Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОИСКА ТЕЧЕЙ (ВАРИАНТЫ)

Способ относится к области неразрушающего контроля промышленных изделий, имеющих свободный объем, а именно контроля герметичности тепловыделяющих элементов для атомных реакторов с помощью гелиевого течеискателя.

Масс-спектрометрический способ контроля герметичности изделий, имеющих замкнутый объем, с использованием гелия в качестве пробного газа, широко применяется в различных областях промышленности, в том числе и в атомной. Изделия могут содержать гелий как среду, в которой они герметизируются, или он попадает в свободный объем через возможные дефекты при опрессовке изделий гелием перед контролем герметичности.

Известен способ поиска течей /«Неразрушающий контроль», том II, под ред. В.В.Клюева, М, Машиностроение, 2003/, включающий подготовку изделия к контролю, их загрузку в вакуумную камеру, откачку вакуумной камеры откачной системой вакуумной камеры, перекрытие откачной системы вакуумной камеры, подключение течеискателя к вакуумной камере, вакуум в камере поддерживается собственной откачной системой течеискателя, установление устойчивого сигнала на шкале течеискателя, то есть достижение равновесного состояния установки контроля, снятие показания течеискателя, сравнение показания течеискателя с нормой Q_н, то есть с максимально допустимым значением потока утечки для данных изделий, установленным разработчиком изделия, принятие решения о годности изделий.

При этом показания течеискателя являются достоверными, если замер произведен после установления равновесного состояния, то есть состояния, когда все потоки установились и поток натекания в систему от негерметичных изделий равен потоку газа, отбираемому течеискателем.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ поиска течей с помощью гелиевого течеискателя по патенту РФ №2164359, МКИ G21С 17/00, G21М 3/20, 2002 г. - прототип, согласно которому осуществляют поиск течей в изделиях, содержащих свободный объем, заполненный гелием, имеющих величину допустимой утечки при заданных значениях давления и температуры и имеющих поток поверхностного натекания. Способ включает проверку работоспособности установки путем напуска гелия от стандартного источника во время испытаний изделий, определение потока утечки гелия от изделия и сравнение его с допустимым значением утечки. Для каждой температуры испытания определяют объем загрузки установки контроля и величину допустимой утечки при данной температуре. Величина допустимого для контролируемых изделий потока утечки корректируется в зависимости от условий контроля. Однако сам контроль осуществляется только в равновесном состоянии, а чувствительность установки ограничивается чувствительностью течеискателя.

Задачей данного изобретения является разработка способа поиска течей с повышенной чувствительностью для контроля изделий с повышенными требованиями по герметичности, с высокой избирательной способностью, возможностью определять пробный газ в потоке паразитных натеканий и высокой производительностью.

Задача решается благодаря тому, что в способе поиска течей с помощью гелиевого течеискателя в изделиях, имеющих свободный объем, включающий подготовку изделий к контролю в установке контроля, содержащей вакуумную камеру, откачную систему вакуумной камеры, детектор утечки в виде масс-спектрометрического течеискателя, контрольно-измерительные приборы, запорную арматуру и трубопроводы, загрузку изделий в вакуумную камеру, набор вакуума с помощью откачной системы вакуумной камеры, подключение течеискателя к вакуумной камере, снятие показаний течеискателя, оценку годности изделий по этим показаниям путем их сравнения с допустимой утечкой, согласно формулы изобретения снятие сигнала течеискателя производят до наступления равновесного состояния установки контроля в момент времени t_к, а за величину допустимой утечки берут значение, вычисленное по формуле (1):

где Q_д - поток, который показывает течеискатель через время t_к после его подключения,

Q_н - нормативное значение потока утечки от изделий,

S₀ - быстрота откачки насоса течеискателя,

V - свободный объем вакуумной камеры,

р_вк - давление в вакуумной камере перед подключением течеискателя,

t_к - время, прошедшее после подключения течеискателя к вакуумной камере до момента снятия сигнала течеискателя.

