氫氮檢漏代替氦檢的可行性分析

楊芝明 蔚鑫 胡偉鵬

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

兩器件是空調(diào)的核心部件之一，兩器的泄漏不僅影響著系統(tǒng)的性能，同時存在著污染環(huán)境的隱患。氦檢可檢出極小的漏孔，并且氦氣是惰性氣體，具有分子小、質(zhì)量輕、擴散快、穿透力強、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、不污染工件、操作安全等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于空調(diào)兩器檢測泄露環(huán)節(jié)。由于氦氣是不可再生的稀缺資源，我國氦氣的儲備又處于貧瘠狀態(tài)，一直以來依賴于國外進口[1]，近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對氦氣的需求逐年增加，氦氣的使用成本也一直居高不下。張小明等人通過氫氮混合氣檢漏與鹵素檢漏方式的實驗對比，改進了標準探頭的結(jié)構(gòu)[2]；李濤等人應(yīng)用氮氫檢漏技術(shù)，并與氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)進行對比分析，確定了氫氮檢漏技術(shù)在空調(diào)器售后系統(tǒng)返修的應(yīng)用優(yōu)勢[3]。真空箱氫氮檢漏尚屬新課題，氫氮混合氣技術(shù)若能替換現(xiàn)有氦氣，則能夠極大降低原料采購成本，降低兩器生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益。本文通過對比其他兩種檢漏方式的優(yōu)缺點，確定使用真空箱氫氮檢方式更適合，并從漏率、可靠性、經(jīng)濟價值及實驗驗證分析，證明真空箱氫氮檢漏具有可行性。

2 氫氮檢漏方法

現(xiàn)有氫氮檢漏儀主要采用感應(yīng)探槍對泄漏工件進行檢漏，不含有質(zhì)譜儀、真空泵、燈絲等部件，體積較小可手持。氫氣傳感器為半導體構(gòu)架，其表面鍍有一層致密的金屬膜，由于氫氣分子的體積是所有氣體分子中最小的，而該金屬膜僅能讓氫氣分子通過，并將其分解成為氫原子到達下層的半導體構(gòu)架。氫原子會改變半導體中原先通過的電流大小，檢漏儀主機檢測到電流的變化后，經(jīng)過計算即可顯示出泄漏率的大小。

氫氣屬于易燃易爆氣體，濃度達到一定程度時遇明火會產(chǎn)生劇烈爆炸，具有一定的危險性，因此檢漏過程中采用氫含量≤5%的氫氮混合氣。低濃度氫氣意味著需要增大工件壓力去提升單位時間內(nèi)氫氣泄漏量，而高壓檢漏具備一定的危險性，對檢漏氣體的損耗也比較高，所以目前主要使用探槍式氫氮檢漏儀對工件進行靜置檢漏。

靜置檢漏與實時檢漏存在比較明顯的差別，靜置檢漏需要將漏點在較密封環(huán)境下靜置一段時間后，探槍探入密封空間，以單位時間通過的氫氣量來計算漏率。實際上該方式檢漏將漏點漏率放大，靜置時間越長，密封空間中氫氣泄漏量累積越多，單位面積內(nèi)氫氣濃度越高，放大倍數(shù)也越大[4]。

由此可知，該類探槍式檢漏儀檢漏精度較低，且對工作環(huán)境要求極高，在開放式環(huán)境下檢漏示數(shù)為單位時間通過的氫氣量，容易受到空氣對流、探測距離等影響，無法定量推算泄漏量，雖能夠判斷工件泄漏以及泄漏點，但是誤差較大。

3 氫氮質(zhì)譜儀檢漏方法

氫氮質(zhì)譜儀檢漏原理與氦質(zhì)譜檢漏儀工作原理相似，在原有氦質(zhì)譜檢漏儀設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)氫離子質(zhì)荷比唯一的特點改變加速電壓對內(nèi)部偏轉(zhuǎn)磁場進行調(diào)整，將H+與其他離子分離，僅H+能夠被接收器接收并通過前置放大器放大，最終指示漏率，形成氫氣檢漏標準，實現(xiàn)氫檢[5]，其工作原理如圖1所示。

圖1 氫氮檢漏原理

測量需要在相對密閉無明顯空氣流動的空間中，則能保證空氣中氣體的濃度保持不變，入口壓力的變化同時也會影響檢漏的精度[6]。

4 真空室法氫氮檢漏方法分析

4.1 漏率分析

根據(jù)阿氏定律冷媒介質(zhì)泄漏率計算，如式（1）所示：

式（1）中，Q為氣體漏率；P0為標準大氣壓；Vm為標準氣體體積；q為液體泄漏率；T為工作溫度；M為摩爾質(zhì)量；T0為初始溫度；t為時間。

假設(shè)以冷媒（R410A）泄漏率(q=0.5 g)/ y為例，將其他參數(shù)代入式（1）中可得QR410a=5.31×10-7pa·m3/s。

氦氣泄漏率如式（2）所示：

式（2）中，C為氣體濃度；η為粘滯系數(shù)；P2、P1為試件充氣的高壓側(cè)絕對壓力和低壓側(cè)絕對壓力；P3、P4為試件工作時高壓側(cè)絕對壓力和低壓側(cè)絕對壓力。

