氫鎳電池陶瓷密封極柱正壓氦檢方法研究

趙宏偉，羅云飛，張海昌

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

氫鎳電池陶瓷密封極柱正壓氦檢方法研究

趙宏偉，羅云飛，張海昌

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

高壓氫鎳電池陶瓷極柱的密封性是影響電池性能的主要原因之一。設(shè)計了一種陶瓷極柱的正壓氦檢方法，有效提高了極柱的檢漏水平，從而進(jìn)一步提高了氫鎳電池使用的可靠性。

陶瓷極柱;氦檢;氫鎳電池

氫鎳電池組是航天飛行器能源部分的重要組件，目前航天用氫鎳電池均為高壓密封電池，電池的負(fù)極是鉑催化電極，負(fù)極產(chǎn)生的活性物質(zhì)為氫氣，因此，整個電池的極組需要被密封在一個壓力容器內(nèi)，這導(dǎo)致電池的密封性能與電池的電性能及壽命直接相關(guān)。陶瓷金屬密封極柱是決定氫鎳蓄電池壽命的重要部件之一，陶瓷密封極柱可能導(dǎo)致發(fā)生的失效模式是氫氣、電液泄露，氫氣和電液的泄漏均可造成電池容量衰減，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電池開路失效。尤其是在地影期間，整個衛(wèi)星的能源都由氫鎳電池組供給，如果電池發(fā)生問題，衛(wèi)星的通信、遙測等諸多功能將無法正常使用，后果相當(dāng)嚴(yán)重。

為有效提高陶瓷極柱密封性檢驗水平，從而提高氫鎳電池的使用可靠性，設(shè)計了陶瓷極柱正壓氦檢方法，即在極柱常壓氦檢的基礎(chǔ)上，在進(jìn)行極柱的氦質(zhì)譜檢漏過程中在極柱密封面的一側(cè)加上高壓氦氣，通過提高氦氣濃度以及密封面兩側(cè)壓力差從而加大漏孔泄漏程度的方式來提高極柱氦質(zhì)譜檢漏的靈敏度，加大極柱的篩選力度，提高極柱密封性能的可靠程度。

1 實驗

1.1 實驗原理

此方法是通過氦質(zhì)譜檢漏儀來進(jìn)行的。氦質(zhì)譜儀的原理是：以氦氣為示漏氣體，被檢件或吸槍經(jīng)檢漏口與檢漏儀連接，由前級泵與分子泵抽氣使質(zhì)譜室獲得并維持足夠的真空度；從漏孔漏出的示漏氣體(氦氣)及其他氣體分子從檢漏口進(jìn)入質(zhì)譜室，并在離化室中被離化，在加速電壓作用下，從離化室中高速飛出形成離子流；該離子流在磁場中受洛侖茲力使運動軌跡偏轉(zhuǎn)形成依分子荷質(zhì)比不同而半徑不同的圓周軌跡，由柵極篩選出的氦離子通過柵極狹縫轟擊收集極而形成收集極電流；因該電流的大小與漏孔漏出進(jìn)入質(zhì)譜室的氦氣漏率高度相關(guān)，從而可以精確給出漏孔對氦氣的漏率。

氦質(zhì)譜檢漏儀自身由質(zhì)譜室、真空系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。中心部件是質(zhì)譜室，主要由離子源、分析器、收集器三部分組成，它們放在一個可以抽真空的質(zhì)譜室外殼中。

氦離子在分析器中的運行軌跡為圓:

式中：R為圓周運動半徑，m；B為磁通密度，T；U為離子源加速電壓，V；Ze為離子電荷；m為離子質(zhì)量。

之所以選擇氦氣作為示漏氣體，其原因為：

(1)氦在空氣中及真空系統(tǒng)殘余氣體中的含量極少(在空氣中約含二十萬分之一，即5×10－6)，在材料出氣中也很少，因此本底壓力小，輸出的本底電流也小，本底噪聲也小。這樣微小的氦流量引起的氦分壓的微小變化也就可能反映出來。