Задача решается также благодаря тому, что снятие сигнала течеискателя производят через конкретный период времени Т_к после подключения течеискателя, а за величину допустимой утечки берут значение, вычисленное по формуле (2):

где Т_к - численное значение времени, прошедшего после подключения течеискателя к вакуумной камере до момента снятия сигнала течеискателя.

Необходимым условием решения задачи является также то, что снятие сигнала течеискателя производят через период времени Т_0,9 после подключения течеискателя, который находят из формулы (3), а за величину допустимой утечки берут значение, равное 0,9 от нормативной утечки.

где Т_0,9 - время, прошедшее после подключения течеискателя к вакуумной камере до момента снятия сигнала течеискателя, которое при натекании в вакуумную камеру потока утечки, равного нормативному потоку утечки, принимает значение 0,9 от величины этого потока.

Задача решается также благодаря тому, что перед подключением течеискателя к вакуумной камере ее выдерживают в закрытом состоянии в течение периода времени накопления пробного газа t_н, а величину допустимой утечки определяют по формуле (4):

t_н - время, прошедшее после перекрытия вакуумной камеры, для накопления пробного газа, до подключения течеискателя к вакуумной камере и снятия сигнала течеискателя,

k - коэффициент пропорциональности.

Задача решается, если вакуумную камеру выдерживают в закрытом состоянии в течение периода времени, за которое натекание пробного газа в вакуумную камеру с потоком, равным нормативному значению, даст при подключении течеискателя показание, численно равное нормативной утечке, а за величину допустимой утечки берут нормативное значение.

Данная задача будет решена, если определить, каким образом измерить утечку до наступления равновесного состояния установки контроля, как ускорить наступление этого состояния, как повысить чувствительность контроля с помощью накопления пробного газа без потери производительности.

Указанная совокупность признаков является новой и обладает изобретательским уровнем, так как позволяет снимать сигнал до наступления состояния равновесия, то есть до получения истинного значения утечки, и вычисление допустимой утечки путем пересчета по формулам, выведенным по законам вакуумной техники, в зависимости от выбранных режимов контроля.

Для определения величины утечки используют новый прием - прогнозирование величины утечки по выведенным для данного способа контроля формулам и по начальному ходу изменения сигнала в переходном режиме работы установки контроля или в режиме накопления пробного газа.

Различные варианты выбора момента снятия сигнала течеискателя - вблизи точки равновесия установки контроля, в любой текущий момент или конкретно взятый момент, приемы ускорения достижения точки контроля временным накоплением или откачкой пробного газа позволяют расширить эксплуатационные возможности имеющегося оборудования и подобрать самый оптимальный вариант в зависимости от конструкции контролируемых изделий, используемого оборудования, точности определения потока утечки и других условий контроля.

Определить величину утечки до наступления состояния равновесия можно по зависимости роста сигнала течеискателя, которая будет в одинаковых условиях одна и та же для конкретного значения натекания. Снимая показания течеискателя в начальный момент роста сигнала, можно определить его равновесное значение. Такую зависимость можно для конкретных условий снять экспериментально, используя в качестве источника пробного газа Гелит с номинальным значением потока газа, равным норме для контролируемых изделий.

Для общего случая эту зависимость можно вывести, используя формулы вакуумной техники. Так, например, показание течеискателя, подключенного к вакуумной камере с изделиями в любой момент времени t, будет соответствовать формуле (1):

где Q_m - поток, который показывает течеискатель через время t после его подключения,

Q_u - поток утечки от контролируемых изделий, или Гелита,

S₀ - быстрота откачки насоса течеискателя,

V - свободный объем вакуумной камеры,

р_пр - предельное давление, которое развивает насос течеискателя.

t - время, прошедшее после подключения течеискателя к вакуумной камере до момента снятия сигнала течеискателя.

При перекрытии вакуумной камеры и накоплении пробного газа показание течеискателя, подключенного к вакуумной камере с изделиями в любой момент времени t, будет определяться в соответствии с формулой (4):

где Q_u - поток утечки от контролируемых изделий, или Гелита,

t - время, прошедшее после перекрытия вакуумной камеры до момента подключения течеискателя к вакуумной камере и снятия его показаний.

k - коэффициент пропорциональности.

