基于色譜分析技術(shù)的航天器熱管檢漏方法研究

任國華，竇仁超，孟冬輝，李 征，趙月帥，王 勇，孫 偉

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于色譜分析技術(shù)的航天器熱管檢漏方法研究

任國華，竇仁超，孟冬輝，李 征，趙月帥，王 勇，孫 偉

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

針對航天器熱控系統(tǒng)中熱管的高密封性能要求，以及特殊的傳熱工質(zhì)，分析現(xiàn)存檢漏方法存在的問題，提出使用色譜分析技術(shù)對熱管進行檢漏。介紹了基于色譜技術(shù)的熱管檢漏工作原理，檢漏系統(tǒng)設(shè)計，試驗方法和數(shù)據(jù)處理等，并對工質(zhì)為乙烷的氣液兩相、漏率在10-8Pa·mμ/s量級的熱管進行檢漏，為將來熱管以及示漏物質(zhì)是特殊工質(zhì)的被檢件檢漏工作提供參考。

熱管；色譜技術(shù)；系統(tǒng)設(shè)計；試驗方法

0 引言

為了保證航天器的正常運行，維持航天器內(nèi)部溫度分布合理，高溫器件的余熱處理和低溫器件溫度補償，航天器的熱控分系統(tǒng)中的被動式熱控器件—熱管是最為節(jié)約能源、運行安全、可靠的器件，由于其形狀各異，可布置位置較為靈活，能夠適應(yīng)于各種復(fù)雜的場合，經(jīng)證明一種有效的傳熱器件，其壽命在某種程度上影響著熱控分系統(tǒng)的工作壽命，熱管的壽命主要取決于管殼材料與工質(zhì)的相容性和工質(zhì)的泄漏量[1]，目前大部分成熟熱管使用鋁合金材質(zhì)，已經(jīng)被證實能夠與工質(zhì)較好的相容，對熱管的壽命沒有影響，因此熱管的泄漏是影響到熱管壽命的重要因素。由于一般的熱管工質(zhì)含量較少，在長期的工作中，熱管的微小泄漏，都會造成熱管失效，所以熱管的泄漏率是熱管品質(zhì)的一個重要的參數(shù)。

1 熱管結(jié)構(gòu)

由于熱管的高密封性要求，在其生產(chǎn)過程中，充入一定壓力的氦氣，使用氦質(zhì)譜吸槍檢漏的方法對熱管的本體進行掃描檢漏[2]。將傳熱工質(zhì)充入熱管，傳熱工質(zhì)一般選用高比熱容、高熱導(dǎo)率、低黏度、低蒸氣壓、相容性好等特點的氣液體，而乙烷具有比其他工質(zhì)更大的熱交換值，可以通過氣液兩相轉(zhuǎn)換自動實現(xiàn)熱交換循環(huán)，成為近期研究較多的熱管工質(zhì)。在充氣口套上套管，使用壓力物理密封，充氣口便是熱管泄漏的主要地方。因此需要研究一種高靈敏度熱管檢漏方法。將以乙烷熱管作為研究對象，如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)存的檢漏方法，提出了基于色譜分析技術(shù)的熱管檢漏方法。

圖1 熱管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Heat pipe to be tested

2 熱管的檢漏方法

2.1 檢漏方法原理

基于色譜分析技術(shù)的熱管檢漏方法原理是熱管在填充傳熱工質(zhì)后，將熱管密封在一定的累積容器內(nèi)，測量初始狀態(tài)下，累積容器內(nèi)示漏氣體量p0V0，當(dāng)熱管累積一定時間t，測量累積結(jié)束后，累積容器內(nèi)示漏氣體的量p1V1，就可以計算出熱管泄漏的漏率，漏率計算如式（1）。

式中：Q 為被檢熱管的漏率，Pa·mμ/s；p1為熱管累積一定時間后，累積容器內(nèi)示漏氣體的壓力，Pa；V1為示漏氣體泄漏到累積容器內(nèi)的氣體體積，mμ；p0為熱管接在累積容器時初始狀態(tài)下示漏氣體的分壓力，Pa；V0為初始狀態(tài)下，示漏氣體在累積容器內(nèi)的氣體體積，mμ。

2.2 熱管檢漏系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)基于色譜技術(shù)的熱管檢漏方法原理設(shè)計熱管檢漏試驗系統(tǒng)，熱管檢漏試驗系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 熱管檢漏試驗系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of leak test system of heat pipe