(2)氦的質(zhì)量小(相對分子量為4)，易于穿過漏孔。這樣，對于同一漏孔，氦較除氫以外的其他氣體的漏率大，靈敏度高。

(3)氦是惰性氣體，不與被檢件器壁起化學(xué)反應(yīng)，不會影響被檢件的真空衛(wèi)生，且使用安全。

(4)離子質(zhì)量在氦兩側(cè)的是氫(質(zhì)荷比為2)和雙原子碳(質(zhì)荷比為6)都與氦相差較大，這樣它們在分析器中的偏轉(zhuǎn)半徑相差也大，容易分開，不易受其他離子干擾，降低了對分析器制造精度的要求，易于加工。

(5)氦在被檢件及真空系統(tǒng)中不易被吸附，容易被抽走。這樣檢出一個漏孔后可以使氦信號迅速消失以便繼續(xù)進(jìn)行檢漏，提高了儀器的檢漏效率[1]。

氦質(zhì)譜檢漏相關(guān)原理公式：

(1)儀器最小可檢漏率Qmin

氦質(zhì)譜檢漏儀在使用前要校準(zhǔn)儀器最小可檢漏率，記做Qmin，Qmin的一般測試方法為：將一只漏率為Q0的滲氦型標(biāo)準(zhǔn)漏孔接在檢漏儀的檢漏口，將檢漏儀調(diào)整到最佳工作狀態(tài)，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)漏孔閥，讀出儀器輸出指示的本底I0及本底噪聲In。打開標(biāo)準(zhǔn)漏孔閥，讀出輸出指示的穩(wěn)定信號值I，則：

一般Qmin要優(yōu)于試件允許漏率值兩個數(shù)量級才符合檢漏需求。

(2)系統(tǒng)的最小可檢漏率Qsmin

實際檢漏時會采用比較復(fù)雜的檢漏系統(tǒng)，這時就需要測出整個系統(tǒng)的最小可檢漏率，記做Qsmin。測試系統(tǒng)的最小可檢漏率時需要把滲氦型標(biāo)準(zhǔn)漏孔安裝到被檢件或者系統(tǒng)的合適位置，盡量遠(yuǎn)離檢漏儀的抽氣口。然后采用與測試儀器最小可檢漏率相同的方法讀出Is0、Isn、Is，并讀出標(biāo)準(zhǔn)漏孔上的標(biāo)稱漏率值Qs0，然后根據(jù)公式(3)計算系統(tǒng)最小可檢漏率。

一般系統(tǒng)最小可檢漏率應(yīng)優(yōu)于試件允許漏率一個數(shù)量級才能滿足檢漏需要[2]。

(3)被檢件漏率Q

將試件同檢漏儀連通后，測量記錄被檢件輸出的反應(yīng)值I。

①當(dāng)I≤I0時，取Q=Qsmin；

②當(dāng)I＞I0時，將I值代入公式(4)，計算被檢件漏率。

1.2 正壓氦檢系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)氦質(zhì)譜檢漏的原理方法設(shè)計陶瓷極柱正壓氦檢系統(tǒng)的原理圖如圖1。

圖1 極柱正壓氦檢系統(tǒng)原理示意圖

1.2.2 工裝模具設(shè)計

不同于常壓氦檢，正壓氦檢需要在密封面兩側(cè)制造壓力差來提高漏孔泄漏的程度從而提高氦質(zhì)譜檢漏的靈敏度，這就對檢漏時的工裝提出了較高的要求。正壓氦檢工裝需要能夠承受至少5 MPa的氦氣壓力，同時還能夠保持極柱與模具之間的密封面不漏氣。

1.2.3 密封結(jié)構(gòu)與密封材料的選擇

要完成極柱的正壓氦檢首先要保證工裝模具的常壓密封和5 MPa壓力下的密封，這就需要適合的密封結(jié)構(gòu)和密封材料。根據(jù)已有的氫鎳陶瓷極柱常壓氦檢工裝和極柱的8 MPa壓力測試工裝以及市場調(diào)研情況，選用丁晴橡膠、硅橡膠、氟橡膠材質(zhì)的O型圈及真空橡膠墊分別作為極柱與工裝之間的密封材料進(jìn)行真空密封實驗，并設(shè)計了兩種密封裝配結(jié)構(gòu)工裝進(jìn)行實驗。

(1)O型圈密封

圖2為O型圈密封示意圖。O型圈密封形式選擇材料與實驗結(jié)果見表1。

圖2 O型圈密封示意圖

表1 O型圈密封實驗結(jié)果

(2)平面圓墊密封

圖3為平面圓墊密封示意圖。平面圓墊密封形式選擇材料與實驗結(jié)果見表2。

圖3 平面圓墊密封示意圖

表2 平面圓墊密封實驗結(jié)果

綜合以上實驗結(jié)果可以看出采用真空橡膠為密封材料，平面圓墊形狀為密封材料形狀能夠滿足設(shè)計需要。

1.2.4 極柱裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合密封材料驗證實驗的結(jié)果，采用平面圓墊密封形式設(shè)計了兩種極柱密封裝配結(jié)構(gòu)。

(1)不帶鎖母的裝配結(jié)構(gòu)

將極柱直接安放在檢漏工裝上，在檢漏時先抽真空利用極柱兩側(cè)的壓力差將極柱壓緊在真空橡膠墊上以達(dá)到密封的目的，然后再在極柱上施加高壓氦氣進(jìn)行檢漏，見圖4。

圖4 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1

(2)帶鎖母的裝配結(jié)構(gòu)

在檢漏開始前先用工裝鎖母將極柱壓緊固定在橡膠墊上，以形成良好的密封，然后再開啟檢漏儀抽真空并在極柱一側(cè)施加高壓氦氣，進(jìn)行正壓氦質(zhì)譜檢漏，見圖5。

圖5 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計圖2

兩種裝配結(jié)構(gòu)工裝的優(yōu)缺點比較：

(1)第一種結(jié)構(gòu)在操作中較為簡便，但檢漏過程中極柱處于自由態(tài)，如果發(fā)生位移，會對氦質(zhì)譜檢漏儀造成嚴(yán)重污染也會對人身安全造成威脅。

(2)第二種結(jié)構(gòu)操作中稍加復(fù)雜，但由于鎖母將極柱壓緊在真空橡膠上，在漏率檢測結(jié)果和安全性上要好于第一種不帶鎖母的結(jié)構(gòu)。

1.3 方案選擇及驗證實驗

綜合以上實驗結(jié)果，最終選擇采用真空橡膠作為密封材料，平面圓墊為密封結(jié)構(gòu)，帶鎖母的極柱裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計為最終的工裝結(jié)構(gòu)方案，并按照此方案進(jìn)行了方法驗證實驗。

實驗步驟：

(1)將正壓氦檢工裝用干凈的綢布蘸取酒精清潔表面后靜置5～10 min晾干；

(2)依據(jù)《氦質(zhì)譜檢漏儀操作規(guī)程》操作，開啟氦質(zhì)譜儀，檢漏儀完成自檢，進(jìn)入可檢漏狀態(tài)；

(3)將正壓氦檢工裝的底座安裝在檢漏儀的檢漏口上，用快接法蘭鎖緊；

(4)將配好的真空橡膠墊上下表面輕輕抹上一層真空封脂后安裝在工裝中對應(yīng)的孔位中，將正壓氦檢工裝安放在已經(jīng)安裝好的底座上；

(5)將極柱朝下安放在真空橡膠墊的孔位中，將堵頭旋入孔位的螺紋中，用手鎖緊極柱，啟動氦質(zhì)譜儀對極柱進(jìn)行抽真空檢漏；

(6)待檢漏儀顯示漏率低于1.3×10－10(Pa·m3)/s后，對極柱背面的焊縫噴吹氦氣3～5 s，若氦質(zhì)譜檢漏儀的數(shù)字顯示器上顯示的數(shù)值保持穩(wěn)定或者穩(wěn)定下降，則說明極柱與真空橡膠墊裝配密封合格，可以進(jìn)行下一步正壓氦檢；

(7)停止檢漏儀抽真空檢漏，將正壓氦檢工裝的上蓋安裝好，用扳手鎖緊螺母，通過充壓裝置對正壓氦檢工裝充氦氣，達(dá)到指定壓力后，開始檢漏，待質(zhì)譜檢漏儀的數(shù)字顯示器上顯示的數(shù)值穩(wěn)定后記錄該數(shù)值；

(8)檢漏過程完成之后，停止檢漏儀抽真空檢漏，通過充壓裝置的放氣閥使工裝放氣；放氣結(jié)束之后，擰開螺母，打開正壓氦檢工裝，旋出堵頭，取出極柱，重復(fù)操作(2)～(6)，依次對其他極柱完成檢漏；

(9)檢測結(jié)束后，取下工裝，蓋上檢漏儀盲板，按設(shè)備操作規(guī)程關(guān)閉檢漏儀。

2 結(jié)果與討論

按照實驗確定的正壓氦檢方案進(jìn)行極柱的正壓氦檢實驗，驗證結(jié)果如下：

(1)可操作性：工藝方法操作可行，能實現(xiàn)極柱正壓氦檢。與常壓氦檢工藝方法操作相比較，由于正壓氦檢工藝方法本身需要先進(jìn)行常壓下氦檢，然后鎖緊工裝充入5 MPa氦氣，進(jìn)行正壓氦檢。過程略為繁瑣，可以增加為多個檢驗孔位，以提高生產(chǎn)檢驗效率。

(2)檢測靈敏度：正壓氦檢系統(tǒng)最小可檢漏率可達(dá)1.0×10－11量級，能夠滿足極柱氣密性檢驗精度需求。由于工藝工裝條件的限制，雖然已經(jīng)設(shè)置專用氦氣排放管路，但由于檢漏過程中充入氦氣壓力較大，氦污染現(xiàn)象仍舊存在，導(dǎo)致隨著檢測次數(shù)增加，系統(tǒng)最小可檢漏率逐漸上升。后期需要對工裝設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)以減小甚至消除氦污染對測量結(jié)果的影響。

3 結(jié)論

經(jīng)過對陶瓷極柱正壓氦檢方法的研究實驗，通過密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封材料選擇、驗證實驗設(shè)計，成功實現(xiàn)了對陶瓷金屬封接極柱在工作壓力下的漏率檢測，有效提高了陶瓷極柱的漏率檢測水平?？蓪崿F(xiàn)陶瓷極柱模擬工作環(huán)境下壓力5 MPa正壓氦檢，使陶瓷極柱的檢驗環(huán)境更加接近極柱的工作環(huán)境，從而能夠更加真實的反應(yīng)陶瓷極柱在工作時的漏率水平。

[1]吳孝儉，閆榮鑫.泄漏檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005:81-118.

[2]中國航天工業(yè)總公司.QJ2861-1996氦質(zhì)譜檢漏最小可檢漏率檢驗方法[S].北京：中國航天工業(yè)總公司，1996.

Positive pressure helium leak detection technique research of ceramic terminal used in nickel hydrogen cell

ZHAO Hong-wei,LUO Yun-fei,ZHANG Hai-chang
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The ceramic terminal is an important component to make up nickel hydrogen cell;on the other hand,the leak tightness of ceramic terminal can influence the performance of nickel hydrogen cell heavily.In this paper,the positive pressure helium leak detection technique was designed and used to detect the tightness of ceramic terminal.The positive pressure helium leak detection technique could effectively enhance the level of leak detection and also could rise the reliability of nickel hydrogen cell.

ceramic terminal;helium leak detection technique;nickel hydrogen cell

TM 912.2

A

1002-087 X(2017)07-1007-03

2016-12-25

趙宏偉(1983—)，男，天津市人，工程師，主要研究方向為氫鎳電池。