На фигуре представлен график изменения показаний течеискателя в режиме выхода установки контроля в равновесное состояние и в режиме накопления пробного газа.

Точки на графике означают:

Q_p, Т_р - равновесное значение сигнала течеискателя и время его достижения,

Q_0,9, T_0,9 - значение сигнала течеискателя на уровне 0,9 от равновесного и время его

достижения,

Q_к, Т_к - текущее показание течеискателя и момент времени, которые приняты за контрольные в режиме перехода к равновесному значению,

О_нак, Т_к - текущее показание течеискателя и момент времени, которые приняты за контрольные в режиме накопления,

Q_н, Т_рН - значение сигнала течеискателя, замеренное в режиме накопления, численно равное равновесному значению (и норме) и время его достижения,

а - равновесное (истинное) показание течеискателя,

b - точка выхода показания течеискателя в положение 0,9 от равновесного значения,

с - промежуточное показание течеискателя по мере выхода на равновесный уровень,

которое может быть принято за точку контроля,

d - промежуточное показание течеискателя по мере накопления пробного газа в реторте,

которое может быть принято за точку контроля,

е - точка выхода сигнала течеискателя в режиме накопления, в которой он равен нормативной утечке,

1 - кривая выхода показания течеискателя к равновесному состоянию,

2 - график накопления пробного газа в вакуумной камере, рост показания течеискателя при подключениях к вакуумной камере в режиме накопления пробного газа,

3 - траектория ускоренного вывода сигнала течеискателя в равновесное состояние с использованием накопления - приближение к равновесию снизу,

4 - траектория ускоренного вывода сигнала течеискателя в равновесное состояние с использованием накопления - приближение к равновесию сверху.

Осуществление способа описывается следующими примерами.

Пример 1. Пучок 320 штук твэлов, имеющих норму по утечке 7·10^-10 МПа/с, нагревают в вакуумной печи до температуры 220°С и перегружают в вакуумную камеру объемом 300 литров для горячего контроля герметичности. В качестве течеискателя использован Varian-948, работающий в противоточном режиме. Вакуумную камеру откачивают и подключают течеискатель. После подключения течеискателя через 3 минуты установления сигнала он показал 0,4·10^-10 МПа/с, сигнал в дальнейшем не изменялся, следовательно, твэлы герметичны.

После обнуления сигнала подключают Гелит в качестве источника пробного газа с номинальным значением потока натекания, равным норме для данных твэлов, 7·10^-10 МПа/с. Это вызывает повышение сигнала течеискателя: через 25 минут до значения 6,3·10^-10 МПа/с, через 40 минут до значения 7,04·10^-10 МПа/с. Последнее значение далее не изменяется.

То есть время установления равновесия составило 40 минут, тогда как уже через 25 минут он был равен 90% от нормы. Повторение замеров дает тот же результат. То есть уже через 25 минут сигнал устанавливается вблизи равновесного, значит истинного, значения. Снимая сигнал в этот момент времени и умножая его для точности на коэффициент 0,9, можно производить оценку потока утечки от изделий и принимать решение об их годности.

Снимать сигнал течеискателя и принимать решение о годности изделий можно и в более ранний момент времени t_к, если знать закономерность изменения сигнала. В данном случае это можно сделать по экспериментальной кривой, в любом другом случае расчетным методом по формуле (1). Тогда условием годности будут являться выражения:

Условие годности при контроле по примеру 1 через t=t_0,9=25 минут в общем виде будет выглядеть:

Проводить контроль удобно в фиксированный момент времени Т_к, чтобы не определять каждый раз снова допустимое значение утечки, но не обязательно ждать 25 минут. Условием годности в таком случае будет частный вид выражения (3):

Пример 2.

