火箭總裝過程中閥門漏率差壓法檢測技術(shù)研究

劉 洋，曹京京，牛 淼，沈建新

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016;2.天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462)

0 引言

總裝作為運(yùn)載火箭制造的最后一道工序，其裝配質(zhì)量直接影響了運(yùn)載火箭飛行任務(wù)的成敗。運(yùn)載火箭的總裝工作總體上可以分為電器裝配和機(jī)械裝配兩個部分，包括儀器設(shè)備及電纜安裝、管路系統(tǒng)安裝、部段對接、氣密性檢查、質(zhì)量特性測量和外形測量等工作[1]。

閥門是增壓輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其啟閉及密封性能直接影響火箭飛行動作。由于閥門工作環(huán)境惡劣(較高的隨機(jī)振動量級以及較寬的范圍)，使用要求較高(高壓、低壓均要求較高的密封性能)，因此一直是運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，閥門漏率超標(biāo)導(dǎo)致的增壓輸送系統(tǒng)質(zhì)量問題時有發(fā)生[2-4]。

火箭總裝完成后，在各工況下的氣密性實(shí)驗(yàn)是型號產(chǎn)品閥門裝配后質(zhì)量的最終驗(yàn)證工序，用以檢驗(yàn)其連接及閥門質(zhì)量的可靠性。閥門的泄漏檢測是預(yù)防閥門工作過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題的有效手段，因此必須特別重視閥門的泄漏問題，應(yīng)列為防漏檢漏工作的重點(diǎn)。

1 閥門差壓檢漏技術(shù)

差壓檢漏法相比于直壓檢漏方法檢漏分辨率更高、檢測時間更短，而且能夠有效降低檢測過程中產(chǎn)品形變、溫度變化等帶來的影響。因此，針對閥門漏率量化檢測對差壓法檢漏技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。

采用差壓法對閥門進(jìn)行泄漏檢測[5-7]時，差壓檢漏儀并不能直接測出閥門的漏率，而是通過檢測出因泄漏產(chǎn)生的壓降值(差壓)后，再由檢漏儀按理想氣體狀態(tài)方程自動計算出漏率?？紤]到測試壓力、溫度、被測物與基準(zhǔn)物容積不同等因素的影響后，差壓檢漏儀的漏率換算公式[8]如下：

其中：ΔVL為差壓檢漏儀的漏率，mL/s；T為檢測時間，s；ΔP為檢測時間T內(nèi)產(chǎn)生的壓降，Pa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；VW為被測物側(cè)容積，mL；VS為基準(zhǔn)物側(cè)容積，mL；ΔV/ΔP為差壓傳感器的傳感系數(shù)；PT為測試壓力(表壓),Pa。

差壓檢漏儀檢測的是被測產(chǎn)品內(nèi)的壓降，要想將壓降值換算成漏率，必須要知道被測物、基準(zhǔn)物的容積，同一壓降值對應(yīng)不同容積時，換算出的漏率幾乎完全沒有可比性。實(shí)際工作中，被測產(chǎn)品的形狀往往都很不規(guī)則，內(nèi)部尺寸也不易測量，加之還要連接很多管路、接頭、閥門等元件，被測物側(cè)的精確容積(VW)很難通過計算得到，而該參數(shù)誤差的大小會直接影響測得的漏率精度。因此，要想準(zhǔn)確測量閥門的漏率，首先需要精確測量出閥門、氣密夾具以及相關(guān)管路封閉起來的待測回路的內(nèi)容積[9]。

根據(jù)公式(1)，如果漏率已知，可以很容易反算出被測容積。因此，可以在待測管路上安裝標(biāo)準(zhǔn)漏孔，模擬出一個漏率已知的漏點(diǎn)，進(jìn)而通過差壓檢漏儀的容積檢測功能精確測量出待測回路的內(nèi)容積。

具體的研究工作，需通過計算得出被測產(chǎn)品內(nèi)腔容積的粗略計算值，針對該計算值選擇標(biāo)準(zhǔn)漏孔及測量參數(shù)，然后通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究內(nèi)腔容積測量精度隨標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率、標(biāo)定時內(nèi)腔氣壓、內(nèi)腔容積的變化規(guī)律，最終選取最優(yōu)的工藝參數(shù)區(qū)間，以提高產(chǎn)品內(nèi)腔容積檢測精度。

2 容積驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)選驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 差壓法容積檢測標(biāo)準(zhǔn)漏孔選擇實(shí)驗(yàn)

實(shí)際工作中，不同的閥門及其附屬管路、接頭等元件的容積差異很大，采用差壓法進(jìn)行容積檢測時，選擇合適漏率的漏孔進(jìn)行測試是容積精確讀取的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)通過制作一系列容積已知的標(biāo)準(zhǔn)容積容器和一系列漏率已知的標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行組合測試，在推薦的測量時間下，對不同容積進(jìn)行測量計算，以測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度來評價相對合適的漏孔選型，確定容積讀取值對應(yīng)的最合適的漏率范圍。差壓法檢漏實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 差壓法檢漏實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)制作10-1Pa·m3/s、10-2Pa·m3/s、10-3Pa·m3/s、10-4Pa·m3/s四種量級漏率的標(biāo)準(zhǔn)漏孔(入口壓力400 kPa(G)、出口對大氣，20 ℃，空氣漏率)，制作100 mL、500 mL兩種標(biāo)準(zhǔn)容積容器。

