

Вакуумный колпак 3 устанавливается и герметизируется на столе 1.

После включения системы вакуумной откачки 6 и открытия клапанов 31, 32 происходит удаление атмосферного воздуха из объема испытательной камеры 1,3 и откачка его до остаточного давления ≤1⋅10^-4…5⋅10^-5 мм рт.ст., внутренний объем изделия 2 от пульта 5 через клапан 34 заполняется контрольным газом (гелием или смесью гелия с воздухом) при давлении испытания, большим атмосферного (избыточным). С использованием системы масс-спектрометрического контроля 7 через клапаны 32, 31, 13 выполняется операция контроля общей герметичности изделия. Если значение измеренного общего потока контрольного газа Q_и превышает допустимое значение , приступают к операции поиска местонахождения дефекта герметичности.

Для этого подключают объем локальной камеры 9 через контрольный вакуум-провод 11 и клапаны 12 и 13 к вакуумной системе масс-спектрометрического течеискателя 7 и при последовательном, пошаговом перемещении локальной камеры 8 вдоль всей поверхности изделия снизу-вверх контролируют герметичность каждой из зон, охватываемых локальной камерой, после герметизации камеры на поверхности изделия подачей с пульта 23 через клапан 33 раздувающего уплотнительные элементы 21 камеры давления воздуха. При этом устанавливают кольцевую зону изделия 2, на которой располагается дефект герметичности изделия.

Для установления местонахождения дефекта герметичности под периметром кольцевой камеры 8 отключают системы вакуумной откачки общей испытательной и локальной камер закрытием клапанов 30, 12 производят напуск атмосферного воздуха в объем испытательной камеры через клапан 35 и чистого сухого воздуха (точка росы не выше - -40°C, класс чистоты 1 по ОСТ 92-1577-78 «Воздух сжатый и азот газообразный. Технические требования и методы контроля») в объем локальной камеры 8 через клапан 17 до атмосферного давления при сохранении избыточного испытательного давления контрольного газа в объеме контролируемого изделия, и производят выдержку в течение времени τ_н, сек:

, где

q - величина негерметичности кольцевой зоны изделия, установленная при контроле с использованием локальной камеры, л⋅мкм рт.ст./сек;

- объем контрольной доли общего внутреннего объема V, локальной камеры, л;

- рекомендуемое четное количество равных контрольных долей внутреннего объема кольцевой локальной камеры, симметрично расположенных относительно точки подключения контрольного вакуум-провода, ед;, где

d_k - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры, дм;

s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой, дм;

Значения P_min - минимальное парциальное давление гелия, надежно регистрируемое течеискателем на фоне его атмосферного содержания мкм рт.ст.;

P_min=(1,5…2,0)⋅С_ф⋅Р_а=(1,5…2,0)⋅5⋅10^-6⋅0,76⋅10⁶=(5,7…7,6), где:

С_ф=5⋅10^-6 - объемное содержание гелия в атмосферном воздухе, ед;

Р_а=0,76⋅10⁶ - давление атмосферного воздуха, мкм рт.ст.

По истечении времени τ_н обеспечивают с использованием побудителя расхода 15 через клапаны 14 и 36 циркуляцию воздуха в объеме локальной камеры 8 к штуцеру подключения контрольного вакуум-провода с объемным расходом Q_в при условии равноценного напуска чистого сухого воздуха через клапан 17 и гибкий трубопровод 16, подключенный к объему кольцевой камеры в точке, противоположной подключению контрольного вакуум-провода 11, а координату расположения дефекта под периметром локальной камеры L_∂ определяют по значению времени τ_max, сек установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя на поток анализируемого газа, поступающего в систему напуска течеискателя 7 через клапаны 14, 26, 27 и натекатель 29.

, дм, где:

Q_в - объемный расход воздуха, подаваемый побудителем расхода 15 и поступающий в объем локальной камеры 8 через трубопровод 16 и клапан напуска 17, нл/с;

V - общий внутренний объем локальной камеры, л;

τ_max - время установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя на поток контрольного газа, поступающего через зонд-натекатель 30 и анализируемого течеискателем 7, сек.

