復合材料整體油箱檢測技術探究

陳勇剛

摘 要：為確保飛機裝配的效率以及裝配質量，因此比較輕便的復合材料鈦合金在飛機設計及制造中獲得了廣泛地應用，復合材料及復合材料-鈦合金夾層結構在主要承力件上應用成為飛機設計的趨勢。復合材料作為整體油箱結構的氣密和油密檢測成為重中之重。本文介紹了氦質譜檢漏和差壓檢漏法，并給出單點漏率臨界帶，對后續(xù)復合材料整體油箱檢漏有一定的指導作用。

關鍵詞：整體油箱;差壓檢漏;單點漏率

1引言

因此，復合材料是繼鋁、鋼、鈦之后，又一新興航空結構材料。從波音787開始，飛機機體開始大量采用復合材料，空客A350改進型A350XWB的復合材料用量已成倍增加;波音787、A380和F35等飛機采用復合材料機翼，取得明顯的減重效果。在我國已研制的飛機結構中，復合材料的用量均較少，大型主承力結構如復合材料中央翼盒等的制造在我國還很薄弱。一般來說針對不同的材料選取的制孔工藝也存在相應的差別，材料的物理化學特性直接影響鉆削熱和鉆削力，因此復合材料整體油箱的檢漏和排漏就成為確保飛機產(chǎn)品質量的關鍵環(huán)節(jié)。

2氦質譜差壓檢漏原理

氦質譜差壓檢漏是將被測物與已確認無泄漏的基準物（或設備內置的基準物）通過管路連接至差壓傳感器的兩端，然后以測試壓力對被測物與基準物同時進行充氣（按一定比例混合好的氦氣-空氣混合氣體），充氣至測試壓力后停止，這時差壓傳感器兩端壓力相等，經(jīng)過一段時間后，有漏的被測物，即使是微小泄漏，其與不漏的基準物之間也會產(chǎn)生壓力差，此壓力差可通過差壓傳感器檢測到，經(jīng)由差壓檢漏儀將這一輸出信號檢出、放大并計算出被測物的具體漏氣量，進而根據(jù)設定的氣密性標準判定出被測物是否合格，最后將這些信息傳送給操作人員。由于它采用差壓傳感器測量壓力差的檢測方式，檢測精度與充至被測物的測試壓力無關，能獲得較高的檢測精度。

3 試驗結果分析

3.1 將氦質譜差壓檢漏技術應用于大容積容器的泄漏檢測，在不同漏率下，均能得到準確的檢測結果，且隨著檢測時間的成倍增長，檢測結果值成倍增加;

3.2 通過油箱模擬件上進行不加漏孔，加漏孔1和加漏孔2的實驗數(shù)據(jù)，差壓檢測數(shù)據(jù)與氣密實驗車的檢測結果對比來看，當差壓達到200Pa時，通過氣密實驗車無法確定是否存在泄漏情況，只有當差壓值達到500Pa以上時，氣密實驗車的指針式壓力表才發(fā)生可分辨的偏轉，由此才能判定泄漏情況;

3.3 相對于氣密實驗車上量程100kPa，最小一格0.5kPa的指針式壓力表，差壓檢漏系統(tǒng)最小可精確到1Pa。目視觀察指針式壓力表變化的氣密壓降檢測方法，能夠更有效的提高檢測精度和檢測效率;

3.4 差壓檢漏檢測結果的數(shù)字顯示及檢測數(shù)據(jù)的自動保存，也要比指針式壓力表的讀數(shù)方式更客觀，結果更準確，操作更方便快捷，排除了人為因素的影響。

與當今諸多檢漏方法（如氣泡法、鹵素檢漏法等）相比，氦質譜檢漏方法的效率和可靠性最高。它將可疑漏點與氦質譜檢漏儀中的質譜室連為一個密封的空腔，將空腔抽至真空（10Pa以下）后，若有漏點，氦氣經(jīng)漏點進入空腔，并擴散至質譜室，經(jīng)電離、加速、聚焦、偏轉后，由接收極接收，即可確定漏點位置。檢漏儀還可以根據(jù)接收到的氦離子濃度，指示出該漏點處氦氣的漏氣率大小。