在該檢漏系統(tǒng)中，累積容器主要用于收集從熱管泄漏出來的工質(zhì)氣體，要求累積容器對熱管工質(zhì)具有較小的吸附能力，因此本系統(tǒng)采用經(jīng)過內(nèi)部電拋光方式的316L不銹鋼累積容器，熱管的漏率大約在10-8Pa·mμ/s量級，漏率較小，要求累積容器采用盡量小的體積，提高系統(tǒng)的檢漏靈敏度，另外熱管在泄漏測試期間，示漏氣體和標(biāo)準(zhǔn)放樣氣體不能引起累積容器內(nèi)部氣體壓力的較大變化，所以需要綜合考慮累積容器的大小。

熱管的密封性要求高，漏率小，測量準(zhǔn)確度高，因此測量過程中需要保證熱管能夠和測試系統(tǒng)完全的連接，不引入或者泄漏示漏氣體，基于此設(shè)計熱管和累積容器之間的連接工裝，接頭需要能夠較好的密封，且死空間較小，保證泄漏到測試系統(tǒng)內(nèi)部的氣體是被測熱管的實際工質(zhì)，且只能有被測熱管泄漏入測試?yán)鄯e容器。轉(zhuǎn)接工裝主要由密封件接口、設(shè)備接口、密封圈三部分組成。接頭中間孔的大小根據(jù)熱管的尺寸進行設(shè)計，保證接頭能夠和熱管密封，接頭主體為304不銹鋼材料，設(shè)備接口采用Φ6VCR的標(biāo)準(zhǔn)接口，具有通用性，便于和一般測試系統(tǒng)相互連接。連接處采用氬弧焊焊接，轉(zhuǎn)接工裝與氣液兩相密封件之間依靠橡膠圈緊壓式密封，如圖3所示。

圖3 熱管和累積容器接頭圖Fig.3 Schematic diagram of connection between heat pipe and accumulation vessel

循環(huán)泵用于循環(huán)累積容器和色譜儀之間氣體交換，循環(huán)泵的抽速穩(wěn)定，由于分析的熱管工質(zhì)大部分是有機氣體，要求循環(huán)泵是無油泵。

色譜儀是熱管色譜檢漏試驗方法的分析核心設(shè)備，需要能夠?qū)峁芄べ|(zhì)進行分析，根據(jù)色譜儀的工作原理可知，針對特定的熱管工質(zhì)，設(shè)計熱管示漏氣體分析方法。

氣相色譜分析技術(shù)便于分析特定容器內(nèi)部氣體的濃度，對氣體分壓力測量困難，無法根據(jù)式（1）算出熱管的漏率，將累積容器內(nèi)示漏氣體的量轉(zhuǎn)換為濃度，測量單位時間內(nèi)示漏氣體濃度的變化率，再通過向色譜儀注入已知氣體含量的標(biāo)準(zhǔn)氣體，得到標(biāo)準(zhǔn)氣體的反應(yīng)值，可計算熱管的漏率，在該理論中，需要設(shè)計合理的標(biāo)定方法，將示漏氣體濃度變化率轉(zhuǎn)換成大家接受的漏率表達方式。有兩種方法可以完成對被檢件漏率的標(biāo)定，第一種方法是標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)標(biāo)法，首先將被檢件累積在累積容器內(nèi)一定時間t，在色譜儀穩(wěn)定后，測量本底u0，之后將已知氣體濃度Q1的標(biāo)準(zhǔn)氣體送入色譜儀，待色譜儀工作站上出現(xiàn)完整的譜圖，以該譜圖中示漏氣體峰的峰面積u1，作為標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度在色譜圖上的反應(yīng)值，得到一個校正因子。然后再利用色譜儀測量累積容器內(nèi)部示漏氣體的濃度，便可以在色譜圖上得到示漏氣體的譜圖，經(jīng)色譜工作站計算示漏氣體對應(yīng)譜峰的峰面積u2，利用校正因子和峰面積得示漏氣體的濃度 A1，如式（2）。

式中:u0為累積容器內(nèi)本底值；Q1為標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，mg/L；u1為標(biāo)準(zhǔn)氣體色譜圖上峰面積；u2為被測漏孔累積一定時間后終值。再和累積容器內(nèi)氣體量w1計算得到被測漏孔泄漏出來的示漏氣體氣體量S，如式（3）。

式中：S為被測漏孔泄漏出來的示漏氣體氣體量。

因此得到被檢件的漏率大小Q，如式（4）：

式中：Q為被檢件的漏率，Pa·mμ/s；t為累積時間，s。

第二種方法是放樣氣體標(biāo)定法，被檢件安裝在累積容器上，首先測量一個初值u′1，被檢件累積時間t后，再使用色譜儀測量一個終值u′2，然后通過已知氣體量的標(biāo)準(zhǔn)氣體w放樣到收集容器，利用色譜儀的反應(yīng)值u′3，計算得到被檢件的漏率Q，如式（5）。

