Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ

Изобретение относится к испытательной технике и позволяет испытывать на герметичность полые изделия без подключения к их внутренней полости при закрытой запорной арматуре, например баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах.

Известен способ испытания изделий на герметичность (авторское свидетельство СССР №1546863, кл. G01М 3/06, опубл. 28.02.1990) путем соединения изделия с воздушной полостью барботера, выбора ресивера из условия обеспечения выделения пузырьков при допустимой утечке из изделия известного объема с заданной погрешностью, соединения ресивера с трубкой барботера, одновременного заполнения ресивера, изделия и барботера газом под контрольным давлением, регистрации выделяющихся из трубки барботера пузырьков газа, по которым судят о негерметичности изделия.

Однако этим способом невозможно испытывать на герметичность изделия без подключения к их внутренней полости, например баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах потому, что при испытании изделия на герметичность известным способом происходит обязательное соединение внутренней полости изделия с воздушной полостью барботера.

Известен способ испытания изделий на герметичность (ГОСТ Р 51753-2001. Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах. Общие технические условия. -М.: ИПК Издательство" стандартов, 2001, с. 20. - подпункт 7.1) путем погружения в ванну с водой, нагружения контрольным газом до давления Р и выдержки не менее 1 мин. При испытании не допускается выделение пузырьков контрольного газа на поверхности баллона или в местах соединений с запорной арматурой.

Однако при этом способе испытания оценка герметичности проводится визуально по появившемся на поверхности баллона пузырькам, а не по измеренному объему утечек газа, как обычно проводится при испытании изделия на герметичность (ГОСТ Р 54808-2011. Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов. -М.: Изд-во Стандартинформ, 2012, с. 42), а также не проверяется герметичность запорной арматуры в закрытом состоянии, расположенной на изделии.

Технический результат изобретения - повышение достоверности испытания изделия без подключения к его внутренней полости при закрытой запорной арматуре за счет получения конкретных значений - негерметичности изделия по объему контрольного газа, вошедшего в изделие.

Поставленная задача решается тем, что при испытании изделий на герметичность путем выбора ресивера из условия обеспечения выделения пузырьков при допустимой утечке из изделия известного объема с заданной погрешностью, соединения ресивера с трубкой барботера, регистрации выделяющихся из трубки барботера пузырьков газа, по которым судят о негерметичности изделия, закрывают при атмосферном давлении расположенную на изделии запорную арматуру, изделие располагают в основной камере, которая соединена с воздушной полостью барботера и с дополнительной камерой, равной по объему основной камере, в дополнительной камере располагают эталонное герметичное изделие, равное по объему испытываемому на герметичность изделию, основной ресивер соединяют с дополнительным ресивером, объем которого равен объему основного ресивера, заполняют контрольным газом от источника газа дополнительный ресивер, дополнительную камеру и барботер до давления в два раза большим испытательного, отключают их от источника контрольного газа и дополнительный ресивер от дополнительной камеры, к дополнительному ресиверу подключают основной ресивер, а к дополнительной камере подключают основную камеру, после чего отключают дополнительную камеру от основной камеры и дополнительный ресивер от основного ресивера, разобщают газовые полости барботера и его трубки и подключают основную камеру к барботеру.

На чертеже схематично изображено устройство для реализации способа испытания изделий на герметичность.

Устройство содержит барботер 1 с прозрачной стенкой, воздушная полость которого соединена через вентиль 2 с основной камерой 3, в которой расположено изделие 4, испытываемое на герметичность. Основная камера 3 через вентиль 5 соединена с атмосферой. Трубка 6 барботера 1 через вентиль 7 соединена с воздушной полостью барботера 1 и через вентиль 8 соединена с основным ресивером 9. Основной ресивер 9 через вентиль 10 соединен с дополнительным ресивером 11. Основная камера 3 через вентиль 12 соединена с дополнительной камерой 13, в которой расположено эталонное герметичное изделие 14 из группы испытываемых на герметичность изделий, равное по объему испытываемому на герметичность изделию 4.

Источник 15 контрольного газа соединен через вентиль 16 и вентиль 8 с основным ресивером 9, через вентиль 17 - с дополнительным ресивером 11, а через вентиль 18 - с дополнительной камерой 13. Объем основного ресивера 9 выбирают исходя из условия обеспечения выделения пузырьков газа в жидкости барботера 1 при допустимой утечке из изделия известного объема с заданной погрешностью. Объем дополнительного ресивера 11 выбирают равным объему основного ресивера 9. Объем дополнительной камеры 13 выбирают равным объему основной камеры 3.

