Основы выбора метода течеискания

М.Л. Виноградов, Д.К. Кострин, М.В. Карганов, В.Ю. Тискович

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

В данной статье приведена процедура расчета допустимого потока течей для герметичных изделий. Описано, как изменением давления и рода пробного газа можно получить чувствительность измерений большую, чем обеспечивает течеискатель в стандартных условиях.

Показано, в каком диапазоне нормы герметичности изделия следует применять масс-спектрометрический гелиевый течеискатель, электронный щуповой гелиевый течеискатель и манометрический течеискатель для обеспечения точности, повторяемости и минимальной стоимости испытаний.

1. Введение

Для контроля герметичности промышленных изделий применяются три основные технологии:

1. измерение потока гелия, проникающего через места нарушения герметичности;
2. контроль изменения давления с течением времени в предварительно опрессованном или вакуумированном объекте;
3. оценка потока течи по объему и интенсивности пузырьков из погруженного в жидкость изделия.

2. Норма герметичности и стандартные условия течеискания

С количественным выражением допустимого потока натекания для продукции у разработчика часто возникают трудности. Заказчик часто ориентирован на абсолютную герметичность изделия, однако в реальности добиться полного отсутствия натекания невозможно.

Вследствие диффузии газов через материал, наличия микротрещин и несовершенства вакуумных уплотнений, всегда в вакуумируемом объекте существует поток течи, отличный от нуля.

Задача разработчика – определить норму герметичности. Согласно определению, это установленный нормативно-технической документацией наибольший суммарный поток вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и учитывающий назначение, конструкцию, срок службы, условия эксплуатации герметизированного объекта. По норме герметичности устанавливают методы и средства контроля с учетом чувствительности, надежности, производительности испытаний.

Поток течи для изделия характеризуется количеством газа, проникающего через течь в единицу времени, т.е. произведением объема V, занимаемого газом, на скорость изменения давления ΔP/Δt после прекращения откачки. Поток течи в стандартных условиях принято обозначать символом B.

 (1)

Стандартными условиями для течеискания являются: перепад давлений между внутренней и наружной стороной изделияΔP = 10⁵ Па (1 атмосфера), пробный газ – воздух, температура – 298 К. Поток течи в Международной системе единиц измерения СИ задается в Па^.м³/с.

При составлении требований к герметичности изделия разработчик должен задавать максимальный допустимый поток течи (норму герметичности) именно в стандартных условиях. Это позволяет легко пересчитать поток течи для применения других методов течеискания, а, соответственно, иных газов, давлений и температур испытаний.

3. Поток течи в нестандартных условиях испытаний

С целью увеличения чувствительности и повышения надежности испытаний зачастую создают условия течеискания, отличные от стандартных. Поток течи, регистрируемый течеискателем в условиях, отличных от стандартных, обозначается символом Q.

При изменении условий контроля герметичности, реально существующее нарушение структуры изделия остается неизменным.

Соотношение между величиной потока течи Bв стандартных условиях и потоком Q в произвольных условиях в вязкостном режиме течения газа выражается из уравнения Пуазейля [1] и имеет вид:

 (2)

где η_air – коэффициент динамической вязкости воздуха, η_gas – коэффициент динамической вязкости пробного газа, P₂ иP₁ – парциальное давление пробного газа с внешней и внутренней стороны объекта, P_ат – атмосферное давление.

Для молекулярного режима течения соотношение определяется отношением молекулярных масс газов [2] и принимает вид:

 (3)

где M_air – молекулярная масса воздуха, М_gas – молекулярная масса пробного газа.

Для выбора характера истечения газа используются следующие общие положения: для течей потоком менее 10^-8 Па^.м³/с имеет место молекулярный режим течения, более 10^-5 Па^.м³/с – вязкостный. В промежуточной области – комбинированный режим. Расчеты в нем производятся по обоим соотношениям с последующим выбором превалирующего потока течи.