Тот же пучок твэлов загружают в вакуумную камеру, как в примере 1. После набора вакуума, камеру перекрывают и производят накопление пробного газа в течение 4 минут. Течеискатель после подключения к вакуумной камере показал значение 1,4·10^-10 МПа/с. После повторного набора вакуума в камере и перекрытия ее для накопления газа к ней подклчают Гелит в качестве источника пробного газа с номинальным значением потока натекания, равным норме для данных твэлов, 7·10^-10 МПа/с. Затем через каждые 1,5 минут подключают течеискатель еще два раза. В результате получены следующие показания.

через 1,5 минуты сигнал был равен 3,6·10^-10 МПа/с,

через 3,0 минуты сигнал был равен 7,0·10^-10 МПа/с,

через 4,5 минуты сигнал был равен 10,6·10^-10 МПа/с.

Из примера 2 видно, что накопление пробного газа в вакуумной камере происходит пропорционально времени накопления t_н. Через 3 минуты выдержки сигнал становится численно равным номинальному значению потока натекания из Гелита, то есть истинному значению. Это происходит только в один момент времени по мере накопления газа, далее сигнал будет неограниченно расти по прямой. Если построить эту прямую, то по ней можно в любой момент времени оценивать годность изделий. Они будут негодными, если значение сигнала течеискателя окажется выше этой прямой. В общем виде условие годности будет выглядеть:

Так же, как в первом случае, удобнее выбрать конкретный момент времени накопления Т_н и для него рассчитать допустимое значение утечки:

Целесообразно время накопления взять таким, чтобы соответствующее значение допустимой утечки было равно самой норме Q_m.расч.=Q_н, то есть

,

где k и К - константы, зависящие от конструктивных особенностей установки контроля. Тогда не надо пересчитывать имеющуюся норму утечки.

Обычно годные изделия дают сигнал гораздо меньший, чем допустимое значение, а негерметичные - гораздо больший сигнал. Поэтому можно время накопления выбирать несколько больше, чем период , для получения более четкого результата. В каждом конкретном случае нужно выбрать оптимальное соотношение между степенью передержки на стадии накопления и риском перебраковки изделий за счет допустимого натекания.

Пример 3.

Пример 3 является своеобразным совмещением принципов контроля, изложенных в примере 1 и примере 2, - использование накопления для ускорения достижения равновесного состояния после подключения течеискателя.

При выполнении контроля по примеру 2 после снятия сигнала через 3 минуты при включенном течеискателе к вакуумной камере на несколько секунд подключают ее откачную систему. Наблюдая за показаниями течеискателя, откачку производят до тех пор, пока сигнал не станет равным 7,0·10^-10 МПа/с. То есть в ускоренном порядке было достигнуто равновесное состояние течеискателя приближением к нему сверху.

При выполнении контроля по примеру 2 после того, как за 3 минуты был достигнут уровень равновесия, можно рассматривать накопление как метод ускорения достижения состояния равновесия приближением снизу.

Сигнал течеискателя после его подключения к камере будет вести себя по одному из четырех вариантов:

Первый, сигнал течеискателя не достиг равновесного значения и со временем уменьшается. Изделия следует считать годными.

Второй, сигнал течеискателя выше браковочного признака и со временем увеличивается. Имеются негерметичные изделия.

Третий, сигнал течеискателя не достиг браковочного уровня и со временем увеличивается. Система на пути к точке равновесия снизу, но неизвестно, пересечет ли она уровень нормы. Имеется неопределенность первого рода, следует дожидаться, пока установка не придет к равновесию.

Четвертый, сигнал течеискателя выше браковочного признака, но со временем уменьшается. Система стремится к равновесию сверху, но неизвестно, будет ли при этом пересечен уровень нормы, имеется неопределенность второго рода, следует дожидаться, пока установка не придет к равновесию.

В последних двух случаях можно применять методы ускорения приведения сигнала к равновесному значению путем кратковременного перекрытия вакуумной камеры или подключения к ней откачной системы.

Высокая эффективность предложенного способа поиска течей по наиболее важным характеристикам контрольной операции дает новый эффект - возможность контроля изделий с высокими требованиями по герметичности без применения нового дорогостоящего оборудования и без снижения производительности изготовления продукции.