式中：w為放樣標(biāo)準(zhǔn)氣體量，Pa·mμ；u′1是被檢件的初值；u′2是被檢件累積時間 t后的終值；u′3是標(biāo)準(zhǔn)氣體放樣后反應(yīng)值。

3 測試試驗

對目前一個熱管產(chǎn)品進行色譜檢漏試驗，該熱管的工質(zhì)是乙烷氣液兩相，針對該工質(zhì)熱管，設(shè)計了熱管檢漏分析方法，色譜儀的各項參數(shù)如表1所列。

表1 色譜儀參數(shù)Table1 Parameter of chromatograph

將熱管連接在累積容器上，累積容器及連接管道的容積由式（6）測得，具體計算方法，由文獻[3-5]論述，原理如圖4所示。

式中：V2為累積容器和管道的容積，m3；V′為外接容器的容積，m3；p2為第一次膨脹前累積容器和管道的壓力，Pa；p3為第一次膨脹后累積容器和管道的壓力，Pa；p4為第二次膨脹前累積容器和管道的壓力，Pa；p5為第二次膨脹后累積容器和管道的壓力，Pa；Vd為標(biāo)準(zhǔn)體積，m3。累積容器及管道的容積大小經(jīng)式（6）測得V2是21.7 L。

采用第一種標(biāo)定方法，標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)標(biāo)法待檢測的已知氣體含量的標(biāo)準(zhǔn)氣體是乙烷氣體，含量為100 mg/L的氣體，其中平衡氣是氦氣。打開色譜儀進樣口，在色譜儀出口處加上抽氣泵，使得空氣能夠以一定的速率從色譜儀進樣口經(jīng)過定量環(huán)，從出口處排出，此時色譜儀六通閥處于“取樣”位置。將六通閥打到“進樣”，通過六通閥向色譜儀進樣。啟動色譜儀，待儀器穩(wěn)定3 h，打開檢測器燈絲，開始測量，經(jīng)多次試驗后，得到大氣本底值。

對大氣本底測量完成后，測量標(biāo)準(zhǔn)氣體中乙烷的含量。標(biāo)準(zhǔn)氣裝載在小型密封鋼瓶內(nèi)，在鋼瓶上安裝減壓器，連接在色譜儀的樣品入口處，由于標(biāo)準(zhǔn)氣體的壓力遠大于大氣壓，因此樣品出口通過管路接在水里，可以較為方便的觀察到標(biāo)準(zhǔn)氣的流量。在將標(biāo)準(zhǔn)氣體接入系統(tǒng)時，需要在大氣環(huán)境下安裝減壓閥和管路接口，可能會在標(biāo)準(zhǔn)氣瓶口代入大氣，為了保證標(biāo)準(zhǔn)氣體的純度，打開標(biāo)準(zhǔn)氣體，使標(biāo)準(zhǔn)氣持續(xù)流入色譜儀1 h，沖洗色譜儀和減壓器。待色譜儀運行穩(wěn)定，測量標(biāo)準(zhǔn)氣體，譜圖如圖5所示。在標(biāo)準(zhǔn)氣體中，平衡氣是氦氣，本色譜儀使用氦氣作為載氣，乙烷作為標(biāo)準(zhǔn)氣體中的待測氣體，因此譜圖上應(yīng)該僅僅出現(xiàn)空氣峰和乙烷氣體峰，通過和大氣本底譜圖進行對比，可以處于11.493 min的峰便是乙烷峰，三次測量結(jié)果如表2所列。

圖5 100 mg/L標(biāo)準(zhǔn)氣體譜圖Fig.5 The spectrum of 100 mg/L standard gas

表2 標(biāo)準(zhǔn)氣體測試結(jié)果Tab.2 The test results of standard gas

將該熱管連接在累積容器上，累積容器內(nèi)部壓力p6=101.00 kPa，累積一定時間，啟動色譜儀，待色譜儀穩(wěn)定3 h，使用色譜儀測量累積容器內(nèi)部乙烷含量變化，如圖6所示。