(2)將充氣壓力調(diào)整至400 kPa(G)，按照差壓檢漏儀的檢測參數(shù)參照表設(shè)置檢測環(huán)節(jié)參數(shù)。

(3)將100 mL、500 mL標(biāo)準(zhǔn)容積容器分別連接至差壓檢漏儀，然后在差壓檢漏儀的容積校正口分別連接不同漏率漏孔進(jìn)行容積校正，多次檢測并記錄結(jié)果，確定不同容積使用何種漏率的漏孔進(jìn)行容積校正精度最高。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)

分別將標(biāo)準(zhǔn)容積為100 mL和500 mL的容器連接至差壓檢漏儀，差壓檢漏儀的內(nèi)部容積約為7.2 mL，加上接頭及管路約為10 mL，使用不同漏率的漏孔進(jìn)行容積校正，容積校正相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 容積校正相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率對應(yīng)關(guān)系

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，100 mL和500 mL標(biāo)準(zhǔn)容積容器因差壓超量程出現(xiàn)了個別報錯的情況，對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，100 mL標(biāo)準(zhǔn)容積容器通過0.002 87 Pa·m3/s～0.036 7 Pa·m3/s漏率的漏孔可較準(zhǔn)確地校正其容積(參考標(biāo)準(zhǔn)為測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%)，容器及管路的總?cè)莘e約為122 mL；500 mL標(biāo)準(zhǔn)容積容器通過0.036 7 Pa·m3/s～0.082 7 Pa·m3/s漏率的漏孔可較準(zhǔn)確地校正其容積，容器及管路的總?cè)莘e約為514 mL。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)標(biāo)準(zhǔn)容積容器由于加工誤差等因素，實(shí)際容積與標(biāo)準(zhǔn)容積有部分差別，取相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最小的測試結(jié)果平均值作為實(shí)際容積。

(2)容積校正過程中，漏孔的漏率過小會導(dǎo)致測試時間過長，環(huán)境影響變大，儀器會自動停止測試；漏孔漏率過大會導(dǎo)致泄漏產(chǎn)生的壓降超出差壓量程，儀器也會自動停止測試。因此，根據(jù)容積需要選擇合適漏率大小的漏孔。

(3)容積越大校正結(jié)果相對準(zhǔn)確所需的漏孔漏率越大。

(4)根據(jù)測試數(shù)據(jù)及分析，針對預(yù)估容積在100 mL～500 mL范圍的容器，校正容積時選用標(biāo)準(zhǔn)漏孔漏率范圍為10-2Pa·m3/s～3.9×10-2Pa·m3/s。

2.2 容積校正工藝參數(shù)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

使用差壓檢漏方法對被測閥門進(jìn)行容積校正時，充壓時間和平衡穩(wěn)定時間的長短對最終容積校正的準(zhǔn)確度都會產(chǎn)生影響，因此需要確定最優(yōu)的容積校正工藝參數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)漏孔選定后，改變檢測周期中的充氣時間和平衡時間參數(shù)，針對被測閥門內(nèi)腔容積標(biāo)定進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)選取100 mL和500 mL的標(biāo)準(zhǔn)容積容器作為被測物。

(2)將被測物連接至差壓檢漏儀，并安裝2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)容積校正漏孔。

(3)對不同容積被測物制定3種不同的檢測環(huán)節(jié)工藝參數(shù)相互組合進(jìn)行檢測，設(shè)定測試壓力400 kPa(G)進(jìn)行容積校正測試，確定不同容積校正的最優(yōu)工藝參數(shù)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)

(1)標(biāo)準(zhǔn)容積為100 mL的容器，充氣壓力400 kPa，取充氣時間分別為30 s、15 s、60 s，平衡時間分別為5 s、2 s、10 s，相互組合為9組參數(shù)，依據(jù)前期的容積校正漏孔優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)論，使用1.18×10-2Pa·m3/s漏率的漏孔進(jìn)行容積校正，校正結(jié)果見表1。

表1 100 mL容器不同工藝參數(shù)容積校正結(jié)果

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，各組參數(shù)測試結(jié)果偏差都很小，最大容積偏差為1.47%，3種充氣時間參數(shù)對校正結(jié)果影響不大，從3種平衡時間參數(shù)來看，10 s對應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在各組測試中相對更小。100 mL的被測物對其進(jìn)行容積校正時，推薦最優(yōu)時間參數(shù)可設(shè)置為充氣30 s、平衡10 s。

