Способ испытаний изделий на суммарную негерметичность Российский патент 2025 года по МПК G01M3/00 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям на суммарную негерметичность изделий, таких как космические летательные аппараты (КЛА), и может найти применение в атомной, химической промышленности и отраслях машиностроения, где предъявляются повышенные требования к надежности изделий и достоверности результатов их испытаний на герметичность.

Известен аналогичный способ определения негерметичности изделий, заключающийся в том, что помещают испытываемое изделие в объем накопления, измеряют начальную концентрацию контрольного газа в объеме накопления, заполняют изделие контрольным газом до избыточного испытательного давления, выдерживают изделие под избыточным испытательным давлением контрольного газа, измеряют конечную концентрацию контрольного газа в объеме накопления и о степени негерметичности изделия судят по разности конечной и начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления («Технология сборки и испытаний космических аппаратов». Под общей редакцией проф. И.Т. Белякова и проф. И.А. Зернова, Москва, «Машиностроение», 1990 г., стр. 179).

Недостатком аналога является отсутствие возможности учета влияния на результаты испытаний свойств испытательной системы, в частности, наличия воздухообмена объема накопления с окружающей объем накопления атмосферой испытательного помещения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ испытаний изделий на суммарную негерметичность по патенту на изобретение RU 2442118, опубл. 10.02.2012, бюл. № 4, суть которого заключается в том, что помещают изделие в объем накопления, измеряют начальную концентрацию контрольного газа в объеме накопления, заполняют изделие контрольным газом до избыточного испытательного давления, выдерживают изделие под избыточным испытательным давлением контрольного газа, измеряют конечную концентрацию контрольного газа в объеме накопления и о степени негерметичности изделия судят по разности конечной и начальной концентраций контрольного газа в объеме накопления с учетом значения воздухообмена объема накопления с окружающей объем накопления атмосферой, рассчитывая степень негерметичности изделия по математической формуле, приведенной в формуле изобретения. Этот способ принят авторами за прототип.

Недостатком прототипа является невозможность учесть влияющие на результат испытаний характеристики прибора, измеряющего в заполняющем объем накопления воздухе концентрацию контрольного газа. Такой важной характеристикой является дрейф показаний измерительного прибора. В испытаниях на герметичность с использованием газообразного гелия рассматриваемым измерительным прибором является гелиевый масс-спектрометрический течеискатель (ГМСТ), который и рассматривается в заявляемом техническом решении.

При проведении непродолжительных испытаний на герметичность, требующих от нескольких минут до одного-двух часов, можно пренебречь дрейфом показаний ГМСТ. Однако дрейф показаний ГМСТ приобретает важное значение при проведении испытаний, которые длятся до нескольких десятков часов. К таким испытаниям относятся испытания по накоплению при атмосферном давлении крупногабаритных изделий.

Если габариты испытываемого изделия велики, то, как следствие, для размещения такого изделия в объеме накопления будет необходим крупногабаритный объем накопления. Он будет иметь свободный объем до нескольких сотен м³. Это означает, что при высоких требованиях к норме герметичности испытываемого изделия необходимо будет выдерживать изделие под избыточным давлением контрольного газа в течение длительного времени, например, до десятков часов. За это время показания течеискателя могут уменьшиться - совершить дрейф - под действием естественных факторов, присущих ГМСТ как устройству вакуумной техники. Например, стабилизация газовыделения с внутренних поверхностей вакуумной системы ГМСТ включает в себя стабилизацию выделения гелия с названных внутренних поверхностей, в том числе, если течеискатель работает по методу щупа, - с внутренних поверхностей системы щупа течеискателя. Эта стабилизация показаний течеискателя заключается в их уменьшении и выходе на стабильное значение, причем она может продолжаться десятки часов.

Объективно существующее уменьшение показаний течеискателя за счет дрейфа может не дать возможность обнаружить повышение концентрации гелия в объеме накопления, вызванное натеканием гелия в объем накопления через течи испытываемого изделия. Это может привести к ошибке при испытаниях изделия, то есть к пропуску негерметичного изделия в эксплуатацию.

Способ-прототип позволяет учесть влияние воздухообмена между объемом накопления и окружающей атмосферой на результаты испытаний по накоплению при атмосферном давлении. Однако он не позволяет учесть дрейф показаний ГМСТ и, таким образом, не может обеспечить проведение испытаний в условиях воздействия такой объективно существующей характеристики ГМСТ, как дрейф показаний.

Задачей предлагаемого способа является повышение достоверности результатов испытаний изделий на суммарную негерметичность по методу накопления при атмосферном давлении с использованием гелия в качестве контрольного (пробного) газа с учетом дрейфа показаний течеискателя.

