光纖密封轉(zhuǎn)接的氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)研究（轉(zhuǎn)載）

胡茂中，楊  丹，廖旭東，白國(guó)云
（西北核技術(shù)研究所，西安  710024）

摘  要：為解決光纖進(jìn)入鋼制容器時(shí)造成的泄漏問(wèn)題，密封轉(zhuǎn)接是一種有效方法。分析了光纖轉(zhuǎn)接器灌膠密封結(jié)構(gòu)及其缺陷，證實(shí)了轉(zhuǎn)接器內(nèi)部存在某些特殊的漏孔。研究了光纖密封轉(zhuǎn)接的高靈敏度氦質(zhì)譜檢漏工藝技術(shù)，利用光纖多層保護(hù)結(jié)構(gòu)形成集氣空間，實(shí)現(xiàn)了光纖轉(zhuǎn)接器內(nèi)部漏率的定量檢測(cè),系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度高達(dá)1.0×10^－11Pa•m³/s。

關(guān)鍵詞：光纖轉(zhuǎn)接；氦質(zhì)譜檢漏；漏孔定位
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Research of Helium Mass Spectrometer Leak
Detection Technology on Sealed Adaptation of the Optical Fiber

HU Mao-zhong，YANG Dan，LIAO Xu-dong，BAI Guo-yun

（The North-West Institute of Nuclear Technology, Xian 710024, China）

Abstract: Sealed adaptation is an effective method to resolve leakiness problem when the steel vessel is inserted by the optical fiber. The sealed configuration and disfigurement of the optical fiber adapter poured by glues are analyzed, and some especial leaks are detected in these adapters. A high sensitivity helium mass spectrometer leak detection technology for sealed adaptation of the optical fiber is investigated. Using the space produced by the multilayer protective structure to collect helium gas , quantitative leakage rate detection in the optical fiber adapter is realized, and the sensitivity of the detection system reaches 1.0×10^-11Pa•m³/s.

Keywords: optical fiber adaptation; helium mass spectrometer leak detection; leak location

引言

　　為解決光纖進(jìn)入鋼制容器時(shí)造成的泄漏問(wèn)題，密封轉(zhuǎn)接是一種有效方法。在容器上開(kāi)口并安裝轉(zhuǎn)接法蘭盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)多根光纖密封轉(zhuǎn)接。由于光纖纖芯較脆，密封轉(zhuǎn)接時(shí)需保持連續(xù)性，密封處理難度大。因此，一般采用特殊的灌膠密封結(jié)構(gòu)形式，其密封缺陷的存在形式和查找方法也較復(fù)雜。為滿(mǎn)足光纖轉(zhuǎn)接的密封性能檢測(cè)要求，開(kāi)展了相關(guān)氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)研究。建立了光纖內(nèi)部密封缺陷的高靈敏度定量檢測(cè)方法，為光纖轉(zhuǎn)接的密封性能評(píng)估和缺陷提供準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1 光纖轉(zhuǎn)接密封結(jié)構(gòu)與缺陷分析

1.1  光纖轉(zhuǎn)接密封結(jié)構(gòu)

　　通過(guò)光纖轉(zhuǎn)接盤(pán)的每根光纖配備一個(gè)轉(zhuǎn)接器，轉(zhuǎn)接器與光纖之間的密封方法是：光纖連續(xù)穿過(guò)轉(zhuǎn)接器的中心通孔，將處于轉(zhuǎn)接器內(nèi)部的光纖段割掉保護(hù)層裸露纖芯并對(duì)轉(zhuǎn)接器中心孔內(nèi)灌膠填充實(shí)現(xiàn)密封；轉(zhuǎn)接器通過(guò)螺紋壓環(huán)、定位卡環(huán)和真空橡膠墊圈安裝固定在轉(zhuǎn)接盤(pán)上（如圖1）。一個(gè)轉(zhuǎn)接盤(pán)可同時(shí)轉(zhuǎn)接數(shù)十根光纖。

1-光纖；2-光纖轉(zhuǎn)接盤(pán)；3-螺紋壓環(huán)；4-定位卡環(huán)；5-光纖內(nèi)部灌膠段；6-轉(zhuǎn)接器主體；
7-真空橡膠墊圈；8-轉(zhuǎn)接盤(pán)灌膠面
圖1  光纖轉(zhuǎn)接器密封結(jié)構(gòu)圖
Fig.1  Schematic of sealed configuration of the adapter

1.2  光纖轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)密封缺陷分析

　　光纖轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)密封缺陷有：

　?。?）光纖轉(zhuǎn)接器與轉(zhuǎn)接盤(pán)間的密封

　　光纖轉(zhuǎn)接器安裝在轉(zhuǎn)接盤(pán)時(shí)主要通過(guò)在兩個(gè)金屬面間壓入真空橡膠墊圈實(shí)現(xiàn)密封，由于轉(zhuǎn)接盤(pán)上的密封配合面為沉孔臺(tái)肩，難以實(shí)現(xiàn)高精度加工，加之如圖1所示結(jié)構(gòu)不能較好地限制墊圈的徑向變形，墊圈受壓易變形錯(cuò)位，密封穩(wěn)定性差，稍有不慎易導(dǎo)致密封失效。因而光纖轉(zhuǎn)接器與轉(zhuǎn)接點(diǎn)間的配合結(jié)構(gòu)是密封的薄弱環(huán)節(jié)，也是檢漏的重點(diǎn)。

　?。?）光纖與轉(zhuǎn)接器間的密封

　　轉(zhuǎn)接器內(nèi)部的光纖通孔較長(zhǎng)且直徑小，通孔內(nèi)灌膠難以密實(shí)，膠體內(nèi)可能存在氣泡、裂紋等缺陷。此外，輕微碰撞或溫度等環(huán)境狀況的變化，可能引起膠體同轉(zhuǎn)接器內(nèi)壁、光纖之間的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生改變，從而形成裂隙、產(chǎn)生漏孔，或是導(dǎo)致原有缺陷擴(kuò)大貫通而形成泄漏通道（如圖2所示）。光纖從內(nèi)至外分別有光纖芯、固定層、緩沖層及包裝層四層，各層之間間隙不等（其中固定層與包裝層之間的緩沖層材質(zhì)疏松）。上述各層間未作密封處理，在特定條件下，可能構(gòu)成泄漏通道。

　　總之，光纖的密封處理結(jié)構(gòu)中，可能存在的泄漏通道有兩種：一種貫穿整個(gè)灌膠層而連通轉(zhuǎn)接器上下兩端（圖2所示泄漏通道Ⅰ），這種漏孔在轉(zhuǎn)接器外部噴氦就可以被查找到；另一種未貫穿整個(gè)灌膠層但連通轉(zhuǎn)接器兩端光纖保護(hù)層間隙（圖2所示泄漏通道Ⅱ），這種漏孔需要在光纖內(nèi)部施氦才能被檢測(cè)到。

1-包裝層；2-緩沖層；3-固定層；4-光纖芯；
5-轉(zhuǎn)接器；6-裂紋；7-氣泡
圖2  光纖轉(zhuǎn)接器內(nèi)部漏孔示意圖
Fig.2  Schematic of leaks in the adapter

　　根據(jù)上述分析，就光纖密集布設(shè)的多通道光纖轉(zhuǎn)接盤(pán)檢漏而言，需要解決轉(zhuǎn)接器與轉(zhuǎn)接盤(pán)的配合結(jié)構(gòu)密封性能檢測(cè)、光纖穿過(guò)轉(zhuǎn)接器密封處理的密封性能檢測(cè)等問(wèn)題。

2  轉(zhuǎn)接器與轉(zhuǎn)接盤(pán)之間的密封檢測(cè)

　　采用噴吹法對(duì)轉(zhuǎn)接器與轉(zhuǎn)接盤(pán)間的橡膠墊圈密封性能檢測(cè)，并判斷轉(zhuǎn)接器內(nèi)部灌膠是否存在連通轉(zhuǎn)接器上下兩端的超標(biāo)漏孔。

1-光纖轉(zhuǎn)接盤(pán)；2-噴槍?zhuān)?-光纖轉(zhuǎn)接器及光纖；
4-密封圈；5-集氣室；6-檢漏系統(tǒng)接口
圖3  轉(zhuǎn)接器檢漏系統(tǒng)示意圖
Fig.3  Schematic of leak detector system for the adapter
 

　　在轉(zhuǎn)接盤(pán)的一側(cè)安裝集氣室，連接檢漏系統(tǒng)，用噴槍對(duì)各轉(zhuǎn)接器噴氦（如圖3）。光纖轉(zhuǎn)接器密集分布，施加的氦氣極易擴(kuò)散至鄰近密封部位，因此，為避免誤檢誤判，采用了如下檢漏工藝：

　?。?）對(duì)于多處密封結(jié)構(gòu)密集分布的部位檢漏，采用設(shè)計(jì)有細(xì)長(zhǎng)型噴嘴的噴槍?zhuān)M量靠近被檢部位噴氦并控制噴氦流量，減少了鄰近的漏孔對(duì)當(dāng)前部位檢漏的影響；而且一旦有漏，進(jìn)入檢漏系統(tǒng)的氦較少，便于清除本底。

　?。?）為盡可能持久地將氦氣局限于被檢部位而不致擴(kuò)散到鄰近部位，在被檢轉(zhuǎn)接器外部罩上一個(gè)限制氦氣擴(kuò)散的簡(jiǎn)易罩筒，作為噴吹法的輔助檢漏工裝。

　　（3）當(dāng)已檢出泄漏超標(biāo)轉(zhuǎn)接器時(shí)，為避免氦氣擴(kuò)散至該泄漏轉(zhuǎn)接器而影響對(duì)周邊轉(zhuǎn)接器漏率的判斷，使用輔助抽氦泵對(duì)泄漏超標(biāo)轉(zhuǎn)接器表面抽真空，或是使用氮?dú)庋匦孤┏瑯?biāo)轉(zhuǎn)接器處向已檢轉(zhuǎn)接器方向噴吹。

　?。?）對(duì)查出的超標(biāo)漏點(diǎn)作標(biāo)記、暫時(shí)封堵或采取其它相應(yīng)措施，以避免對(duì)后續(xù)檢漏工作的影響；待所有部位均檢漏完畢，對(duì)超標(biāo)漏孔統(tǒng)一進(jìn)行封堵并復(fù)檢，依此操作直至查不到泄漏環(huán)節(jié)。

3  光纖與轉(zhuǎn)接器之間的密封檢測(cè)

　　在轉(zhuǎn)接器中光纖纖芯是連續(xù)的，但纖芯外的保護(hù)層被剝除一段而分成上下兩段（如圖2）。如果在纖芯外的膠體內(nèi)，存在連通兩端保護(hù)層間隙的漏孔，在光纖外噴氦無(wú)法查找到。為此，研究設(shè)計(jì)了光纖內(nèi)部充氦高靈敏度（小于1.0×10^－11Pa•m³/s）檢漏方法，判斷在轉(zhuǎn)接器內(nèi)過(guò)光纖之通孔的灌膠體是否存在連通光纖各保護(hù)層的內(nèi)部泄漏通道。

3.1  內(nèi)部缺陷的泄漏特征

　　將轉(zhuǎn)接器接入檢漏系統(tǒng)中，在轉(zhuǎn)接器外對(duì)光纖通孔的密封膠噴氦并觀察檢漏儀輸出信號(hào)的變化；隨后將轉(zhuǎn)接器另一端的尾纖末端封入充有氦氣的氣囊中，觀察檢漏儀輸出信號(hào)的變化。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)接器外向光纖密封膠部位噴氦，檢漏儀輸出信號(hào)保持本底狀態(tài)的情況下，有些光纖內(nèi)部充氦時(shí)卻有輸出信號(hào)連續(xù)上升、穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)的現(xiàn)象，表現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)型漏孔的泄漏特征。此時(shí)，如果將這些光纖封入氦氣囊中的尾纖與真空泵連接并抽真空，檢漏儀輸出信號(hào)迅速下降（如圖 4）。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，可以判定轉(zhuǎn)接器內(nèi)部膠體確實(shí)存在一種連通轉(zhuǎn)接器兩端光纖保護(hù)層間隙的缺陷，從而形成光纖內(nèi)部漏孔。

圖4  一次典型的光纖泄漏信號(hào)曲線圖
Fig.4  Schematic of a typical leak signal of the optical fiber

1-光纖轉(zhuǎn)接盤(pán)；2-密封圈；3-波紋管；4-光纖；5-密封圈支架；6-光纖轉(zhuǎn)接器；7-抽真空氣路；
8-三通；9-充氦氣路
圖5  光纖檢漏系統(tǒng)示意圖
Fig.5  Schematic of leak detector system for the optical fiber

3.2  內(nèi)部密封缺陷高靈敏度定量檢測(cè)

　　在光纖轉(zhuǎn)接器內(nèi)部密封缺陷分析實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究安裝在轉(zhuǎn)接盤(pán)上光纖轉(zhuǎn)接器的光纖內(nèi)部充氦檢漏技術(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)接器在轉(zhuǎn)接盤(pán)上的安裝狀態(tài)和轉(zhuǎn)接盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作檢漏接口器件，這種器件主要由密封圈和密封圈支架組成，可以保證波紋管與轉(zhuǎn)接盤(pán)密封良好，構(gòu)成包容光纖轉(zhuǎn)接器一端尾纖的集氣室（如圖5）。利用三通和厚壁軟管構(gòu)成光纖轉(zhuǎn)接器另一端尾纖的抽真空和充氦裝置。

　　使用檢漏儀直接對(duì)作為集氣室的波紋管抽本底并標(biāo)定靈敏度，對(duì)另一尾纖抽真空后充氦。檢測(cè)結(jié)果顯示光纖的漏率處于10^－9～10^－8Pa•m³/s之間。

4  結(jié)論

　　（1）通過(guò)研究光纖密封轉(zhuǎn)接的氦質(zhì)譜檢漏工藝和光纖內(nèi)部充氦檢漏方法，證實(shí)了光纖轉(zhuǎn)接器內(nèi)部存在特殊的漏孔，這種漏孔未貫穿整個(gè)灌膠層但連通轉(zhuǎn)接器兩端保護(hù)層間隙。

　　（2）利用光纖多層保護(hù)結(jié)構(gòu)形成集氣空間，實(shí)現(xiàn)了光纖轉(zhuǎn)接器內(nèi)部漏率定量檢測(cè),檢測(cè)靈敏度高達(dá)1.0×10^－11Pa•m³/s。