(2)標(biāo)準(zhǔn)容積為500 mL的容器，充氣壓力400 kPa，充氣時間分別為120 s、60 s、200 s，平衡時間分別為10 s、5 s、15 s，相互組合為9組參數(shù)，使用3.67×10-2Pa·m3/s漏率的漏孔進(jìn)行容積校正，校正結(jié)果見表2。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差差異較明顯，平衡時間越長，測得容積越大，充氣時間較短時，相對偏差也較大。500 mL的被測物對其進(jìn)行容積校正時，推薦最優(yōu)時間參數(shù)為充氣時間120 s、平衡時間10 s。

表2 500 mL容器不同工藝參數(shù)容積校正結(jié)果

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)采用差壓法進(jìn)行容積校正時，測試節(jié)拍的選取會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，充氣時間和平衡時間過短會造成測試結(jié)果不穩(wěn)定，平衡時間過長會導(dǎo)致校正容積偏大，過長的測試時間也會導(dǎo)致測試效率降低。

(2)100 mL的被測物充氣30 s可以達(dá)到基本穩(wěn)定，平衡時間可選擇10 s ～15 s。

(3)500 mL的被測物充氣120 s可以達(dá)到基本穩(wěn)定，平衡時間可選擇10 s ～15 s。

3 差壓法檢測在新一代中型運(yùn)載火箭上的驗(yàn)證

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在新一代中型運(yùn)載火箭上選取進(jìn)出氣口管路容積不同的兩種閥門，采用差壓法進(jìn)行實(shí)際測試，按實(shí)際工況連接閥門及相關(guān)管路，在管路中添加不同漏率的標(biāo)準(zhǔn)漏孔模擬實(shí)際泄漏，通過實(shí)驗(yàn)確定實(shí)際的泄漏情況。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

(1)選取氧加泄閥和氧地面增壓單向閥，將被測閥門連接差壓檢漏儀。

(2)根據(jù)被測閥門進(jìn)出氣口管路容積選擇合適的容積校正漏孔，對被測閥門進(jìn)行容積校正。

(3)根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)得出的不同被測物容積對應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)設(shè)定檢測環(huán)節(jié)時間，在被測管路中安裝不同漏率的漏孔，多次檢測并記錄數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)

3.2.1 氧加泄閥漏率檢測實(shí)驗(yàn)

根據(jù)氧加泄閥加注口預(yù)估容積選擇1.25×10-2Pa·m3/s漏率的漏孔對其進(jìn)行容積校正，結(jié)果為382.3 mL。連接不同量級漏率的漏孔至被測閥門管路，使用差壓檢漏儀進(jìn)行檢測，每只漏孔檢測5次。氧加泄閥漏率檢測結(jié)果見表3。

表3 差壓法檢測氧加泄閥漏率檢測結(jié)果 Pa·m3/s

3.2.2 氧地面增壓單向閥漏率檢測實(shí)驗(yàn)

根據(jù)氧地面增壓單向閥進(jìn)氣口預(yù)估容積選擇7.17×10-3Pa·m3/s漏率的漏孔對其進(jìn)行容積校正，結(jié)果為239.1 mL。連接不同量級漏率的漏孔至被測閥門管路，使用差壓檢漏儀進(jìn)行檢測，每只漏孔檢測5次。氧地面增壓單向閥漏率檢測結(jié)果見表4。

表4 差壓法檢測氧地面增壓單向閥漏率檢測結(jié)果 Pa·m3/s

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

針對新一代運(yùn)載火箭上兩種管路進(jìn)出氣口容積不同的閥門進(jìn)行測漏實(shí)驗(yàn)，使用差壓法可以快速準(zhǔn)確地測試泄漏量，并且可有效檢測出10-3Pa·m3/s 、10-4Pa·m3/s量級的泄漏，滿足閥門漏率標(biāo)準(zhǔn)分布在0.05 Pa·m3/s～0.4 Pa·m3/s之間的要求。

4 結(jié)束語

針對火箭總裝過程中閥門漏率檢測的要求，分析了采用差壓檢漏方法在閥門漏率測試上應(yīng)用的影響因素，通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔模擬泄漏，并在實(shí)際產(chǎn)品中進(jìn)行驗(yàn)證，對差壓法檢測技術(shù)應(yīng)用于火箭總裝過程中閥門漏率檢測進(jìn)行了細(xì)致研究，通過測試和分析得出：

(1)通過差壓法進(jìn)行閥門漏率檢測，僅需預(yù)估閥門及配套測試管路的容積，選擇合適漏率的標(biāo)準(zhǔn)漏孔，設(shè)置匹配的檢測節(jié)拍，就可以較準(zhǔn)確地校正被測閥門及管路的總?cè)莘e，從而較準(zhǔn)確地測試閥門漏率，操作簡便，能夠排除人為影響。

(2)差壓檢漏方法可以滿足總裝過程中閥門漏率檢測工作的需要，能夠解決檢漏過程中各環(huán)節(jié)人為因素帶來的影響，降低操作難度，提升裝配的可靠性，為產(chǎn)品質(zhì)量分析和持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。