Способ реализуется следующим образом.

Исходя из объема изделия 4, допустимой утечки и заданной погрешности измерения определяют объем основного ресивера 9 по формуле (авторское свидетельство СССР №1546863, кл. G01М 3/06, опубл. 28.02.1990) V_p=V_u[(100/β)-1], где V_p - объем ресивера, м³, V_u - объем изделия, испытываемого на герметичность, м³, β - абсолютная погрешность измерения, %.

Закрывают при атмосферном давлении расположенную на изделии 4 запорную арматуру и размещают изделие в камере 3. Закрывают вентили 2, 5, 8, 10, 12, 16, 17 и 18. Открывают вентиль 7 и соединяют трубку 6 барботера с воздушной полостью барботера 1. Дополнительный ресивер 11, дополнительную камеру 13 и барботер 1 с трубкой 6 заполняют контрольным газом давлением, в два раза большим давления, при котором осуществляют испытания изделия 4 на герметичность. Для этого открывают вентили 16, 17 и 18, соединяя источник 15 контрольного газа с дополнительным ресивером 11, дополнительной камерой 13 и барботером 1 с трубкой 6.

Закрывают вентили 16, 17 и 18 и отключают дополнительный ресивер 11, дополнительную камеру 13 и барботер 1 с трубкой 6 от источника 15 контрольного газа, а также отключают дополнительный ресивер 11 от дополнительной камеры 13. Открывают вентили 10 и 12 и соединяют дополнительный ресивер 11 с основным ресивером 9, а дополнительную камеру 13 - с основной камерой 3. Давление контрольного газа в основном и дополнительном ресиверах 9 и 11 выравнивается и устанавливается равным половине от первоначального давления в дополнительном ресивере, то есть равное заданному испытательному давлению для испытываемого на герметичность изделия.

Давления контрольного газа в основной и дополнительной камерах 3 и 13 выравнивается. Закрывают вентили 10 и 12 и отключают основной ресивер 9 от дополнительного ресивера 11 и основную камеру 3 от дополнительной камеры 13. В основной камере устанавливается давление, равным половине от первоначального давления контрольного газа в дополнительной камере при условии, что испытываемое на герметичность изделие 4, расположенное в камере 3, герметично. Если же изделие 4 не герметично, тогда часть контрольного газа проходит из основной камеры 3 через микрощели изделия 4 внутрь изделия и давление контрольного газа в основной камере понижается.

Открывают вентиль 8 и соединяют основной ресивер 9 с трубкой 6 и газовой полостью барботера 1. Закрывают вентиль 7 и открывают вентиль 2. Негерметичность изделия 4 определяют по количеству газовых пузырьков, прошедших через жидкость барботера 1. Испытания изделия на герметичность осуществляют в течение установленного времени, равного, например, 60 секунд. Контрольный газ при испытании изделия 4 на герметичность проходит из основного ресиверов 9 через вентиль 8, трубку 6 барботера, жидкость барботера 1 в виде пузырьков газа, вентиль 2, основную камеру 3 в изделие 4. По количеству пузырьков газа, прошедших через жидкость барботера 1, делают заключение о негерметичности изделия 4.

После завершения испытания изделия 4 на герметичность открывают вентили 7 и 5, выпускают контрольный газ из основной камеры 3 и основного ресивера 9 в атмосферу и заменяют испытанное изделие на герметичность на новое изделие с закрытой при атмосферном давлении запорной арматурой. Закрывают вентили 2, 5 и 8 (при закрытых вентилях 10, 12, 16, 17 и 18) и далее цикл повторяется при испытании изделия на герметичность.

Для определения объема контрольного газа, проходящего через жидкость барботера 1, являющегося ошибкой способа испытания изделия на герметичность, проводят полный цикл испытания с герметичными изделиями 4 и 14, расположенными в основной и дополнительной камерах 3 и 13.

При испытании изделия заявляемым способом выполняется дополнительно испытание запорной арматуры в закрытом состоянии, то есть проводится испытание на герметичность сопряжения затвор-седло запорной арматуры изделия.

В соответствии с ГОСТ Р 51753-2001 (Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах, Общие технические условия. -М.: ИПК Издательство стандартов, 2001, с. 20. - подпункт 7.1) изделие испытывают на герметичность путем погружения в ванну с водой и нагружения контрольным газом (воздухом) до давления Р.

