Оборудование для исследования газопроницаемости материалов и герметичности изделий авиационной и космической промышленности
Виноградов Максим Львович, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,
руководитель отдела контроля герметичности ООО «Вактрон», Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Новые композиционные материалы часто используются в аэрокосмической технике на современном этапе развития промышленности. Они позволяют сделать самолеты легче, маневреннее и дешевле в производстве. Однако, герметичность устройств, изготовленных из композиционных материалов на основе полимеров, часто хуже, чем у металлических аналогов.
Целью данного исследования является изучение газопроницаемости материалов, которые используются для создания элементов беспилотных летательных аппаратов. Авторы предлагают систему для измерения коэффициента газопроницаемости композиционных материалов с высокой чувствительностью.
Задача была поставлена производителями беспилотных летательных аппаратов и основана на требованиях к герметичности топливных баков данных устройств. Топливные баки представляют собой отсеки в крыльях БЛА. Максимально допустимый поток течи для бака объемом 200 литров составляет 10-6 Па.м3/с.
Для проведения измерений используется стенд, в котором реализован, в соответствии с ОСТ 5.0170-81, способ гелиевой камеры. Гелиевый масс-спектрометрический течеискатель ТИ1-14, входящий в состав стенда, обеспечивает минимальный регистрируемый поток гелия 7.10-13 Па.м3/с.
Стенд снабжен вакуумно-опрессовочной камерой, предназначенной для установки объекта измерений, его предварительной дегазации и создания градиента давления гелия относительно внешней и внутренней стороны объекта измерений [1].
Контролируемый объект устанавливают в вакуумно-опрессовочную камеру, присоединяют к течеискателю и откачивают с помощью вакуумной системы. Затем в камеру подают гелий, продолжая непрерывную откачку с противоположной стороны объекта. Количественное значение потока гелия измеряется по сигналу течеискателя, после стабилизации диффузионного потока гелия через исследуемый объект.
Уплотнение образцов материалов
Уплотнения для образцов используется витоновое кольцо. Уплотнительное кольцо имеет следующие размеры: внутренний диаметр – 38 мм, внешний диаметр – 44 мм, высота – 5 мм. Процент сжатия уплотнения – 30%, используется вакуумная смазка DowCorningDC11.
Проницаемость вакуумного уплотнения была измерена на экспериментальном стенде при установленной металлической заглушке вместо образца материала. Значение установившегося потока гелия для уплотнения составило 10-10 Па.м3/с. Реальная чувствительность экспериментальной системы будет ограничена данным значением потока через уплотнение.
Рисунок 1. Поток гелия через витоновое уплотнение.
Проверка системы и измерения
Проверка системы проводилась на образце материала с известной газопроницаемостью по гелию – фторопласте. Результаты экспериментального исследования и расчета коэффициента гелиевой проницаемости для фторопласта приведены на рисунке 2. После верификации установки были изучены три материала, предоставленные для исследования.
Установившееся значение коэффициента газопроницаемости гелия в [Па.м3/с].[м/(м2.бар)] для высокомолекулярного полиэтилена HMWPEс 100 нм медным покрытием составляет 3.1.10-8, для полиэтилена низкого давления HDPE209-07 с 100 нм медным покрытием – 1.9.10-7; для вакуум-плотной керамики ВК94-1 со слоем клея K400 – 2.2.10-9. Результаты измерений представлены на рисунке 3. Авторы будут рады провести измерения газопроницаемости новых материалов, которые могут быть предоставлены читателями.
|
|
|
|
Рисунок 2. Коэффициент гелиевой проницаемости для ПТФЭ. Проверка измерительной системы. |
Рисунок 3. Коэффициенты гелиевой проницаемости для композитных материалов. |
Новое оборудование для контроля герметичности изделий
Для осуществления контроля герметичности и локализации течей в изделиях, допускающих заполнение контрольным газом, в настоящий момент широко используют масс-спектрометрические течеискатели. Преимуществами данных течеискателей являются высокая чувствительность и использование для измерений безопасного, экологически чистого газа – гелия, недостатками – высокая стоимость, большие габариты и сложность конструкции. Контроль герметичности крупных объектов, таких как трубопроводы, элементы корпуса космического корабля, контуры циркуляции АЭС, удобно осуществлять с помощью портативного гелиевого течеискателя.
Течеискатель имеет массу 320 грамм, способен работать от встроенной батареи до 10 часов. Благодаря минимальный размерам канала движения газа, прибор обеспечивает время реакции на поток гелия менее 0,1 секунды и время восстановления после измерения потока – менее 1 с. Прибору не требуется время для подготовки к измерениям, он готов к проведению течеискания сразу после включения. Рассмотрим график статистического распределения течей, выявляемых при работе с гелиевыми течеискателями [2]. На график, приведенный на рисунке 4, наложены диапазоны чувствительности портативного течеискателя в профессиональном и стандартном исполнениях.