Для установления под какой из симметрично расположенных долей объема кольцевой локальной камеры 8 находится дефект герметичности после прекращения циркуляции воздуха выполняют повторную выдержку в течение времени τ_н, после выдержки снимают с монтажного стола 1 крышку камеры - вакуумный колпак 3, и затем после удаления технологических заглушек контролируют содержание фактически накопленного в объеме локальной камеры гелия (при его поступлении из микронеплотности) путем обследования с помощью игольчатого щупа 30 прокалыванием эластичных диафрагм в двух симметричных контрольных штуцеров 24 на поверхности локальной камеры 8, расположенных на расстояниях по периметру кольцевой камеры, близких значению L_∂ слева и справа от точки соединения контрольного вакуум-провода с объемом локальной камеры. При этом поступление анализируемого газа в систему напуска течеискателя 7 осуществляется прокачкой вакуумным насосом 6 через клапан 13, клапаны 28, 27 и игольчатый щуп 30.

Пример конкретного выполнения способ приведен ниже.

Необходимо выполнить испытания на герметичность обечайки топливного бака жидкостной ракеты с установлением зоны местонахождения сквозной микронеплотности.

Исходные данные:

1. Размеры обечайки:

- диаметр наружной цилиндрической поверхности d=30,0 дм;

- длина обечайки .

2. Условия контроля:

- метод контроля герметичности - вакуумный масс-спектрометрический;

- давление испытания Р=0,5 МПа;

- контрольный газ - смесь гелия с воздухом с объемной концентрацией гелия - 80,0%;

- допустимая негерметичность обечайки Q_доп=1⋅10^-4 л мкм рт.ст. (1,33⋅10^-8 м³Па/с);

- при обнаружении общей негерметичности обечайки, превышающей допустимое значение, необходимо установить зону местонахождения дефекта на поверхности изделия.

Для решения задачи используется испытательная установка, изготовленная по схеме чертежа, включающая кольцевую локальную камеру, схематично показанную на чертеже. Размеры камеры:

- внутренний диаметр - d_вн=30,06 дм;

- ширина зоны охвата по цилиндрической поверхности - s_к=2 дм;

- внутренний объем локальной камеры в состоянии герметичного соединения с поверхностью изделия - V≈6 л;

- количество условных контрольных зон в объеме кольцевой локальной камеры:

- объем условной контрольной зоны ;

- минимальное парциальное давление гелия, надежно регистрируемое течеискателем на фоне его атмосферного содержания:

P_min=(1,5…2)⋅5⋅10^-6⋅0,76⋅10⁶=(5,7…7,6)≈7,0 мкм рт.ст.

- длительность выдержки для накопления контрольного газа в условной контрольной зоне 4 при q=1⋅10^-4 л⋅мкм рт.ст.

- координату расположения дефекта под периметром локальной камеры L_∂ необходимо определять по соотношению:

, дм,

если Q_в=0,01 л/сек, V=4 л

L_∂=47,2⋅(1-0,0025⋅τ_max) дм.

Контроль герметичности обечайки выполняется следующим образом.

Контролируемое изделие - обечайка 2 устанавливается на столе 1 вакуумной испытательной камеры и герметично соединяется с ним по нижнему торцу. Затем заглушка 4 в комплекте с кольцевой камерой 8 и винтовыми колонками 9 (кольцевая камера 8 в этот момент находится в нижнем положении) устанавливается на верхнем торце обечайки 2, таким образом, чтобы нижние концы винтовых колонок сочленились с подшипниками 20 на столе 1 и катушками магнитных приводов 25. Заглушка 4 герметизируется на верхнем торце обечайки 2. Внутренний объем кольцевой локальной камеры 8 соединяется через вакуум-провод 11 с системой масс-спектрометрического контроля 7. Внутренний объем уплотнительных прокладок 21 через гибкий трубопровод 22 и клапан 33 соединяется с пневмопультом 23. Внутренний объем изделия 2 подключается к пульту подачи контрольного газа 5.

Крышка испытательной камеры - вакуумный колпак 3 устанавливается и герметизируется на столе 1.

После включения системы вакуумной откачки 6 и открытия клапанов 32, 31 происходит удаление атмосферного воздуха из объема испытательной камеры и откачка его до остаточного давления ≤5⋅10^-5 мм рт.ст., внутренний объем изделия 2 от пульта 5 через клапан 34 заполняется контрольным газом (смесью гелия с воздухом с объемной концентрацией гелия 80%) при давлении испытания, большим атмосферного (0,5 МПа). С использованием системы масс-спектрометрического контроля 7 через клапаны 32, 31, 13 выполняется операция контроля общей герметичности изделия 2.

При испытании установлена величина общей негерметичности обечайки - 2,5⋅10^-3 л мкм рт.ст. Последовательным перемещением кольцевой локальной камеры с нижнего уровня на пятом шаге локального контроля через клапаны 12 и 13 установлена кольцевая зона местоположения течи. Подтверждена также при локальном контроле величина течи - 2,0⋅10^-4 л⋅мкм рт.ст.

Предстояла задача - установить зону расположения дефекта под оболочкой локальной камеры 8. Для этого отключены системы вакуумной откачки общей испытательной и локальной камер закрытием клапанов 32, 12 произвели напуск атмосферного воздуха в объем испытательной камеры через клапан 35 и чистого, сухого воздуха (точка росы ниже - -40°C, класс чистоты 1 по ОСТ 92-1577-78 «Воздух сжатый и азот газообразный. Технические требования и методы контроля») в объем локальной камеры через клапаны 14 и 36 до атмосферного давления при сохранении избыточного испытательного давления контрольного газа в объеме контролируемого изделия, и произвели выдержку в течение времени τ_н:

час, где

q=5⋅10^-4 л мкм рт.ст. - величина негерметичности кольцевой зоны изделия, установленная при контроле с использованием локальной камеры, л мкм рт.ст./сек;

- объем контрольной доли общего внутреннего объема V локальной камеры, л;

n - четное количество равных контрольных долей внутреннего объема кольцевой локальной камеры, симметрично расположенных относительно точки подключения контрольного вакуум-провода, ед; рекомендуемое четное значение

, где

d_k=30,08 дм - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры;

s_k=2,0 дм - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой. Принимаем значение n=40.

С=80,0% - объемная концентрация гелия в контрольном газе;

P_min=(1,5…2)⋅γ⋅P_a=(1,5…2)⋅5⋅10^-6⋅0,76⋅10⁶=(5,7…7,6)≈7,0 минимальное парциальное давление гелия, надежно регистрируемое течеискателем на фоне его атмосферного содержания, мкм рт.ст.;

- С_ф=5⋅10^-6 - объемное содержание гелия в атмосферном воздухе, ед;

- Р_а=0,76⋅10⁶ мкм - давление атмосферного воздуха.

По истечении времени τ_н=2,0 час обеспечивают с использованием побудителя расхода 15 через клапаны 14 и 36 циркуляцию воздуха в объеме локальной камеры к штуцеру подключения гибкого контрольного вакуум-провода 11 с объемным расходом Q_в=0,01 л/с при условии равноценного (т.е. Q_в=0,01 л/с) напуска чистого сухого воздуха через гибкий трубопровод 16 и клапан 17, подключенный к объему кольцевой камеры 8 в точке, противоположной подключению контрольного гибкого вакуум-провода 11, а координату расположения дефекта под периметром локальной камеры L_∂ определяют по значению времени установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя на поток анализируемого газа, поступающего в систему напуска течеискателя через щуп-зонд, подключенный к контрольному вакуум-проводу:

, дм, где

Q_в=0,01 нл/с - объемный расход воздуха, поступающий в объем локальной камеры через трубопровод напуска;

V=6 л - общий внутренний объем локальной камеры;

τ_max=160 сек - время установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя на поток анализируемого газа, полученное в результате испытания;

При установленной производительности побудителя расхода воздуха Q_в=0,01 л/с значение .

Номер контрольной зоны: .

Таким образом, течь располагается в 15-й доле объема кольцевой локальной камеры справа или слева, от точки подключения контрольного вакуум-провода.

Для установления под какой из симметрично расположенных долей объема кольцевой локальной камеры находится дефект герметичности после прекращения циркуляции воздуха выполняют повторную выдержку в течение времени τ_н=2,2 час, после выдержки снимают с монтажного стола 1 крышку камеры - вакуумный колпак 3, и затем после удаления технологических заглушек контролируют содержание фактически накопленного в объеме локальной камеры гелия при его поступлении из микронеплотности путем обследования через два симметричных контрольных штуцера 24 на поверхности локальной камеры 8, расположенных на расстояниях по периметру кольцевой камеры, близких значению L_∂=34,6 дм слева и справа от точки соединения контрольного вакуум-провода с объемом локальной камеры. Перед испытанием с контрольных штуцеров 24 сняты заглушки. Обследование выполняется после введение иглы контрольного щупа зонда 30 через контрольные штуцеры в объем локальной камеры прокалыванием эластичных диафрагм. Ниже приводятся значения реакции масс-спектрометрического течеискателя после введения иглы контрольного зонда в объем локальной камеры через штуцеры прокалыванием эластичных диафрагм.

Таким образом установлено, что дефект герметичности располагается в зоне 15-й, от точки подключения контрольного вакуумпровода доли объема кольцевой локальной камеры слева в прямоугольной зоне .

Поиск такой течи на установленной площади локальными методами, например, «методом щупа» не представляет затруднений.

