正压检漏、真空检漏、密封容器泄漏率浅析（GB/T 3163）

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应用背景

随着科学技术的发展及人们对生活的不断追求，检漏技术在航空航天、核能工业、民用空调、冰箱、压力容器、动力等领域，应用的越来越多。但有很多的理论、实际问题有待解决。所谓正压检漏是指被检件内压力高于环境大气压力的压力容器检漏。其检测技术的发展已成功地研制出一些设备 , 方法满足需要。但是, 理论定义等工作还停留在真空检漏阶段, 不能适应形势要求。

检漏的场景

正压检漏与真空检漏明显的差别就是被检容器压力不同 , 量变会带来性质的变化。真空检漏压力一般在 1Pa 左右, 容器内气体分子少 , pV 值受温度影响小 , 受通过漏孔漏入的质量流量影响大。因此, 真空检漏中 , 一般规定温度一定的条件是可行的 ; 正压检漏中 , 容器内压力在1× 10^5 Pa 以上, 容器内气体分子多 pV 值受温度影响大。 pV 值的变化不仅要考虑通过漏孔的质量泄漏 , 更要考虑与环境的热能交换。

航天工程中 , 有密封要求的产品除动力装置外 , 还有各种高压气瓶、燃气发生器等。它们不仅可能工作在高压、高温状态 , 还往往处在高温差环境下。使用者关心的是容器内气体的压力变化率 , 或某个指定时刻 , 还有多高的压力能供使用。因而必须综合考虑各种因素对 pV 值的影响。许多情况下 , 温度的影响比质量泄漏的影响更大、更难避免。因此, 正压检漏的漏率不能再忽视温度的影响。

漏率的定义中存在的问题

即使不考虑正压检漏 , 现在的漏率定义也存在各种问题。以国家标准GB/T 3163为例, 漏率定义为 :“在规定的条件下 , 一种特定的气体通过漏孔的流量” 。由于这个国标是参照 ISO 国际标准制定的, 因而该定义也具有国际权威性。
定义简洁 , 但不明了 : 附加条件是隐含的。规定的条件是什么 ?特定的气体是什么 ?含义均未指明; 解释漏率的同义词为“流量” 也是含蓄的 , 是什么流量 ?即使标准中采用了多层次的定义, 仍让人不识漏率真面目。多层次定义 , 这里简述为 : 流量是“单位时间内通过某一截面的气体量” ; 气体量为“气体所占有的体积同其压力的乘积” 。漏率表示为 Q = pV /t , 单位为 Pa M^3/S。
进一步分析可知 , 定义中只关心通过漏孔的质量流量 , 却没有用质量流量定义漏率 ; 既然采用了 pV/t 定义漏率 , 虽经多层次定义 , 不仅未指明 pV 及 pV/t 的本质, 还含糊地向质量流量方向解释。因此也谈不上对 pV /t 的深层次的了解应用。

正压检漏的漏率

如果说过去对 pV 的定义、解释, 偏重于它的质量属性 , 现在, 要指出它的能量属性 : pV的量纲就是功、能量, pV /t运算漏率单位的量纲 :
1Pam^3/S=1(N/m^2) m3/S =1N m/S = 1 J/s =1W;即 1pam3/s 相当于每秒流过1J 的能量，或相当于1W 的功率。PV 具有质量、能量的双重性，可以用任意质量的理想气体状态方程说明：
PV＝NRT
由方程可见 : pV 量值上由气体的质量 (包括摩尔质量 M 和体积 V 内的总质量 m ) 和温度决定。本质上是气体内能的外在表征量 , pV 值既包含质量 , 又包含能量。确切的 , 应把 pV定义为气体的质能量 ; pV/ t 为质能流量。
当没有热能交换 ( M ,T 一定) 时, pV 值是与质量 m 成正比。漏率既可用质能流量 Q =pv/t , 也可用质量流量 q= m/t 来度量，两者量纲虽然不同 , 仍可相互换算。换算时, 必须明确 (不是隐含 ) 指出温度、摩尔质量一定的条件。这就是以往狭义的漏率。
当没有质量交换时 ( M , m 一定) ,pV 值也随外界的热能交换而变化 , 这时, pV/t 的变化量就是能量流量。

漏率检查

总结

普遍意义上 , Q = pV/t 既反映质量变化 ,也反映热能的变化 , 这正是正压检漏中要全面考察的。漏率可理解为 : “容器内气体的质能量变化速率 , 或通过壁面、漏孔得失的质能流量。表示为 Q = pV/t” 质能流量通过漏孔从高压流向低压 ; 能量流量通过容器壁面从高温流向低温。两者可能相同流向 , 也可能相反。
实际应用时 , 可分别确定能量流量和质能流量。如从预估的温度变化 , 按压力与温度成正比 (m , V 一定时) , 即可计算能量流量得失量 , 然后再考虑漏孔的质能量泄漏 ; 也可综合检测压力、温度随时间的变化率 : 温度曲线只表示能量交换 , 压力曲线包含质、能交换。以此分析质量、能量流向概况。
真空检漏关心的是质量泄漏破坏真空度程度，正压检漏关心的是质量泄漏和热交换对质能量PV的影响。由漏率的定义我们看到，真空检漏的检漏理论已不能适应现在应用，真空检漏与正压检漏是分门别类，也是共同发展。
有人曾建议将Pa m3/s 单位取消，我认为这是不妥的，因为当T 为常数时，PV 与M 是线性关系， PV 当然可以作为度量漏率的一种尺度依据，同时也说明用PV表示气体量的前提条件是温度不变， PV 的量纲前面我们讨论过是能量， PV/t 是功率的量纲。也有人认为PV/t 是单位时间漏出的气体分子携带的能量或者PV/t 就是这部分气体分子通过漏孔截面所需要的能量，我认为这两说法都不合适。根据热力学能量守恒关系，一定量的气体在温度不变的同时又没有能量输入时，其流动有PV是一定值，因此，可以用PV作为测量气体的尺度，一般检漏过程中温度是不变的，同时也没有能量输入，所以能够用PV/t作为漏气速率的测量惊讶。
采用mol/s,原因是他们认为 mol/s 具有的优点在于1mol的气体无论在什么温度下，都是1mol ,即使冷凝成液体或固体后仍然是1mol. 这固然是好的，但Pa m3/s 可以让工程人员更容易理解漏率。以上纯情属个人陋见。有兴趣的朋友可以讨论交流。
注：参考文献
泄漏机理与检漏设计[J]
航天型号产品的泄漏[J]
真空技术术语[GB/T 3163]

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