CN112113717A - 一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置及方法，该测试装置包括：氦气气瓶和低温介质罐；通过金属软管与氦气气瓶依次相连的过滤器、第一截止阀、增压泵、第一安全阀、第一压力表、第二截止阀、第一气体预冷器、第二气体预冷器、冷却盘管和待测试气瓶以及在第二气体预冷器内形成循环回路的气体出口与气体入口；通过金属软管与低温介质罐依次相连的第三截止阀、低温泵和低温介质输入口、与低温介质输入口相连的低温槽、与低温槽固定连接的冷屏、与所述低温槽相连的温度表、第二压力表和第二安全阀。本发明测试装置设计简便易行，无需配置大型冷却降温装置，工艺可行性好，实施成本低，换热效率高，测试结果准确度高。
Description
技术领域
本发明属于气密性测试技术领域，具体涉及一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置及方法。
背景技术
氦气是一种特殊的气体，自身沸点在-268.9℃，既可用作传热介质，也可作为冷却及惰性保护气，还可作为检漏介质，在低温超导、医疗器械、核电装置及航天工程领域有着十分广泛的应用，例如航天航空领域氦气通常存储于高压气瓶中，高压气瓶置于燃料贮箱内，作为加压气体或者置换气体使用，其中气瓶工作压力约为20-35MPa，燃料贮箱工作压力约为0.1-0.8MPa。
随着航天技术的快速发展，航天系统对气瓶压力和容器特性参数要求越来越高，相对于全金属气瓶，复合材料气瓶具有重量轻、结构效率高、抗疲劳性能好及安全可靠性高等优点，在结构优化及减重等方面有明显优势，应用于航天系统是未来的发展趋势之一。在复合材料气瓶实际应用前，必须先通过模拟工况条件下的气密性测试。对于室温常压环境，气瓶的气密性测试通常可通过涂液法或者水压试验实现。但对于上述工况，尤其是液氧温度下气瓶的气密性测试，目视或者通过加注水均无法满足测试要求。现有技术中对低温环境气瓶的气密性测试通常采用高压氮气瓶或者高压液氮低温瓶作为气源，通过管路与待测试气瓶的介质输入口相连，直接向气瓶中打压至工作压力后，保压约3分钟，看压力表是否回落。现有技术未考虑打压时气瓶内部气体会因内压增加而温度上升，当气瓶处于低温或超低温环境(如液氧温度-183℃)，气瓶内部因较大温差易产生较大热应力，影响气瓶结构稳定性；查看压力表的方式存在一定的危险性。此外如果考虑将气瓶浸没于低温介质中，直接打入的高压高温氦气还会加速周围低温介质的挥发，从而导致环境压力的增加，严重影响测试结果。
氦气本身沸点低，又是常用的检漏介质，适合用于检测低温环境下气瓶的气密性。考虑到使用成本及安全性，低温环境通常使用液氮作为介质。但现有技术没有充分利用液氮的冷量对气体进行降温，换热效率较低，因此有必要设计一种利用液氮的冷量对注入氦气进行预冷，进而测试气瓶气密性的装置。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置及方法。
为达到上述目的，本发明的第一方面是提供一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，它包括：
氦气气瓶和低温介质罐；
通过金属软管与所述氦气气瓶依次相连的过滤器、第一截止阀、增压泵、第一安全阀、第一压力表、第二截止阀、第一气体预冷器、第二气体预冷器、冷却盘管和待测试气瓶以及在所述第二气体预冷器内形成循环回路的气体出口与气体入口；
通过金属软管与所述低温介质罐依次相连的第三截止阀、低温泵和低温介质输入口、与所述低温介质输入口相连的低温槽、与所述低温槽固定连接的冷屏、与所述低温槽相连的温度表、第二压力表和第二安全阀以及延伸至所述低温槽内部的氦气检漏仪；
所述第一气体预冷器嵌设在所述冷屏内，所述冷却盘管与所述待测试气瓶设置在所述低温槽内，所述气体出口和气体入口与所述低温槽内部相通。