Изобретение относится к области контроля устройств на герметичность и может быть использовано для контроля герметичности цилиндрических обечаек корпусов жидкостных ракет. Сущность: размещают изделие (2), объем которого герметизирован по торцам, в вертикальном положении осевой линии на монтажном столе (1) испытательной вакуумной камеры (3). Подключают к внутреннему объему изделия (2) магистраль подачи давления контрольного газа. Устанавливают на монтажном столе (1) и герметизируют вакуумный колпак испытательной вакуумной камеры (3). Удаляют из объема испытательной камеры (3) атмосферный воздух. Нагружают изделие (2) избыточным давлением контрольного газа. Регистрируют и измеряют утечку контрольного газа в объем испытательной камеры (3) масс-спектрометрическим течеискателем (7). Дополнительно к измерению общей негерметичности контролируемого изделия (2) определяют зону расположения сквозной микронеплотности на его поверхности. Для этого используют кольцевую локальную камеру (8), объем которой сообщен гибким вакуум-проводом (11) с вакуумной системой масс-спектрометрического течеискателя (7). Последовательно пошагово перемещают локальную камеру (8) вдоль всей боковой цилиндрической поверхности изделия (2), создавая герметичное соединение с его поверхностью после каждого шага. Регистрируют показания масс-спектрометрического течеискателя (7). Определяют кольцевую зону расположения дефекта герметичности на поверхности изделия (2). При этом образованный под кольцевой камерой (8) объем условно разделен по ее периметру на равные контрольные доли в четном количестве. Для установления местонахождения дефекта герметичности под периметром кольцевой камеры (8) отключают системы вакуумной откачки испытательной (3) и локальной (8) камер. Затем производят напуск атмосферного воздуха в объем испытательной камеры (3) и чистого сухого воздуха в объем локальной камеры (8) до атмосферного давления при сохранении избыточного испытательного давления контрольного газа в объеме контролируемого изделия (2). Производят выдержку в течение определенного времени, по истечении которого обеспечивают циркуляцию воздуха в объеме локальной камеры (8) в направлении штуцера подключения гибкого контрольного вакуум-провода (11) с известным объемным расходом. При этом одновременно напускают чистый сухой воздух с тем же объемным расходом через гибкий трубопровод (16), подключенный к объему локальной камеры (8) в точке, противоположной подключению контрольного гибкого вакуум-провода (11). Координату L_∂ расположения дефекта под периметром локальной камеры (8) определяют по значению времени установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя (7) на поток гелия, поступающего в систему напуска течеискателя через щуп-зонд (30), подключенный к контрольному вакуум-проводу (11). Для установления, под какой из симметрично расположенных долей объема кольцевой локальной камеры (8) находится дефект герметичности, после прекращения циркуляции воздуха в объеме локальной камеры (8) выполняют повторную выдержку в течение такого же времени. Затем контролируют содержание фактически накопленного в объеме локальной камеры (8) гелия при его поступлении из микронеплотности путем обследования через два симметричных контрольных штуцера (24) на поверхности локальной камеры, расположенных на расстояниях по периметру кольцевой камеры (8), близких значению L_∂, слева и справа от точки соединения контрольного вакуум-провода (11) с объемом локальной камеры (8). Технический результат: повышение чувствительности и надежности контроля герметичности, сокращение затрат труда и времени на поиск дефектов герметичности, повышение производительности испытаний. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля герметичности цилиндрических обечаек корпусов жидкостных ракет, заключающийся в размещении изделия, объем которого герметизирован по торцам, в вертикальном положении осевой линии на монтажном столе испытательной вакуумной камеры, подключении к внутреннему объему изделия магистрали подачи давления контрольного газа, установке на монтажном столе и герметизации вакуумного колпака испытательной вакуумной камеры, удалении из объема испытательной камеры атмосферного воздуха до достижения остаточного давления менее 1⋅10^-4…5⋅10^-5 мм рт.ст., нагружении изделия избыточным давлением контрольного газа, регистрации и измерении утечки контрольного газа в объем испытательной камеры масс-спектрометрическим течеискателем, отличающийся тем, что дополнительно к измерению общей негерметичности контролируемого изделия определяют зону расположения сквозной микронеплотности на его поверхности путем использования кольцевой локальной камеры, объем которой сообщен гибким вакуум-проводом с вакуумной системой масс-спектрометрического течеискателя, для чего последовательно пошагово перемещают локальную камеру вдоль всей боковой цилиндрической поверхности изделия, создавая герметичное соединение с его поверхностью после каждого шага последовательного перемещения, и регистрируют показания масс-спектрометрического течеискателя, в результате определяют кольцевую зону расположения дефекта герметичности на поверхности изделия, а для установления местонахождения дефекта герметичности под периметром кольцевой камеры отключают системы вакуумной откачки испытательной и локальной камер, производят напуск атмосферного воздуха в объем испытательной камеры и чистого сухого воздуха в объем локальной камеры до атмосферного давления при сохранении избыточного испытательного давления контрольного газа в объеме контролируемого изделия и производят выдержку в течение времени τ_н, где:

,

где q - величина негерметичности изделия, установленная при контроле с использованием кольцевой локальной камеры, л⋅мкм рт.ст./с;

- объем контрольной доли общего внутреннего объема V локальной камеры, л;

- рекомендуемое четное количество равных контрольных долей внутреннего объема кольцевой локальной камеры, симметрично расположенных относительно точки подключения вакуум-провода, ед.,

где d_k - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры, см;

s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой, см;

С - объемная концентрация гелия в контрольном газе, %;

мкм рт.ст. - минимальное парциальное давление гелия, надежно регистрируемое течеискателем на фоне его атмосферного содержания,

где С_ф - объемное содержание гелия в атмосферном воздухе, ед;