氦檢時在1.2 MPa壓力條件下選用濃度為80%的氦氣作為檢漏介質(zhì)，將其他參數(shù)代入式（2）中可得QHe=5.44×10-8pa·m3/s。當制冷劑液體泄漏率每次增加1 g/y時，可繪制如圖2所示的氦氣泄漏折線圖。

氫氣本身為易燃易爆氣體，有一定的安全隱患，因此濃度必須≤5%。本文取氫氣極限濃度5%作為計算例。當充氣壓力以1.2 MPa為起始，每次增加1 MPa，代入式（3）中計算出在相同濃度、不同壓力條件下，QH2隨制冷劑年漏率（g/y）升高的理論漏率值，當?shù)竭_3.3 MPa時氦氣泄漏曲線與氫氣泄漏曲線接近，為了求得精確值在其附近以每次增加0.1 MPa精度計算并同時繪制如圖2所示折線圖。

圖2 不同充氣壓力和泄漏率條件下氦氣漏率與氫氣漏率對比折線圖

隨著充氣壓力的不斷提升，QH2與QHe值不斷接近，當?shù)竭_PH2=3.3 MPa值時，此時QH2與QHe值幾乎重合，即5%濃度氫氣在充氣壓力PH2值達到3.3 MPa時能夠較準確的滿足80%濃度、1.2 MPa的氦檢標準。

根據(jù)上述漏率分析來看，在一定條件下，使用氫氮混合氣檢漏能夠滿足現(xiàn)有兩器檢漏標準，因此氫氮檢漏理論上具備可行性。

4.2 真空箱氫氮檢漏可靠性分析

根據(jù)氫氮混合氣本身特性可知，在實際工作過程中，在氫含量較低和低灌注壓力情況下，氫氣泄漏量較少，經(jīng)過真空箱時存在一定的衰減，造成氫檢漏率值偏低，真空箱體積越大，衰減程度越大。

現(xiàn)有檢漏設(shè)備采用分流形式檢漏，即真空箱檢漏泵組與檢漏儀泵組同時參與對箱體的抽空，所以部分氫氣被真空箱檢漏泵抽走，另外部分氫氣流往檢漏儀，造成氫氣含量流失。

大氣中水蒸氣含量與空氣濕度相關(guān)，即空氣濕度直接影響環(huán)境中水蒸氣含量。正常環(huán)境水蒸氣含量一般在1%～4%，當真空箱中的水汽未抽凈，檢漏過程中進入電離室中電離可形成H+，從而影響H+濃度，導致漏率波動異常。

氫氮混合氣氣瓶中標注氫含量為5%，而在實際使用過程中，存在隨著氣瓶的損耗，工件內(nèi)灌注氣體中氫濃度可能不足5%，那么檢漏儀測出漏率值也會有小幅波動[7]。在檢測時應(yīng)確保氫氮含量充足。

4.3 經(jīng)濟效益分析

氫氮混合氣體，氫含量極低灌注后無法提純回收。工作時采用充氣壓力PH2=3.3 MPa。氦氣通過純化設(shè)備實現(xiàn)在線提純循環(huán)使用，純化后可得到純度≥98%的氦氣，采購成本可降低至原來的40%[8]。

根據(jù)現(xiàn)有氣體用量定額公式：

式（4）中，V1為氣體用量；P1為來料氣瓶壓力；P2為工件內(nèi)部體積；P2為工件內(nèi)部壓力。

以某款蒸發(fā)器組件（內(nèi)部容積為0.881791 L）作為標準進行計算，其各項指標如表1所示。

表1 不同氣源經(jīng)濟成本對比

氫氮混合檢雖然氣體成本較低，但是需重新投入新的檢漏配套設(shè)備，為滿足較高檢漏精度且屏蔽環(huán)境與系統(tǒng)干擾等，設(shè)備選材與系統(tǒng)技術(shù)要求較高，設(shè)備開發(fā)成本也相應(yīng)增加。