圖6 熱管累積94.5 h測量值Fig.6 The test value of heat pipe accumulated after 94.5 hours

根據(jù)色譜檢漏方法的工作原理，需要對累積測試結(jié)果進行標(biāo)定，采用標(biāo)樣氣體內(nèi)標(biāo)法和放樣氣體標(biāo)定法兩種方法，其中標(biāo)樣氣體內(nèi)標(biāo)法采用100 mg/L標(biāo)準(zhǔn)氣體測試結(jié)果標(biāo)定，放樣氣體標(biāo)定使用經(jīng)過計量機構(gòu)計量過的標(biāo)準(zhǔn)體積進行放樣，標(biāo)準(zhǔn)體積大小為V3=69.2 mL，放樣壓力p7=101.00 kPa，如圖7所示。

圖7 放樣后乙烷測量值Fig.7 The test value of C2H6by introduced sampling

3 結(jié)果分析

根據(jù)氣相色譜分析技術(shù)，對熱管的檢漏結(jié)果進行分析，分別采用兩種標(biāo)定方法這就能夠標(biāo)定。

（1）標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)標(biāo)法

由表2和表3可知，t=340 140 s，u0=22 178，u1=10 608 356，u2=7 277 642，其中累積容器內(nèi)部的氣體量w1可由式（8）所得：

代入式（4），可得：

表3 熱管累積測量值Table3 Accumulated measurement of heat pipe

（2）放樣氣體標(biāo)定法

由表 2 和表 3可知，u′2=u2=7 277 642，u′1=u0=22 178，t=340 140 s，u′3=171 832 218，標(biāo)準(zhǔn)放樣氣體量w可由式（10）所得：

代入式（5），可得：

在這兩種標(biāo)定方法中，第一種方法標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)標(biāo)法中，采用的標(biāo)準(zhǔn)氣體是氦氣，被測氣體是乙烷氣體。標(biāo)準(zhǔn)氣體的成分不完全準(zhǔn)確，該種方案的誤差較大。第二種方法放樣氣體標(biāo)定法中采用的標(biāo)準(zhǔn)氣體是純度99.9%的乙烷氣體，標(biāo)準(zhǔn)體積經(jīng)過計量，可以得到準(zhǔn)確值。該標(biāo)準(zhǔn)氣體放樣到累積容器內(nèi)，這種工作狀態(tài)和熱管的實際檢漏工況是相同的，誤差較小，所以若選用色譜分析技術(shù)的檢漏方法時，采用放樣標(biāo)準(zhǔn)氣標(biāo)定方法進行標(biāo)定，所引入的不確定度小。

因此熱管檢漏采用放樣氣體標(biāo)定法，為了減小檢漏過程中，隨機效應(yīng)引入的不確定度，對被檢熱管測量6次，測量結(jié)果如表4所列。

表4 色譜法測量熱管值Table4 The test data of heat pipe by chromatography

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)有的熱管檢漏方法的比較，提出采用基于色譜技術(shù)的熱管檢漏方法，給出了熱管檢漏試驗系統(tǒng)的設(shè)計方法，并在檢漏系統(tǒng)上對1支熱管進行了檢漏測試，比較色譜分析技術(shù)的兩種標(biāo)定方法，認(rèn)為采用放樣氣體標(biāo)定法所引入的不確定度小，是可行的熱管檢漏方法，由于色譜技術(shù)能夠?qū)Υ蠓肿印⒂袡C物進行分析，這就能夠為將來熱管以及示漏物質(zhì)是特殊工質(zhì)被檢件的檢漏提供參考。

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[5]曹慎誠，劉志東，馮毅明.氦質(zhì)譜正壓檢漏法[J].真空與低溫，2000，6（1）：58-60.

STUDY OF THE LEAK DETECTION OF SPACECRAFT HEAT PIPE BASED ON THE GAS CHROMATOGRAPHY

REN Guo-hua，DOU Ren-chao，MENG Dong-hui，LI Zheng，ZHAO Yue-shuai，WANG Yong，SUN Wei
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

In this paper，the high sealing performance of heat pipe in spacecraft thermal control system is required，and a lot of study on leak detection of the heat pipe whose working medium is special heat transfer medium are carried out.For solving this question，the existing leak detection methods are analyzed.The leak detection of heat pipe based on chromatographic analysis technique is introduced.This paper introduces the working principle of leak detection of heat pipe using chromatographic technique，the design of the leak detection experiment system，experimental method data processing method.The heat pipe whose working medium is gas-liquid two phase flow of C2H6is leak tested，its leakage rate is in the order of 10-8 Pa·m3/s，that provides a reference for the future of the heat pipe leaking detection.

heat pipe；chromatography technique；system design；experimental method

TB774

A

1006-7086（2017）05-0280-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.006

2017-07-14

國家自然科學(xué)基金（U1537109）

任國華（1986-）男，河南省焦作人，工程師，碩士，主要從事質(zhì)譜分析與色譜分析。E-mail：wqghren@126.com。