和原有氣密實驗相比，氦質譜差壓法具有檢測精度好、可靠性強、檢測效率高、檢測指標可以量化等優(yōu)點。依據(jù)原有氣密實驗檢查指標，可初步確定與原有氣密實驗檢測等同的差壓法的檢測指標為：15分鐘保壓檢測，差壓值不大于500Pa，相當于每分鐘33.3Pa。試驗證明差壓檢漏可以完全替代原有直壓檢測方法，可以高效、精確的進行復合材料油箱的密封檢測。

4單點漏率的確定

整體油箱密封檢測進行檢測整體漏率檢測后，為確保油箱不漏油，還需對泄露點進行單點漏率檢測。為了確定復合材料油箱的單點漏率，進行標準漏孔試驗。

通過12組試驗進行漏孔漏率分析，因數(shù)據(jù)分布密集，因此漏孔漏率相同或相近，檢測結果也相同的，通過試驗數(shù)據(jù)可以得出：

測試壓力為24.2kPa 時，標準漏率大于10-6Pa.m3/s量級的漏孔，都呈現(xiàn)漏油現(xiàn)象，標準漏率小于10-6Pa.m3/s量級，沒有滲油現(xiàn)象;

標準漏率為10-6Pa.m3/s量級的漏孔，在24 小時檢測時間中;1×10-6Pa.m3/s ～5×10-6Pa.m3/s之間的漏孔，在漏孔下端聚集較小液滴，但未發(fā)生油滴滴落的現(xiàn)象，存在泄漏的概率較小;6×10-6Pa.m3/s ～9×10-6Pa.m3/s之間的漏孔，會形成較小液滴，會有部分滴落，存在泄漏的概率相對較大;

漏油與不漏油的臨界狀態(tài)所對應的標準漏率，為一個臨界帶，在1×10-6Pa.m3/s到8×10-6Pa.m3/s之間，而不是單獨的某一個臨界點，在臨界帶內，漏油情況也呈現(xiàn)臨界狀態(tài)。

通過標準漏孔試驗，在標準漏孔在壓力24.2kPa下，煤油滲漏與否的臨界漏率值指標初步定為1×10-6Pa.m3/s～8×10-6Pa. m3/s。

5油密檢測

油箱檢漏的目的是確定油箱的密封性，從而確定航空煤油的泄漏點并進行工藝修補。經(jīng)氦質譜細漏檢測獲得的漏率并不是航空煤油的漏率，因此需要確定一個對比的標準，標定煤油泄漏所對應的氦質譜檢漏的最小漏率值。

油密實驗是先向油箱中充入一定比例的煤油，采用常壓煤油滲透檢漏，然后向油箱內加壓，采用加壓煤油滲透檢漏，進行漏源定位;這些方法存在著精度低、成本高、定量困難、效率不高、有安全隱患等不足。因此，需要尋找檢測精度和效率較高、安全可靠的先進泄漏檢測技術來替代原有方法，以提高整體油箱的檢測水平和生產(chǎn)效率。通過油密試驗來驗證臨界漏率是否適用于復合材料油箱的油密檢測。

試驗數(shù)據(jù)分析

標準漏率大于10-6Pa·m3/s量級的漏孔都存在漏油情況，如漏點A、B、C;從圖7、8、9中可以觀察到發(fā)生泄漏的情況，其中圖7漏點A的氦質譜檢測漏率數(shù)據(jù)最大，發(fā)生漏油的漏量也最大，形成較大的液滴，且滴落。

標準漏率小于10-6Pa·m3/s量級的漏點沒有觀察到漏油情況，如漏點D;從圖10未觀察到漏油現(xiàn)象。

按照油密實驗的初步結論：測試壓力為24.2kPa，標準漏率1×10-6Pa·m3/s作為判斷漏油的臨界漏率的指標。該指標在油箱模擬件上驗證是適用的。

6整體油箱檢漏方案

整體油箱，在實際生產(chǎn)中，由于各種不確定的因素，使得一些螺栓和夾層處的密封性達不到要求，因而存在漏油的現(xiàn)象。為了解決這一問題，有必要對油箱進行密封性檢測，找出準確的漏點并加以修補。采用試驗件對機翼整體油箱漏率進行摸索，整體油箱試驗件檢漏總體上分為兩個部分：一是粗漏漏點檢測與工藝修補;二是氦質譜細漏檢測。