Для изделий, давление газа в которых в ходе испытаний выше 10⁵ Па, и газ истекает в атмосферу, характер истечения считается вязкостным. Данная ситуация справедлива при течеискании с способом щупа, а также манометрическим и пузырьковым методами.

3. Расчет допустимого потока течи для изделия

Время изменения давления ∆t в откачанном устройстве можно вычислить по формуле:

 (4)

где V  –  объем откачиваемого объекта (м³), S – эффективная быстрота откачки (м³/с), P_init – начальное давление газа в изделии (Па); P_perm – допустимое максимальное давление газа в изделии (Па).

Когда откачка изделия остановлена, насосы отключены, а потоком дегазации со стенок можно пренебречь, поток газа в изделие будет определяться только сквозными течами. Таким образом, эффективную быстроту откачки S можно выразить из потока течи Q:

 (5)

Расчет производится по рабочему газу, которым называется газ, заполняющий герметизированное изделие при эксплуатации или хранении. Тогда максимальный допустимый поток течи Q по рабочему газу для устройства будет определяться соотношением:

 (6)

Расчет максимального допустимого потока B в стандартных условиях (нормы герметичности), исходя из полученного потока Q по рабочему газу, производится по формулам (2) – (3), с учётом характера течения газа.

Например, необходимо рассчитать норму герметичности B для миниатюрного кварцевого генератора объемом V=10^-5 м³. Давление P_init рабочего газа (аргона) в изделии составляет 1 атмосферу. За пятилетний срок службы оно должно упасть не более, чем до P_perm = 0,7 атм.

Поток течи Q по аргону, согласно соотношению (6), получается равным 10^-8 Па^.м³/с, что соответствует молекулярному режиму течения газа. Тогда, по формуле (2), значение нормы герметичности B дляминиатюрного кварцевого генератора с учетом отношения молекулярных масс аргона (39,95 а.е.м.) и воздуха (28,98 а.е.м.) равно 1,2^.10^-8 Па^.м³/с.

4. Способ повышения чувствительности испытаний на герметичность

Пользуясь соотношениями (2) и (3) между величиной течи B в стандартных условиях и потоком Q в произвольных условиях, можно подобрать параметры контроля герметичности для обеспечения требуемой чувствительности испытаний. Рассмотрим методику выбора параметров испытаний на примере изделия, рассмотренного выше.

Необходимо проверить на герметичность кварцевый генератор и обеспечить, как рассчитано выше, регистрацию потока газа в стандартных условиях не хуже, чем 1,2^.10^-8 Па^.м³/с. Допустим, что на предприятии есть портативный электронный гелиевый течеискатель, с помощью которого можно зарегистрировать минимальный поток течи Q = 1^.10^-6 Па^.м³/с.

Чтобы провести испытания с чувствительностью больше на два порядка, чем обеспечивает течеискатель в стандартных условиях, следует изменить условия теста. Для начала, выбрать гелий в качестве пробного газа. Перепад парциального давления пробного газа должен быть рассчитан из соотношения (3) для молекулярного режима течения газа:

(7)

Соотношение (7) позволяет вычислить значение перепада парциального давления гелия, которое компенсирует недостаток чувствительности течеискателя. В результате расчета для молекулярного режима течения газа получим значение 30 атмосфер (3^.10⁶ Па). Если поток имеет вязкостную природу истечения, то требуемый перепад парциального давления следует вычислять, согласно соотношению (2), по формуле:

 (8)

Для рассматриваемой задачи парциальное давление гелия с внешней стороны объекта P₁, т.е. в атмосфере, можно считать пренебрежимо малым, по сравнению с давлением гелия внутри изделия P₂. Тогда, с учетом отношения вязкостей воздуха и гелия, получим значение перепада парциального давления гелия 9,4 атмосфер (9,4^.10⁵ Па).

Таким образом, в вязкостном режиме течения газа достаточно повысить давление при испытаниях на порядок, чтобы увеличить чувствительность испытаний на герметичность на два порядка. При заправке изделия избыточным давлением поток, как было указано выше, становится вязкостным.