Техническим результатом применения предлагаемого способа является повышение достоверности результатов испытаний изделий на суммарную негерметичность по методу накопления при атмосферном давлении с использованием пробных газов с учетом дрейфа показаний течеискателя.

Технический результат достигается тем, что в способе испытаний изделий на суммарную негерметичность, заключающемся в том, что изделие помещают в объем накопления, заполненный воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, измеряют значение начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, заполняют изделие контрольным газом до избыточного испытательного давления, делают выдержку изделия под избыточным испытательным давлением контрольного газа для накопления контрольного газа в объеме накопления в течение заданного времени, по окончании времени выдержки измеряют значение конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления и оценивают значение суммарной негерметичности изделия по измеренным значениям начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, при этом перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления измеряют значение скорости снижения начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, по окончании времени выдержки понижают испытательное давление контрольного газа в изделии до атмосферного давления, после чего измеряют значение скорости снижения конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, а значение суммарной негерметичности изделия оценивают, учитывая измеренные значения скорости снижения начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления и после понижения испытательного давления контрольного газа в изделии до атмосферного давления соответственно.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами (фиг. 1-5), на которых представлены результаты экспериментальной отработки испытаний изделий на суммарную негерметичность по накоплению при атмосферном давлении по заявляемому техническому решению.

На фиг. 1 (табл. 1) представлены в табличной форме показания течеискателя при испытаниях в зависимости от времени.

На фиг. 2 в графической форме представлены показания течеискателя при испытаниях в зависимости от времени на первом этапе испытаний, а также кривая, аппроксимирующая показания течеискателя на первом этапе испытаний.

На фиг. 3 в графической форме представлены показания течеискателя при испытаниях в зависимости от времени на первом и втором этапах испытаний, а также кривая, построенная по значениям показаний на первом этапе и экстраполирующая показания течеискателя на втором этапе.

На фиг. 4 в графической форме представлены показания течеискателя при испытаниях в зависимости от времени на первом и третьем этапах испытаний, а также аппроксимирующая кривая, построенная по значениям показаний на первом и третьем этапах и интерполирующая показания течеискателя на втором этапе.

На фиг. 5 в графической форме представлены показания течеискателя при испытаниях в зависимости от времени на первом, втором и третьем этапах испытаний, а также аппроксимирующая кривая, построенная по значениям показаний на первом и третьем этапах и интерполирующая показания течеискателя на втором этапе.

Экспериментальная отработка испытаний была проведена следующим образом: гелиевый масс-спектрометрический течеискатель Leybold Phoenix L300i производства компании Oerlicon Vacuum, Германия был подключен к объему накопления величиной 100 м³ через систему щупа SL300 из комплекта названного течеискателя. В начале испытаний ГМСТ был включен и вышел на рабочий режим приблизительно за 30 мин. После этого при экспериментальной отработке испытаний производилась запись показаний течеискателя с интервалом 5 мин. Результаты измерений приведены в табл. 1 (фиг. 1).

В течение 1 ч после начала измерений в объем накопления не подавали потока гелия. В этот промежуток времени, обозначенный как этап 1 (от 0:00 до 0:55), факторами, воздействовавшими на результаты измерений, были воздухообмен объема накопления с окружающей объем накопления атмосферой, а также дрейф показаний течеискателя. Зависимость показаний течеискателя от времени на этапе 1 представлена на фиг. 2, на которой явственно виден дрейф показаний течеискателя - их систематическое уменьшение.

Результаты измерений на этапе 1 были аппроксимированы экспоненциальной зависимостью (см. аппроксимирующую кривую на фиг. 2)

f=a⋅exp(-b⋅t)+c, (1)

где f - показания течеискателя, условные единицы;

а и с - параметры, описывающие значения показаний течеискателя в начале измерений и по прошествии длительного времени с начала измерений, условные единицы;

b - параметр, имеющий размерность обратного времени и описывающий совокупное действие воздухообмена объема накопления с окружающей объем накопления атмосферой и дрейфа показаний течеискателя; t - время, прошедшее с начала измерений, единицы времени.

Зависимость (1) описывает спад показаний течеискателя с их начального значения (а+с) при t=0 и их асимптотическое приближение к постоянному значению (с) при отсутствии потоков гелия в объем накопления. При этом скорость изменения показаний течеискателя df/dt является функцией параметров а и b.

Пользуясь аппроксимирующей зависимостью, рассчитанной по методу наименьших квадратов по результатам измерений на этапе 1, можно сделать прогноз дальнейшего поведения показаний течеискателя на следующем этапе, то есть этапе 2, при условии отсутствия потоков гелия в объем накопления, то есть провести экстраполяцию показаний течеискателя - прогнозировать значения на основании существующих данных, см. экстраполирующую кривую на фиг. 3.