6.1 粗漏檢測方法

粗漏檢測過程涉及的主要設備有壓縮空氣氣源、自動配氣平臺、控制閥等，其檢測示意圖如圖8所示。試驗時，首先接通壓縮空氣氣源，啟動整體油箱快速檢漏設備，設定充氣氣壓。充氣過程結束后，穩(wěn)壓15min，觀測檢漏設備上的壓降曲線，確定是否存在粗漏。若壓降明顯，說明有粗漏漏點存在。經(jīng)肥皂泡方法確定粗漏漏點位置后，利用涂密封膠的方法對粗漏漏點進行工藝修補，重復檢測修補后，至油箱試驗件在規(guī)定時間內的壓降符合技術要求后，可以進行氦質譜細漏檢測。

6.2 細漏檢測方法

油箱試驗件的細漏漏點采用正壓法檢測。試驗時，向油箱試驗件內部充入氦氣和壓縮空氣的混合氣體，使油箱內部壓力大于外界大氣壓，如果有漏點存在，氦氣就通過漏點泄漏出來，用吸槍進行探測，就能確定是否存在泄漏。

細漏檢測過程涉及的主要設備有壓縮空氣氣源、氦氣氣源、自動配氣平臺、氦質譜檢測儀、吸槍、罩盒、控制閥等，其檢測示意圖如圖10所示。本試驗采用正壓法對油箱試驗件進行氦質譜細漏檢測。

試驗時，接通壓縮空氣氣源和氦氣氣源，通過整體油箱快速檢漏設備，設定配氣比例和充氣壓力（如圖11所示），分別向油箱試驗件內部充一定氣壓的混合氣體，使油箱內部壓力大于外界大氣壓，如果有漏點存在，氦氣就會通過漏點泄漏出來，再利用氦質譜檢測儀（如圖12、圖13所示），配合吸槍和罩盒沿連接件表面進行檢測，就能確定是否存在泄漏和具體的漏率大小。

7檢漏安全措施

安全生產(chǎn)是現(xiàn)場生產(chǎn)的關鍵，也是保證產(chǎn)品質量的重要基礎。

a.混氣罐上裝有壓力傳感器，超過設定壓力上限則切斷氣源進口，低于設定壓力下限則開啟氣源進口，保證配氣壓力的穩(wěn)定;

b.驅動氣源裝有壓力開關，驅動氣源過低，將會報警提示，避免驅動壓力過低導致的氣控閥門誤動作;

c.設備與被測產(chǎn)品相連接的充氣口處設置有兩級壓力開關，一旦被測產(chǎn)品內壓力超過設定壓力，系統(tǒng)就會自動切斷驅動管路、充氣管路，切斷充氣閥門、停止充氣，避免異常充壓過高導致被測產(chǎn)品損壞;

d.系統(tǒng)配備了急停開關與蜂鳴器。異常情況可人為按動急停開關，將系統(tǒng)恢復到安全狀態(tài)。蜂鳴器在異常狀態(tài)時，提供了聲光報警，使操作人員能夠及時的發(fā)現(xiàn)異常情況，并加以解決。

8結束語

差壓檢漏技術研究和單點漏率差壓檢漏技術完全可以應用于整體油箱總漏率的檢測上，其高精度、高可靠性、高檢測效率和可以量化指標的優(yōu)點非常適合進行大型客機的整體油箱檢漏，也可推廣至其他整體油箱機型。

大型客機中央翼整體油箱的密封是保證飛機重要部位密封質量的關鍵，所以我們需要將先進密封技術和先進的密封檢測技術逐漸引入C919中央翼項目中，提高整體油箱的密封質量，實現(xiàn)飛機中央翼整體油箱滲漏點的快速定位檢測與修補，利用現(xiàn)有手段并進行創(chuàng)新，制定大型客機的密封方法，形成先進密封、檢測體系，保證中央翼的高質量、高效率裝配。

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