Вода, при погружении изделия в ванну с водой, выполняет роль гидравлического затвора для микрощелей в изделии, то есть создает противодавление и препятствует прохождению контрольного газа из баллона в воду ванны. Причиной возникновения противодавления в микрощелях изделия, погруженного в воду, является поверхностное натяжение воды. Поверхностное натяжение представляет собой термодинамическую характеристику поверхности раздела двух фаз и создает дополнительное давление в микрощели, которое определяется по формулой Лапласа

ΔР_л=2⋅σ/R,

где ΔР_л - давление, возникающее в микрощели, от действия поверхностного натяжения воды, Па; σ - поверхностное натяжение воды, Н/м; R - внутренний радиус микрощели, м.

Если радиус R выразить через диаметр d_щ, м, микрощели, тогда формула Лапласа принимает вид

ΔР_л=4σ/d_щ.

При испытании изделия на герметичность путем погружения в воду к микрощели, кроме поверхностного натяжения воды, прикладывается давление столба воды, находящейся над микрощелью. Принимаем, что средняя глубина погружения изделия в воду при испытании на герметичность составляет 300 мм водного столба. Этот уровень жидкости создает дополнительное статическое давление, равное 2943 Па, противодействующее расходу контрольного газа через микрощель.

Учитывая статическое давление столба жидкости, минимально обнаруживаемая микрощель, в соответствии с формулой Лапласа, испытываемого на герметичность изделия путем погружения в воду при давлении газа в изделии, равного например 0,1 МПа, составляет (при σ=72,5⋅10^-3 Н/м для воды)

d_щ=4σ/(ΔР_к-2943)=4⋅72,5⋅10^-3/(1,0⋅10⁵-2943)=2,99 мкм.

В работе [Нагорный B.C., Денисов А.А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем / учеб. пособие Для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 367 с., стр. 52] приводится формула для определения объемного расхода газа через микрощель (дроссель) в виде (принимая коэффициент потерь равным нулю)

,

где Q_д - объемный расход газа через микрощель, м³/с; S - площадь проходного сечения микрощели, м²; d_щ - диаметр микрощели, м; P₁ и P₂ - давление газа до и после микрощели, Па; ρ₁ - плотность газа, протекающего через микрощель, кг/м³.

Принимаем, что испытания изделия на герметичность проводятся газом при избыточном давлении, равном 0,1 МПа = 1 атм = 100000 Па. В этом случае, применительно к формуле расхода газа через микрощель, Р₂=100000 Па (атмосферное давление) и Р₁=200000 Па (атмосферное давление и плюс испытательное давление, равное одной атмосфере). Расход газа через микрощель при этих условиях составляет

За время испытания изделия на герметичность, равное 60 с (ГОСТ Р 51753-2001), утечки контрольного газа через микрощель диаметром 2,99 мкм составляют 2,80⋅60=168,0 мм³.

В работе [Жежера Н.И., Ильин О.Н. Контроль герметичности топливной системы вертолета МИ-8 с использованием пузырьковой камеры. Интернет-журнал Науковедение. - 2014. - №3 (22). С. 100, рисунок 2. Электронный доступ. http://elibrary.ru/download/76064584.pdf] приведены экспериментальная и теоретическая зависимости диаметров пузырьков сжатого воздуха, формируемых в жидкости барботера (пузырьковой камеры), от диаметра барботажной трубки. Выбираем диаметр барботажной трубки, равный 3,0 мм.

Для барботажной трубки диаметром 3 мм на выходе этой трубки в жидкости барботера формируются пузырьки сжатого воздуха диаметром Д_п=3,8 мм. Объем сжатого воздуха в шаре диаметром 3,8 мм составляет V_шара=(4/3)πR³=(4/3)π1,9³=28,7 мм³.

Количество пузырьков газа, которое пройдет через жидкость барботера при испытании изделия на герметичность, имеющего микрощель диаметром, равным 2,99 мкм, составляет 168,0/28,7=5,9≈6 пузырьков.

Из этого примера следует, что при испытании изделия на герметичность известным способом при испытательном давлении контрольного газа, равном, например, 0,1 МПа, микрощели диаметром менее 2,99 мкм не будут пропускать контрольный газ, и микрощели в изделии менее 2,99 мкм не будут выявлены при испытании на герметичность. Однако при испытании изделия на герметичность заявляемым способом микрощели, например, диаметром 2,99 мкм будут выявлены и обеспечат прохождение через жидкость барботера шести пузырьков контрольного газа.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемый способ позволяет определять негерметичность изделия без подключения к его внутренней полости при закрытой запорной арматуре с высокой достоверностью за счет получения конкретных значений негерметичности изделия в виде объема контрольного газа, вошедшего в изделие, определяемого по количеству газовых пузырьков, прошедших через жидкость барботера.