В течение следующего промежутка времени длительностью 4 ч, обозначенном, как этап 2 (от 1:00 до 4:55), отрабатывалась выдержка изделия под испытательным давлением контрольного газа. Для этого в объем накопления была помещена контрольная течь, заправленная гелием и создававшая поток 0,1 л мкм рт.ст./с. Значение потока гелия от контрольной течи было сознательно выбрано таким образом, чтобы за время выдержки при отсутствии дрейфа показаний течеискателя было невозможно зарегистрировать течь гелия в объем накопления. Иными словами, отрабатывалась ситуация, когда испытываемое изделие должно быть аттестовано как герметичное, поскольку за время выдержки не зарегистрирован поток гелия из изделия, превышающий норму герметичности изделия.

Зависимость показаний течеискателя от времени на этапах 1 и 2 представлена на фиг. 3, на которой снова явственно виден дрейф показаний течеискателя - их уменьшение, а также построена экстраполирующая кривая по результатам измерений на этапе 1.

На этапе 2, на котором отрабатывалась выдержка изделия под испытательным давлением, предполагается, что значение потока гелия в объем накопления неизвестно.

Анализируя показания течеискателя на этапе 2, можно сделать следующие выводы:

- на этапе 2 воздействуют три фактора - воздухообмен объема накопления с окружающей объем накопления атмосферой, дрейф показаний течеискателя и, возможно, присутствие потока гелия в объем накопления;

- показания течеискателя не растут, то есть, нет прямого указания на существование негерметичности испытываемого изделия;

- более того, показания течеискателя спадают, что прямо указывает на совместное действие воздухообмена и дрейфа показаний течеискателя.

В принципе можно оценить значение потока гелия в объем накопления, воспользовавшись экстраполирующей кривой, построенной по результатам измерений на этапе 1. Однако видно, что экстраполирующая кривая на этапе 2 повсюду проходит выше точек измерений, то есть фактические показания течеискателя меньше их прогнозированных значений, из чего следует, что прогноз измерений на этапе 2, сделанный по результатам измерений на этапе 1, недостоверен. Отсюда следует вывод, что одних результатов измерений на этапе 1 недостаточно, чтобы сделать достоверный прогноз для поведения показаний течеискателя на этапе 2, и в данном конкретном случае экстраполирующая кривая не позволит оценить значение потока гелия в объем накопления.

Для обоснованной оценки значения потока гелия в объем накопления на этапе 2 необходимо выполнить действия по заявляемому техническому решению.

А именно (см. фиг. 4), на этапе 3 (от 5:00 до 6:00) было имитировано понижение испытательного давления контрольного газа в изделии до атмосферного давления, то есть, из объема накопления была извлечена контрольная течь, и, таким образом, на этапе 3 в объем накопления не поступал поток гелия.

Зависимость показаний течеискателя от времени на этапах 1 и 3 представлена на фиг. 4. На этапе 3 снова явственно виден дрейф показаний течеискателя - их уменьшение по сравнению с показаниями на этапе 1.

Также на фиг. 4 по методу наименьших квадратов построена аппроксимирующая кривая по результатам измерений на этапах 1 и 3, на которых действуют два фактора - воздухообмен объема накопления с окружающей объем накопления атмосферой, а также дрейф показаний течеискателя.

Анализируя фиг. 4, можно сделать вывод: показания течеискателя на этапах 1 и 3 удовлетворительно описываются аппроксимирующей кривой, значение величины достоверности аппроксимации R² составляет 0,9848.

Эта аппроксимирующая кривая использована далее для интерполяции на этапе 2. Добавив к фиг. 4 показания течеискателя на этапе 2, получим фиг. 5, анализируя которую можно сделать следующие выводы:

- в сравнении с фиг. 4 нет такой ситуации, в которой аппроксимирующая кривая на этапе 2 систематически смещена от точек измерений. Иными словами, на этапе 2 фактические показания течеискателя группируются вблизи аппроксимирующей (интерполирующей) кривой. Отсюда следует, что нет оснований сомневаться в достоверности интерполяции;

- из того, что отклонение показаний течеискателя от интерполирующей кривой близко к нулю, следует, что нет подтверждения тому, что на этапе 2 присутствует поток гелия в объем накопления. Это соответствует фактически малому потоку гелия от контрольной течи, которая была использована при отработке испытаний на этапе 2.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет в случае необходимости вынести обоснованное суждение о степени негерметичности испытываемого изделия.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Изделие, например, агрегат пневмогидравлической системы КЛА, или отсек КЛА, помещают в объем накопления, например, в корпус вакуумной камеры вакуумной установки КТВУ-360 В завода экспериментального машиностроения ПАО «РКК «Энергия». Объем накопления при этом заполнен воздухом при атмосферном давлении.

Объем накопления герметизируют, например, устанавливая на корпус вакуумной камеры крышку вакуумной камеры, имеющую герметичные уплотнения.

Измеряют значение начальной концентрации контрольного газа, например, гелия, в объеме накопления при помощи ГМСТ, например, упомянутого выше течеискателя Leybold Phoenix L300i dry. При испытаниях используют гелий газообразный (сжатый) марки А и Б ТУ 0271-135-31323949.

Измеряют значение скорости снижения начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, например, измеряя значения концентрации контрольного газа в свободном объеме накопления при помощи течеискателя и аппроксимируя измеренные значения с использованием соответствующей математической модели и метода наименьших квадратов.

Заполняют изделие, например, агрегат пневмогидравлической системы КЛА, или отсек КЛА, до избыточного испытательного давления контрольным газом, например, гелиево-воздушной смесью с концентрацией гелия 5%. Для заполнения используют, например, систему зарядки сжатыми газами производства ООО «Современные технологии и криогенные системы», Россия.

Делают выдержку изделия под избыточным испытательным давлением контрольного газа для накопления контрольного газа в объеме накопления в течение заданного времени, например, в течение нескольких часов, измеряя при этом значения концентрации контрольного газа в свободном объеме накопления при помощи течеискателя.

По окончании времени выдержки измеряют значение конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления при помощи течеискателя.

Понижают испытательное давление контрольного газа в изделии до атмосферного давления, например, сбрасывая контрольный газ из изделия в систему дренажных трубопроводов испытательного помещения.

Измеряют значение скорости снижения конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, например, измеряя значения концентрации контрольного газа в свободном объеме накопления при помощи течеискателя и аппроксимируя измеренные значения с использованием соответствующей математической модели и метода наименьших квадратов.

Оценивают значение суммарной негерметичности изделия по измеренным значениям начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, учитывая измеренные значения скорости снижения начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления и после понижения испытательного давления контрольного газа в изделии до атмосферного давления соответственно.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить достоверность результатов испытаний изделий на суммарную негерметичность по методу накопления при атмосферном давлении с использованием пробных газов с учетом дрейфа показаний течеискателя.

Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям на суммарную негерметичность изделий, таких как космические летательные аппараты, и может найти применение в атомной, химической промышленности и отраслях машиностроения, где предъявляются повышенные требования к надежности изделий и достоверности результатов их испытаний на герметичность. Способ испытаний изделий на суммарную негерметичность заключается в том, что изделие помещают в объем накопления, заполненный воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, измеряют значение начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, заполняют изделие контрольным газом до избыточного испытательного давления, делают выдержку изделия под избыточным испытательным давлением контрольного газа для накопления контрольного газа в объеме накопления в течение заданного времени, по окончании времени выдержки измеряют значение конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, оценивают значение суммарной негерметичности изделия по измеренным значениям начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления. При этом перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления измеряют значение скорости снижения начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, по окончании времени выдержки понижают испытательное давление контрольного газа в изделии до атмосферного давления, после чего измеряют значение скорости снижения конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, а значение суммарной негерметичности изделия оценивают, учитывая измеренные значения скорости снижения начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления и после понижения испытательного давления контрольного газа в изделии до атмосферного давления соответственно. Технический результат - повышение достоверности результатов испытаний изделий на суммарную негерметичность по методу накопления при атмосферном давлении с использованием пробных газов с учетом дрейфа показаний течеискателя. 5 ил.

Способ испытаний изделий на суммарную негерметичность, заключающийся в том, что изделие помещают в объем накопления, заполненный воздухом при атмосферном давлении, герметизируют объем накопления, измеряют значение начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, заполняют изделие контрольным газом до избыточного испытательного давления, делают выдержку изделия под избыточным испытательным давлением контрольного газа для накопления контрольного газа в объеме накопления в течение заданного времени, по окончании времени выдержки измеряют значение конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, оценивают значение суммарной негерметичности изделия по измеренным значениям начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, отличающийся тем, что перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления измеряют значение скорости снижения начальной концентрации контрольного газа в объеме накопления, по окончании времени выдержки понижают испытательное давление контрольного газа в изделии до атмосферного давления, после чего измеряют значение скорости снижения конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления, а значение суммарной негерметичности изделия оценивают, учитывая измеренные значения скорости снижения начальной и конечной концентрации контрольного газа в объеме накопления перед заполнением изделия контрольным газом до испытательного давления и после понижения испытательного давления контрольного газа в изделии до атмосферного давления соответственно.