同時氫氮混合氣體檢漏，工質(zhì)是易燃易爆的氫氣，在儲存和使用過程中應(yīng)建立相應(yīng)的安全工作區(qū)及保障措施，投入較大?？紤]到混合氣含氫直接排放存在嚴重安全隱患，因此需建造整套氣體回收排放管道、氣體回收站，氫氮混合氣無法提純回收，耗用量大，若以氣瓶供氣，則還需考慮氣瓶申購數(shù)量、占地面積、運輸成本等，若以管道供氣方式，還需建造混合氣站、整套供氣管道等。

綜合來看，在檢漏氣體耗用成本方面，氦檢成本為氫檢成本的4倍。而考慮整套新工藝的開發(fā)，氫檢如果要做到與氦檢相近的準確性與穩(wěn)定性，開發(fā)成本預計為現(xiàn)有氦檢投入的3～5倍。

5 真空箱檢漏實驗驗證

實驗所用到的設(shè)備有氦檢機一臺，共有兩個箱體A和B工位如圖3所示，其中單個箱體容積為V=abh=1.1 m×0.93 m×0.28 m=0.28644 m3，其 中a為真空箱長度，b為真空箱寬度，h為真空箱高度。泄漏的蒸發(fā)器三件，將氦檢泄漏率設(shè)置為1.2×10-8Pa·m3/s，當泄漏率超過此值時，系統(tǒng)觸發(fā)報警機制。

圖3 A、B工位的真空箱示意圖

真空箱檢測在一個相對密閉的空間內(nèi)，有效的規(guī)避了其他兩種檢測的不足。取三件泄漏的蒸發(fā)器部件，先分別注入1.2 MPa氦氣，然后分三次依次放入真空箱做氦檢測試工件漏率，設(shè)置抽空時間30 s，檢漏時間13 s，抽空下限＜50 kPa，泄漏數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 充氦壓力1.2 MPa情況下蒸發(fā)器氦泄漏率

將兩種氣體的已知參數(shù)Q、C、η、P1、P2、P3、P4代入式（2）（3）中可得出氦氣漏率與氫氮氣漏率間關(guān)系式（5），理論上當充氫氮壓力為3.3 MPa時，其泄漏率相等：

根據(jù)現(xiàn)場灌注設(shè)備實際情況，本次實驗設(shè)定氫氣灌注壓力為

3.3 MPa，調(diào)整檢漏儀檢漏模式由氦氣轉(zhuǎn)換為氫氮氣，通過外部檢漏儀校準后把工件放入真空箱中，與氦檢時間參數(shù)設(shè)置相同進行氫氮檢，為了測得較準確的數(shù)值，A箱測試完成后，放入B箱復檢，復檢的目的只是為了確定檢漏結(jié)果是否準確，及排除其他不確定因素的干擾，泄漏數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 充氫氮壓力3.3 MPa情況下蒸發(fā)器泄漏率

由A、B工位首檢與復檢結(jié)果可知，首次抽空檢漏時漏率值偏大，重復多次抽空漏率值降低，可以確定真空箱內(nèi)部未處理情況下，存在雜質(zhì)氣體（水汽）影響檢漏結(jié)果，同時多次抽空有助于提高箱體清潔度，降低水汽影響，提高檢漏精度。

通過對比兩組數(shù)據(jù)可知，工件的氫氮檢與氦檢存在一定偏差，氫氮檢測整體泄漏率小于氦檢，與之前分析氫氣存在衰減一致。但是偏差范圍不大，證明真空箱氫氮檢漏具有可行性。

6 結(jié)論

經(jīng)過理論分析與相關(guān)驗證可知，氫氮檢漏具有一定的可行性，能夠用于檢測工件泄漏。感應(yīng)探槍式與質(zhì)譜儀檢測需要在密閉環(huán)境中工作才能得到較高的檢漏精度，真空箱檢測雖然存在氣體衰減等影響因素，但是可以滿足檢測要求。

（1）由制冷劑介質(zhì)泄漏率計算式可知，當氫氮氣體的壓力達到3.3 Mpa時可以得到與氦檢相同的泄漏率。

（2）由氫氮混合氣本身特性可知，在真空箱中氫氣存在衰減現(xiàn)象，漏率值會小幅波動，檢測時應(yīng)保證氣體的壓力充足。

（3）氫氮檢漏技術(shù)在氣體成本上具有很大的優(yōu)勢，然而該技術(shù)容易受環(huán)境影響，導致檢漏精度與穩(wěn)定性不足，如果要做到與氦檢相近的準確性與穩(wěn)定性，需投入較大的開發(fā)成本，在設(shè)備和驗證方案上進行優(yōu)化，降低環(huán)境影響、提升氫氣泄漏量來提高檢漏精度。

（4）由真空箱驗證數(shù)據(jù)可知，氫氮檢測在提高壓力的條件下可測得準確的泄漏率，若能保證箱內(nèi)清潔度，可測得更高精度數(shù)值。