正壓檢漏、真空檢漏、密封容器泄漏率淺析（GB/T 3163）

應用背景

       隨著科學技術的發展及人們對生活的不斷追求，檢漏技術在航空航天、核能工業、民用空調、冰箱、壓力容器、動力等領域，應用的越來越多 。但有很多的理論 、 實際問題有待解決。 所謂正壓檢漏是指被檢件內壓力高于環境大氣壓力的壓力容器檢漏 。 其檢測技術的發展已成功地研制出一些設備 , 方法滿足需要 。 但是, 理論定義等工作還停留在真空檢漏階段, 不能適應形勢要求 。

         正壓檢漏與真空檢漏明顯的差別就是被檢容器壓力不同 , 量變會帶來性質的變化 。 真空檢漏壓力一般在 1Pa 左右, 容器內氣體分子少 , pV 值受溫度影響小 , 受通過漏孔漏入的質量流量影響大。 因此, 真空檢漏中 , 一般規定溫度一定的條件是可行的 ; 正壓檢漏中 , 容器內壓力在1× 10^5 Pa 以上, 容器內氣體分子多 pV 值受溫度影響大 。 pV 值的變化不僅要考慮通過漏孔的質量泄漏 , 更要考慮與環境的熱能交換 。

        航天工程中 , 有密封要求的產品除動力裝置外 , 還有各種高壓氣瓶 、 燃氣發生器等 。 它們不僅可能工作在高壓 、 高溫狀態 , 還往往處在高溫差環境下 。 使用者關心的是容器內氣體的壓力變化率 , 或某個指定時刻 , 還有多高的壓力能供使用 。 因而必須綜合考慮各種因素對 pV 值的影響。 許多情況下 , 溫度的影響比質量泄漏的影響更大 、 更難避免。 因此, 正壓檢漏的漏率不能再忽視溫度的影響 。

漏率的定義中存在的問題

        即使不考慮正壓檢漏 , 現在的漏率定義也存在各種問題 。 以國家標準GB/T 3163為例, 漏率定義為 :“在規定的條件下 , 一種特定的氣體通過漏孔的流量” 。 由于這個國標是參照 ISO 國際標準制定的, 因而該定義也具有國際權威性 。

         定義簡潔 , 但不明了 : 附加條件是隱含的 。 規定的條件是什么 ?特定的氣體是什么 ?含義均未指明; 解釋漏率的同義詞為“流量” 也是含蓄的 , 是什么流量 ?即使標準中采用了多層次的定義, 仍讓人不識漏率真面目 。 多層次定義 , 這里簡述為 : 流量是“單位時間內通過某一截面的氣體量” ; 氣體量為“氣體所占有的體積同其壓力的乘積” 。 漏率表示為 Q = pV /t , 單位為 Pa M^3/S。

        進一步分析可知 , 定義中只關心通過漏孔的質量流量 , 卻沒有用質量流量定義漏率 ; 既然采用了 pV/t 定義漏率 , 雖經多層次定義 , 不僅未指明 pV 及 pV/t 的本質, 還含糊地向質量流量方向解釋。 因此也談不上對 pV /t 的深層次的了解應用 。

正壓檢漏的漏率

        如果說過去對 pV 的定義、 解釋, 偏重于它的質量屬性 , 現在, 要指出它的能量屬性 : pV的量綱就是功 、 能量, pV /t運算漏率單位的量綱 :

        1Pam^3/S=1(N/m^2) m3/S =1N m/S = 1 J/s =1W;
       即 1pam3/s 相當于每秒流過1J 的能量，或相當于1W 的功率 。PV 具有質量、能量的雙重性，可以用任意質量的理想氣體狀態方程說明：

                                                                             PV＝NRT

         由方程可見 : pV 量值上由氣體的質量 (包括摩爾質量 M 和體積 V 內的總質量 m ) 和溫度決定。 本質上是氣體內能的外在表征量 , pV 值既包含質量 , 又包含能量。 確切的 , 應把 pV定義為氣體的質能量 ; pV/ t 為質能流量。

          當沒有熱能交換 ( M ,T 一定) 時, pV 值是與質量 m 成正比。 漏率既可用質能流量 Q =pv/t , 也可用質量流量 q= m/t 來度量， 兩者量綱雖然不同 , 仍可相互換算 。 換算時, 必須明確 (不是隱含 ) 指出溫度、 摩爾質量一定的條件 。 這就是以往狹義的漏率 。

         當沒有質量交換時 ( M , m 一定) ,pV 值也隨外界的熱能交換而變化 , 這時, pV/t 的變化量就是能量流量 。

總結

        普遍意義上 , Q = pV/t 既反映質量變化 ,也 反映熱能的變化 , 這正是正壓檢漏中要全面考察的。 漏率可理解為 : “容器內氣體的質能量變化速率 , 或通過壁面、 漏孔得失的質能流量 。表示為 Q = pV/t” 質能流量通過漏孔從高壓流向低壓 ; 能量流量通過容器壁面從高溫流向低溫。 兩者可能相同流向 , 也可能相反。

         實際應用時 , 可分別確定能量流量和質能流量 。 如從預估的溫度變化 , 按壓力與溫度成正比 (m , V 一定時) , 即可計算能量流量得失量 , 然后再考慮漏孔的質能量泄漏 ; 也可綜合檢測壓力、 溫度隨時間的變化率 : 溫度曲線只表示能量交換 , 壓力曲線包含質 、 能交換。 以此分析質量、 能量流向概況。

         真空檢漏關心的是質量泄漏破壞真空度程度，正壓檢漏關心的是質量泄漏和熱交換對質能量PV的影響 。由漏率的定義我們看到，真空檢漏的檢漏理論已不能適應現在應用，真空檢漏與正壓檢漏是分門別類，也是共同發展。

       有人曾建議將Pa m3/s 單位取消，我認為這是不妥的， 因為當T 為常數時，PV 與M 是線性關系， PV 當然可以作為度量漏率的一種尺度依據，同時也說明用PV表示氣體量的前提條件是溫度不變， PV 的量綱前面我們討論過是能量 ， PV/t 是功率的量綱。也有人認為PV/t 是單位時間漏出的氣體分子攜帶的能量 或者PV/t 就是這部分氣體分子通過漏孔截面所需要的能量， 我認為 這兩說法都不合適。根據熱力學能量守恒關系，一定量的氣體在溫度不變的同時又沒有能量輸入時，其流動有PV是一定值，因此，可以用PV作為測量氣體的尺度，一般檢漏過程中溫度是不變的，同時也沒有能量輸入，所以能夠用PV/t作為漏氣速率的測量驚訝。

        采用mol/s,原因是他們認為 mol/s 具有的優點在于1mol的氣體無論在什么溫度下，都是1mol ,即使冷凝成液體或固體后仍然是1mol. 這固然是好的，但Pa m3/s 可以讓工程人員更容易理解漏率。以上純情屬個人陋見。有興趣的朋友可以討論交流。

注：參考文獻

泄漏機理與檢漏設計[J]

航天型號產品的泄漏[J]

真空技術術語[GB/T 3163]