Р_а - давление атмосферного воздуха, мкм рт.ст.,

и по истечении времени τ_н обеспечивают циркуляцию воздуха в объеме локальной камеры в направлении штуцера подключения гибкого контрольного вакуум-провода с объемным расходом Q_в, ндм³/сек, при этом одновременно напускают чистый сухой воздух с объемным расходом Q_в, ндм³/сек, через гибкий трубопровод, подключенный к объему локальной камеры в точке, противоположной подключению контрольного гибкого вакуум-провода, а координату L_д расположения дефекта под периметром локальной камеры определяют по значению времени τ_max, сек, установления максимального сигнала масс-спектрометрического течеискателя на поток гелия, поступающего в систему напуска течеискателя через щуп-зонд, подключенный к контрольному вакуум-проводу: , дм,

а для установления, под какой из симметрично расположенных долей объема кольцевой локальной камеры находится дефект герметичности, после прекращения циркуляции воздуха в объеме локальной камеры выполняют повторную выдержку в течение времени τ_н и затем контролируют содержание фактически накопленного в объеме локальной камеры гелия при его поступлении из микронеплотности путем обследования через два симметричных контрольных штуцера на поверхности локальной камеры, расположенных на расстояниях по периметру кольцевой камеры, близких значению L_д, слева и справа от точки соединения контрольного вакуум-провода с объемом локальной камеры.

2. Устройство контроля герметичности цилиндрических обечаек корпусов жидкостных ракет, включающее испытательную вакуумную камеру в составе монтажного стола для размещения контролируемого изделия с вертикальным положением его оси и вакуумного колпака, устройство герметизации нижнего торца изделия и заглушку для герметизации его верхнего торца, систему подачи в объем изделия контрольного газа, систему вакуумной откачки испытательной камеры и систему контроля герметичности изделия масс-спектрометрическим течеискателем, характеризующееся тем, что оно дополнительно содержит кольцевую локальную камеру, которая имеет возможность располагаться в плоскости, перпендикулярной продольной оси изделия, соосно с его цилиндрической поверхностью, снабженную устройством ее осевого шагового перемещения вдоль всей боковой поверхности изделия, которое выполнено в виде не менее трех винтовых приводов, причем их приводные колонки с винтовой резьбой имеют возможность располагаться у внешней поверхности изделия параллельно продольной его оси и сообщены с шаговыми электродвигателями, расположенными под монтажным столом вне объема вакуумной испытательной камеры, а противоположные концы винтовых колонок входят в подшипники, установленные на траверсах, прикрепленных к заглушке, и подшипники, смонтированные на монтажном столе, а общий объем кольцевой локальной камеры ограничен кольцевыми уплотнительными прокладками полого сечения, которые имеют возможность после подачи во внутреннюю полость от герметичной гибкой магистрали, выведенной из объема испытательной вакуумной камеры, раздувающего сжатого воздуха обеспечивать герметичное соединение кольцевой локальной камеры с поверхностью изделия, а общий объем локальной камеры соединен герметично гибким контрольным вакуум-проводом, выведенным из объема испытательной камеры и соединенным с вакуумной системой контроля герметичности масс-спектрометрического течеискателя, при этом образованный под кольцевой камерой объем условно разделен по ее периметру на равные контрольные доли в четном количестве условных долей ее объема, симметрично расположенных относительно точки подключения к объему локальной камеры гибкого контрольного вакуум-провода, где d_k - средний диаметр объема кольцевой локальной камеры, дм, s_k - ширина зоны охвата цилиндрической поверхности изделия кольцевой локальной камерой, дм, а на наружной поверхности локальной камеры напротив каждой из ее равных долей расположены контрольные штуцеры, снабженные разделяющими диафрагменными перегородками, изготовленными из эластичного материала, и снабженные герметичными заглушками, кроме того, к гибкому контрольному вакуум-проводу подключен побудитель расхода воздуха, а с противоположной стороны расположения точки подключения вакуум-провода к кольцевой камере к ней подключен гибкий трубопровод подачи чистого сухого воздуха.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что передача вращающего момента от шаговых двигателей, расположенных вне объема вакуумной камеры, к винтовым приводным колонкам, расположенным в объеме вакуумной камеры, осуществляется с помощью магнитных муфт.