优化地，所述冷屏采用比热容大的金属材质。
优化地，所述第一气体预冷器为圆盘状铜管。
优化地，所述第二气体预冷器内部氦气输送管道为螺旋形且内部设置有上下交错的隔板，以便于增加挥发的低温介质气体行程及与氦气的接触时间。
优化地，所述冷却盘管为薄壁金属管。
优化地，所述气体出口与所述气体入口处均设置有风扇，风扇用于增加低温介质气体在第二气体预冷器及低温槽内部的循环。
本发明的第二方面是提供一种应用于低温环境的气瓶气密性测试方法，它包括：
(1)打开氦气气瓶、第一截止阀和第二截止阀，通过置换气体将待测试气瓶的内部空气彻底排除；
(2)关闭氦气气瓶、第一截止阀和第二截止阀，记录氦气检漏仪的初始值，打开第二安全阀及第三截止阀，利用低温泵将低温介质罐内介质加入低温槽内，直至将待测试气瓶及冷却盘管完全浸没，通过调节第三截止阀，同时观察温度表及第二压力表，将温度稳定在设定数值(温度及压力均可依据测试要求进行调节)，例如温度为-196℃，环境压力稳定在0.8MPa；
(3)打开氦气气瓶、第一截止阀和第一安全阀，输送气体经过滤器过滤净化后，使用增压泵对氦气进行增压得到高温高压氦气，观察第一压力表，当示数达到预定40MPa压力后，打开第二截止阀；
(4)增压后的氦气在第一气体预冷器内与冷屏发生热交换，进行一级降温；在第二气体预冷器内与蒸发的低温介质气体发生封闭式热交换，进行二级降温；在冷却盘管内与低温槽内部低温介质发生热交换，进行三级降温，冷却后氦气经介质输入口进入待测试气瓶内部；
(5)当待测试气瓶内部压力达到预设压力时，例如35MPa，保压3min，读取氦气检漏仪的示数，对低温环境下35MPa增压气瓶的气密性进行测试。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明应用于低温环境的气瓶气密性测试装置通过冷屏对过热氦气进行第一次预冷；利用液氮挥发的低温气体通过第二气体预冷器对过热氦气体进行第二次预冷；最后利用放置于低温槽中的冷却盘管对过热氦气进行第三次预冷，同时循环利用挥发的氮气，保证气瓶测试环境压力的稳定性，从而提高气瓶气密性测试的精确度。本发明应用于低温环境的气瓶气密性测试装置设计简便易行，无需配置大型冷却降温装置，工艺可行性好，实施成本低，换热效率高，测试结果准确度高。
附图说明
图1为本发明应用于低温环境的气瓶气密性测试装置的结构示意图；
附图标记说明：
1、氦气气瓶；2、过滤器；3、第一截止阀；4、增压泵；5、第一安全阀；6、第一压力表；7、第二截止阀；8、冷屏；9、第一气体预冷器；10、低温槽；11、第二气体预冷器；12、气体出口；13、气体入口；14、冷却盘管；15、待测试气瓶；16、温度表；17、第二压力表；18、氦气检漏仪；19、第二安全阀；20、低温介质输入口；21、低温泵；22、第三截止阀；23、低温介质罐。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明应用于低温环境的气瓶气密性测试装置通常用于检测低温环境或者加压0.1-0.8MPa状态下气瓶的气密性，它主要包括氦气气瓶1、过滤器2、第一截止阀3、增压泵4、第一安全阀5、第一压力表6、第二截止阀7、冷屏8、第一气体预冷器9、低温槽10、第二气体预冷器11、气体出口12、气体入口13、冷却盘管14、待测试气瓶15、温度表16、第二压力表17、氦气检漏仪18、第二安全阀19、低温介质输入口20、低温泵21、第三截止阀22和低温介质罐23等。
氦气气瓶1通过金属软管依次相连有过滤器2、第一截止阀3、增压泵4、第一安全阀5、第一压力表6、第二截止阀7、第一气体预冷器9、第二气体预冷器11、冷却盘管14和待测试气瓶15，气体出口12与气体入口13在第二气体预冷器11内形成循环回路。
低温介质罐23通过金属软管依次相连有第三截止阀22、低温泵21和低温介质输入口20，低温槽10与低温介质输入口20相连，冷屏8与低温槽10固定连接(在本实施例中，冷屏8采用比热容大的金属材质，如铝)。温度表16、第二压力表17和第二安全阀19与低温槽10相连(温度表16和第二压力表17用于监测低温槽10内的温度与压力)。氦气检漏仪18的测试探头置于低温槽10内部，用于监测测试过程待测试气瓶15的泄漏情况。
进一步地，第一气体预冷器9嵌设在冷屏8(第一气体预冷器9为圆盘状铜管)。冷却盘管14与待测试气瓶15设置在低温槽10内，气体出口12和气体入口13与所述低温槽10内部相通。
进一步地，第二气体预冷器11内部氦气输送管道为螺旋形且内部设置有上下交错的隔板，以便于增加挥发的低温介质气体行程及与氦气的接触时间。
进一步地，冷却盘管14为薄壁金属管。
进一步地，气体出口12与所述气体入口13处均设置有风扇，风扇用于增加低温介质气体在第二气体预冷器11及低温槽10内部的循环(风扇选用一般常见的轴流式风扇即可)。
进一步地，气瓶工作压力：20-35MPa。
进一步地，气瓶工作温度：-196及-183℃。
进一步地，气瓶环境压力：0.1-0.8MPa。
进一步地，电源为220V，25kW。
进一步地，该应用于低温环境的气瓶气密性测试装置外形尺寸长*宽*高：1300*1500*1500(mm)。
进一步的，该应用于低温环境的气瓶气密性测试装置工作时间为12小时，值得注意的是，该工作时间是可调节的。
进一步地，过热氦气经过三次降温，温差降幅可达30-65℃。
在本实施例中，该应用于低温环境的气瓶气密性测试装置的原理：当测试低温或超低温环境中待测试气瓶15的气密性时，首先将待测试气瓶15内部空气用氦气彻底置换，随后加注低温介质，利用低温介质对输入氦气进行预冷。当低温槽10内加入低温介质将待测试气瓶15浸没后，冷屏8及冷却盘管14也同时获得足够的冷量，低温介质蒸发形成低温气体经气体出口12进入第二气体预冷器11并将其冷却。氦气气瓶1打开后，经过滤器2将气体净化后，利用增压泵4将气体转变为高温高压气体，打开第二截止阀7后，氦气首先会在第一气体预冷器9内与冷屏8发生热交换，进行一级降温；随后氦气会在第二气体预冷器11与蒸发的低温介质发生二级降温；最后浸没在低温介质中的冷却盘管14内部氦气与低温介质直接发生热交换，发生三级降温，最后冷却后的氦气经介质输入口进入待测试气瓶15内部。
采用上述装置进行的应用于低温环境的气瓶气密性测试方法包括以下步骤：
(1)打开氦气气瓶1、第一截止阀3和第二截止阀7，通过置换气体将待测试气瓶15的内部空气彻底排除；
(2)关闭氦气气瓶1、第一截止阀3和第二截止阀7，记录氦气检漏仪18的初始值，打开第二安全阀19及第三截止阀22，利用低温泵21将低温介质罐23内介质加入低温槽10内，直至将待测试气瓶15及冷却盘管14完全浸没，通过调节第三截止阀22，同时观察温度表16及第二压力表17，将温度稳定在设定数值(温度及压力均可依据测试要求进行调节)，例如温度为-196℃，环境压力稳定在0.8MPa；
(3)打开氦气气瓶1、第一截止阀3和第一安全阀5，输送气体经过滤器2过滤净化后，使用增压泵4对氦气进行增压得到高温高压氦气，观察第一压力表6，当示数达到预定40MPa压力后，打开第二截止阀7；
(4)增压后的氦气在第一气体预冷器9内与冷屏8发生热交换，进行一级降温；在第二气体预冷器11内与蒸发的低温介质气体发生封闭式热交换，进行二级降温；在冷却盘管14内与低温槽10内部低温介质发生热交换，进行三级降温，冷却后氦气经介质输入口进入待测试气瓶15内部；
(5)当待测试气瓶15内部压力达到35MPa时，保压3min，读取氦气检漏仪18的示数，对低温环境下35MPa增压气瓶的气密性进行测试。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，其特征在于，它包括：