Рисунок 4. Распределение количества обнаруживаемых течей различных потоков.
Анализ данного статистического распределения позволяет сделать вывод, что в диапазон чувствительности портативного гелиевого течеискателя попадает большинство реальных сквозных течей, которые необходимо обнаруживать при контроле герметичности.
С помощью прибора можно реализовать течеискание способами:
1) щупа – объект заполняется гелием, и по ореолам рассеяния гелия через течи с внешней стороны объекта проводится локализация места нарушения герметичности;
2) накопления при атмосферном давлении – объект заполняется гелиево-воздушной смесью, помещается в вакуумный чехол. В случае наличия течи, в верхней части чехла происходит накопление гелия, по концентрации которого можно судить об интегральной герметичности устройства;
3) обдува – контролируемый объект откачивается форвакуумным насосом, на выхлопе которого устанавливается течеискатель. При обдуве гелием поверхности изделия, гелий попадает внутрь объекта через течи, затягивается насосом и индицируется течеискателем на выхлопе.
Пороговая чувствительность в режиме обдува и накопления при атмосферном давлении зависит от особенностей реализации данных способов течеискания [3].
Манометрический способ течеискания
Эквивалентным по чувствительности способу опрессовки с погружением в жидкость является манометрический способ контроля герметичности. Он заключается в измерении падения давления в изделии за установленный интервал времени.
При контроле манометрическим методом объект контроля заполняют пробным газом под давлением выше атмосферного и выдерживают в течение определенного времени. Объект контроля считают герметичным, если падение давления пробного газа во время выдержки под давлением не превысит норм, установленных техническими условиями или конструкторской документацией.
Количественная оценка общей негерметичности Q(Па.м3/с) проводится по формуле
Q=VdP/dt
где V - внутренний объем изделия и элементов испытательной системы, м3; 
dP - изменение давления пробного газа за время опрессовки, Па; 
dt - время опрессовки, с.
Преимуществами метода являются:
- высокая производительность контроля,
- возможность автоматизации процесса течеискания,
- независимость результата измерения от оператора,
- отсутствие паров жидкости и масла.
В качестве прибора, регистрирующего изменение давления в изделии, выступает манометрический течеискатель S9, который представляет компания Вактрон. Устройство течеискателя позволяет автоматизировать процесс напуска газа в объект контроля, измерения и сброса давления.
Управление процессом контроля герметичности производится двумя кнопками – «начать измерение» и «сменить объект». После измерения включается индикация: зеленая лампочка – объект герметичен, красная лампочка – объект негерметичен. Поток течи и кривая падения давления отображаются на экране манометрического течеискателя. Примеры интеграции манометрического течеискателя показаны на рисунках 7 а и 7 б.
Минимальное регистрируемое изменение давления течеискателем составляет 0,1 Па. В приборе установлен эталонный герметичный объем, отделенный от измеряемого объекта чувствительной к перепаду давления мембраной. Способ течеискания по измерению дифференциального давления заключается в том, что и объект, и эталонный объем откачиваются или заполняются газом до одинакового давления.
При наличии течи в испытуемом объекте, баланс давлений нарушается и мембрана, разделяющая объемы, деформируется. По изменению емкости конденсатора, одной обкладкой которого служит указанная мембрана, производится насчет величины течи в испытуемом объекте.
Течеискатель S9 калибруется с помощью контрольной течи, устанавливаемой специальный порт течеискателя, и внешнего измерителя расхода газа.
Рисунок 7 (а, б). Примеры интеграции манометрического течеискателя.
Выводы
Для исследования газопроницаемости композитных материалов с различными покрытиями подготовлен стенд, построенный на базе гелиевого масс-спектрометрического течеискателя. Разработана методика проведения измерений для коэффициента гелиевой проницаемости через материал. На стенде в настоящее время проводятся научно-исследовательские работы в области изучения диффузии гелия через современные полимеры и керамические материалы. Результаты исследований используются для создания элементов беспилотных летательных аппаратов. Готовые изделия могут быть проверены на герметичность с применением различных типов течеискателей: масс-спектрометрического, портативного гелиевого и манометрического – в зависимости от необходимой чувствительности, производительности испытаний и стоимости испытаний.
Литература
1. Barchenko, V. T., Lisenkov A. A., Vinogradov M. L. "System and method for determining the gas permeability and flow of helium through the materials and coatings." Journal of Physics: Conference Series. Vol. 567. No. 1. IOP Publishing, 2014.
2. Perkins, W. G., Permeation and outgassing of vacuum materials, J. Vac. Sci. Technol., 10(4), 543 – 556, 1973.
3. Виноградов М. Л. Разработка портативного прибора контроля герметичности вакуумных систем //Технологии техносферной безопасности: интернет-журнал. – 2013. – №. 3. – С. 49.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники».