8-812-740-66-02
8
-812-989-04-49
info@vactron.org

Расчет допустимого потока течи для промышленных изделий

Расчет допустимого потока течи для промышленных изделий

В.Т. Барченко, М.Л. Виноградов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" (СПбГЭТУ), ул. Профессора Попова, 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В данной статье приводится методика определения нормы герметичности для вакууммируемого изделия и расчета временной зависимости изменения давления в устройстве при наличии течи. Представлено соотношение потоков течи по гелию и герметичности для различных типов проникающих веществ. Показаны новинки проборов для организации контроля герметичности на предприятиях.

Leakage flow calculation for industrial products

V.T. Barchenko, M.L. Vinogradov

The method of calculating the maximal leak rate for a typical products and finding the time dependence of the pressure rise in the evacuated device with leaks are presented in this article.The equivalents of helium leak flow and tightness for different types of penetrating substances are shown. Modern devices for leak detection are described.

Строгие требования к герметичности изделий предъявляются во многих отраслях производства, таких как: аэрокосмическое приборостроение, энергетическая промышленность, автомобилестроение, упаковка, медицина и фармацевтика, электроника, производство холодильников и кондиционеров.

С количественным выражением допустимого потока натекания для продукции часто возникают проблемы. Заказчик часто ориентирован на абсолютную герметичность изделия, однако в реальности добиться полного отсутствия натекания невозможно. С внутренних стенок вакууммируемого объекта всегда идет дегазация, а наличие определенного потока течи свойственно любому типу вакуумных уплотнений.

Исходя из этого, изготовителям необходимо задаваться определенным уровнем нормы герметичности, т.е. потоком течи, который на протяжении периода эксплуатации не вызывает нарушения рабочего состояния изделия. Правильный расчет допустимого потока течи позволит:

•   избежать попадания во внутреннюю полость объекта нежелательных паров, газов и жидкостей;

•   предотвратить повышение давления до уровня, нарушающего рабочий режим;

•   корректно выбрать метод, способ и оборудование для контроля герметичности изделия; снизить затраты средств на покупку избыточно чувствительных течеискателей.

Оценка герметичности изделия к типам проникающих веществ

Первым этапом выбора значения нормы герметичности контролируемого изделия является решение вопроса о том, доступ каких веществ в объект должен быть органичен. Главным образом, это зависит от сферы производства и применения данной продукции.

Потоки через течь измеряются, как правило, по гелию с применением течеискателя, настроенного на данный контрольный газ. Данный метод применяется благодаря высокой проникающей способности гелия через течи, инертности, низкой концентрации в атмосфере и безопасности для оператора течеискателя. Проведя измерение потока натекания по гелию и используя таблицу 1 для сопоставления, можно сделать вывод о степени герметичности изделия для ряда веществ.

Таблица 1.

Соотношение степени герметичности по различным веществам и потока течи по гелию

Соотношение степени герметичности

Ориентируясь на область применения контролируемого устройства, можно выполнить оценку максимального общего натекания по гелию, допустимого для данной сферы промышленности. Например, для изделий автомобилестроения таких, как топливные баки, топливные каналы и шланги, допустимый поток течи по гелию составляет не более 10-6 Па.м3/с. Для медицинских изделий (блистеры, медицинские бутылки, медицинские банки, пакеты и сумки), которые должны быть устойчивы к проникновению бактерии и вирусов, – 10-7 Па.м3/с.

Методика расчета максимального допустимого потока течи для изделия

При изготовлении изделия, требующего герметизации, производитель задается диапазоном рабочего давления и временем эксплуатации изделия. Представим контролируемое изделие в виде модели, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1. Эквивалентная вакуумная схема контролируемого изделия при наличии течи

Объект характеризуется объемом V, давлением внутри системы Pi. Изделие имеет канал течи, поток гелия Qhe через который может быть определен с помощью течеискателя. В ходе изготовления производится вакууммирование системы через клапан до определенного начального давления Pi, которое на несколько порядков ниже атмосферного давления Pa.

Поток течи гелия Qhe может быть выражен через проводимость канала течи Ghe. Примем величину проводимости канала независимой от перепада давлений в системе.

В действительности, при малых потоках, свойственных задаче расчета свободного истечения газа, проводимость канала течи изменится лишь при переходе из молекулярного в вязкостный режим течения. Численное значение изменения Ghe невелико и, при необходимости, его можно оценить на основе информации, приведенной в источнике [1].

Qhe=Ghe(PaPi).                                                                (1)

С другой стороны, согласно определению величины потока газа, Qhe можно представить следующим образом

.                                                                       (2)

Объединяя выражения 1 и 2, получим соотношение, которое сводится к однородному дифференциальному уравнению первого порядка. Начальные условия для уравнения задаются из параметров состояния модели изделия.

                 Pi(0)=0,          Pi(∞)=Pa.

Решение представляет собой уравнение динамики повышения давления в откаченном изделии при наличии течи

.

Изменение давление в системе, которая содержится в атмосфере, происходит, главным образом, за счет проникновения компонентов воздуха внутрь изделия. Пересчет проводимости течи по гелию Ghe в проводимость по воздуху Gair выполняется с помощью коэффициента k = 2,7, равного квадратному корню из отношения молярных масс указанных газов. Выражение примет окончательный вид

.                                             (3)

В таблице 2 приведены временные результаты расчетов изменения давления за 1 год в высоковакуумном изделии, имеющем объем 1 л, при наличии течей различных потоков.

Таблица 2.

Приращение давления в высоковакуумном изделии при наличии течей различных потоков

Поток течи по гелию, Па.м3

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-11

Приращение давления за 1 год

до атм. за 15 дней

до атм. за 180 дней

69 кПа

11 кПа

1,1 кПа

116 Па

0,11 Па

            Для расчета максимального допустимого потока течи по гелию в случае, если технические условия производства задают значение максимального повышения давления в системе Pimax, из соотношений (1) и (3) выразим

            Согласно полученному выражению, если для объекта объемом 1 л максимальное повышение давления за 3 года должно быть не более 10 Па, то поток течи гелия, измеряемой течеискателем, не может превышать 10-5 Па.м3/с.

Портативный течеискатель для локального контроля герметичности

Контроль герметичности крупных объектов, таких как трубопроводы, элементы корпуса космического корабля, контуры циркуляции АЭС, удобно и эффективно осуществлять с помощью портативного гелиевого течеискателя.

Портативный гелиевый течеискатель обеспечивает достоверную регистрацию потока гелия вплоть до 1.10-7 Па.м3/с (7,6.10-4 л.мкм рт. ст./с).

Как и крупногабаритные стационарные течеискатели, переносной течеискатель имеет функцию обнуления фона, которая служит для привязки концентрации гелия в помещении к нулю, и позволяет проводить контроль герметичности независимо от постоянного уровня гелия вблизи объекта.

Рассмотрим график статистического распределения течей, выявляемых при работе с гелиевыми течеискателями [2]. На график, приведенный на рисунке 2, наложены диапазоны чувствительности портативного течеискателя в профессиональном и стандартном исполнениях.

Выявление течей в изделиях с помощью гелия

Рисунок 2. Статистическое распределение количества обнаруживаемых течей различных потоков

Анализ данного статистического распределения позволяет сделать вывод, что в диапазон чувствительности портативного гелиевого течеискателя попадает абсолютное большинство реальных сквозных течей, которые необходимо обнаруживать при контроле герметичности.

Течи потоком 10-9 мм рт.ст..л/с и менее обусловлены, прежде всего:

o    проницаемостью вакуумных уплотнений,

o    газовой диффузией и проводимостью через материалы изделий (например, через полимеры),

o    десорбцией и испарением с внутренних стенок изделия.

Натекания, обусловленные перечисленными причинами, следует предотвращать на этапе разработки конструкции и выбора материалов изделий, а также путем проведения подготовки изделия к испытаниям по методикам, описанным в [3, 4]. При дальнейших испытаниях на герметичность, течи потоком 7,5.10-7 мм рт. ст..л/с и более могут быть обнаружены с помощью портативного гелиевого течеискателя. 

Манометрический течеискатель для интегрального контроля герметичности

Манометрический течеискатель – автоматический течеискатель для контроля герметичности изделий, обеспечивающий измерение общего натекания до 10-4 Па.м3/с и выше.

Течеискатель снабжен двумя типами датчиков: давления и потока газа. Вакуумная система течеискателя построена таким образом, что возможно реализовать манометрический, вакуумметрический методы контроля герметичности, а также течеискание по измерению расхода газа.

Система контроля легметичности с манометрическим течеискателм

а

б

Рисунок 3. Течеискатели: а – портативный гелиевый, б – манометрический

Принципы обнаружения течи, реализованные в данном приборе, делятся на два типа.

1) Течеискание по росту или падению давления. Манометрический и вакуумметрический методы применяются для определения суммарной утечки. Манометрический метод подходит для замкнутых конструкций, в которых можно создать давление выше атмосферного. Вакуумметрический – для замкнутых конструкций, в которых можно создать вакуум.

Принцип расчета потока течи основан на контроле скорости изменения давления в объекте контроля. В приборе установлен эталонный герметичный объем, отделенный от измеряемого объекта чувствительной к перепаду давления мембраной. Способ течеискания по измерению дифференциального давления заключается в том, что и объект, и эталонный объем откачиваются или заполняются газом до одинакового давления.

При наличии течи в испытуемом объекте, баланс давлений нарушается и мембрана, разделяющая объемы, деформируется. По изменению емкости конденсатора, одной обкладкой которого служит указанная мембрана, производится насчет величины течи в испытуемом объекте.

2) Течеискание по измерению расхода газа.Прибор измеряет количество воздуха, который проникает в объект в случае наличия течи. Испытания проводятся с помощью датчика расхода газа. Прибор калибруется с помощью контрольной течи, устанавливаемой специальный порт течеискателя, и внешнего измерителя расхода газа.

Литература

1.     Локтев И.И. / Контроль крупных и мелких течей в тепловыделяющих элементах // Вакуумная техника и технология, том 10, №3, 2000

2.     The US Particle Accelerator School Vacuum Fundamentals, Lou Bertolini, Lawrence Livermore National Laboratory, January 19, 2004

3.     ОСТ 5.0170-81. Контроль неразрушающий. Металлические конструкции. Газовые и жидкостные методы контроля герметичности.

4.     ПНАЭ Г-7-019-89. Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования, и трубопроводов АЭУ. Контроль герметичности. Газовые и жидкостные методы.

Дополнительная профессиональная образовательная программа «Основы течеискания и вакуумной техники» 5 – 7 июня 2018

ООО «ВАКТРОН» и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова приглашают сотрудников предприятий принять участие в программе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники» 5 – 7 июня 2018 года.

Основы течеискания и вакуумной техникиЛекторы курса:

  1. Преподаватели университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» — расчетные и исследовательские задачи
  2. Сотрудники компании ВАКТРОН — разработка систем течеискания и вакуумирования
  3. Представители завода «Измеритель» — сервис и запчасти для течеискателей ТИ
  4. Специалисты метрологической организации — поверка и калибровка в течеискании
  5. Представители аттестационного центра — аттестация персонала и лаборатории NDT
  6. Инженеры по сервису ULVAC, NOLEK и PEDRO GIL — модернизация и обслуживание вакуумных насосов и аналитических систем

Базовые темы обучения:

  • Вакуумная техника и контроль герметичности в авиационной и космической отрасли
  • Герметичность объектов военного назначения
  • Выбор вакуумных насосов и течеискателей для металлургии, научных исследований и коммерческих задач
  • Ремонт вакуумных печей и напылительных установок
  • Автоматические линии контроля герметичности».

После прохождения итогового тестирования специалист получает методические материалы, видеозапись занятий и удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Занятия будут проходить в Санкт-Петербурге в аудиториях университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с посещением сервисного участка ВАКТРОН. Для направления на обучение необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 740-66-02, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Скачать приглашение и программу курса (DOC)


8-812-740-66-02
8-812-989-04-49
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.