氦气气瓶(1)和低温介质罐(23)；
通过金属软管与所述氦气气瓶(1)依次相连的过滤器(2)、第一截止阀(3)、增压泵(4)、第一安全阀(5)、第一压力表(6)、第二截止阀(7)、第一气体预冷器(9)、第二气体预冷器(11)、冷却盘管(14)和待测试气瓶(15)以及在所述第二气体预冷器(11)内形成循环回路的气体出口(12)与气体入口(13)；
通过金属软管与所述低温介质罐(23)依次相连的第三截止阀(22)、低温泵(21)和低温介质输入口(20)、与所述低温介质输入口(20)相连的低温槽(10)、与所述低温槽(10)固定连接的冷屏(8)、与所述低温槽(10)相连的温度表(16)、第二压力表(17)和第二安全阀(19)以及延伸至所述低温槽(10)内部的氦气检漏仪(18)；
所述第一气体预冷器(9)嵌设在所述冷屏(8)内，所述冷却盘管(14)与所述待测试气瓶(15)设置在所述低温槽(10)内，所述气体出口(12)和气体入口(13)与所述低温槽(10)内部相通。
2.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，其特征在于：所述冷屏(8)采用比热容大的金属材质。
3.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，其特征在于：所述第一气体预冷器(9)为圆盘状铜管。
4.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，其特征在于：所述第二气体预冷器(11)内部氦气输送管道为螺旋形且内部设置有上下交错的隔板。
5.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，其特征在于：所述冷却盘管(14)为薄壁金属管。
6.根据权利要求1所述的一种应用于低温环境的气瓶气密性测试装置，其特征在于：所述气体出口(12)与所述气体入口(13)处均设置有风扇。
7.一种应用于低温环境的气瓶气密性测试方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)打开氦气气瓶(1)、第一截止阀(3)和第二截止阀(7)，通过置换气体将待测试气瓶(15)的内部空气彻底排除；
(2)关闭氦气气瓶(1)、第一截止阀(3)和第二截止阀(7)，记录氦气检漏仪(18)的初始值，打开第二安全阀(19)及第三截止阀(22)，利用低温泵(21)将低温介质罐(23)内介质加入低温槽(10)内，直至将待测试气瓶(15)及冷却盘管(14)完全浸没，通过调节第三截止阀(22)，同时观察温度表(16)及第二压力表(17)，将温度和环境压力稳定在一定数值，例如温度为-196℃，环境压力为0.8MPa；
(3)打开氦气气瓶(1)、第一截止阀(3)和第一安全阀(5)，输送气体经过滤器(2)过滤净化后，使用增压泵(4)对氦气进行增压得到高温高压氦气，观察第一压力表(6)，当示数达到预定40MPa压力后，打开第二截止阀(7)；
(4)增压后的氦气在第一气体预冷器(9)内与冷屏(8)发生热交换，进行一级降温；在第二气体预冷器(11)内与蒸发的低温介质气体发生封闭式热交换，进行二级降温；在冷却盘管(14)内与低温槽(10)内部低温介质发生热交换，进行三级降温，冷却后氦气经介质输入口进入待测试气瓶(15)内部；
(5)当待测试气瓶(15)内部压力达到设定工作压力时，例如35MPa，保压3min，读取氦气检漏仪(18)的示数，对低温环境下35MPa增压气瓶的气密性进行测试。
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