При пересчете потока течи от одного метода контроля герметичности к другому рекомендуется, как в примере, сначала приводить поток течи к стандартным для течеискания условиям. Следует определять режим течения газа в этих условиях, а потом преобразовывать значение потока для нового метода поиска течей.

5. Промышленные методы и оборудование для поиска утечек

Для сравнения результатов измерений потоков течей, полученных различными методами, проведем исследование герметичности трех изделий со сквозным нарушением сплошности сварного шва. Изделие представляет собой медную клемму, две составные части которой должны быть вакуум-плотно приварены к друг другу.

Рис. 1 – Объекты для контроля герметичности сварных швов различными методами	Рис. 2 – Испытания на образцов на герметичность с помощью масс-спектрометрического течеискателя Ulvac Heliot

Масс-спектрометрический метод

В качестве устройства, регистрирующего поток пробного газа в проводимом эксперименте, выступает гелиевый масс-спектрометрический течеискатель Ulvac Heliot. Минимальный достоверно регистрируемый прибором поток гелия составляет 5^.10^-13 Па^.м³/с, эффективная скорость откачки изделия – 5 л/с по гелию. Особенность течеискателя в том, что он обеспечивает указанную чувствительность в режиме противотока. Благодаря этому, камера масс-спектрометрического анализатора и турбомолекулярный насос всегда защищены от загрязнений и от ударного увеличения давления при срыве объекта.

Способ гелиевой камеры

Изделие устанавливается на вход течеискателя, его внутренняя часть вакуумируется. С внешней стороны изделия устанавливается герметичная камера, которая сначала откачивается форвакуумным насосом, а потом заполняется гелием [3]. Поток гелия, проникающий через течи в изделие, регистрируется течеискателем.

Способ вакуумной камеры

Внутренняя область изделия откачивается форвакуумным насосом и подключается к баллону с гелием. Давление гелия в изделии устанавливается с помощью редуктора на баллоне. Изделие закрепляют в вакуумной камере, которая соединена с вакуумной системой гелиевого течеискателя.

Гелий, вытекающий из внутренней части изделия в вакуумную камеру, регистрируется масс-спектрометром течеискателя.

Портативный гелиевый течеискатель. Способ щупа.

Легким в применении и в 4-6 раз более дешевым, по сравнению с масс-спектрометрическими аналогами, является портативный гелиевый течеискатель X1. Минимальный достоверно регистрируемый прибором поток гелия составляет 1^.10^-6 Па^.м³/с, масса прибора, выполненного в форме пистолета, составляет 300 грамм.

Способ щупа заключается в том, что объект заполняется гелием из баллона, а с внешней стороны истечение гелия через дефекты в сварных швах контролируется щупом течеискателя. Течеискатель индицирует цифровое значение течи, а также график изменения потока гелия во времени.

Методы контроля герметичности по изменению давления или расходу газа

Для течеискания данным методом в экспериментах применялся манометрический течеискатель Nolek S9. Это автоматизированный прибор для серийной проверки изделий с помощью высокочувствительного датчика дифференциального давления. Минимальный достоверно регистрируемый прибором поток течи по воздуху составляет 10^-4 Па^.м³/с [4].

В течеискателе S9 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 расчет величины течи в испытуемом объекте.

Течеискатель, благодаря встроенному датчику расхода газа, также может использоваться для контроля герметичности по измерению потока газа, выходящего из проверяемого изделия.

Способ контроля герметичности по измерению расхода газа

Течеискатель создает установленное избыточное давление в контролируемом объекте. Затем измеряется поток воздуха, который выходит из изделия в случае наличия течи. Испытания проводятся с помощью датчика расхода газа, установленного в измерительной системе течеискателя. Прибор калибруется с помощью контрольной течи, устанавливаемой в специальный порт течеискателя, и внешнего измерителя расхода газа.

Течеискатели манометрического типа выдают результат измерений потока в несистемных единицах [мм³/с], в которых в явном виде не указан перепад давлений. Речь в данном случае идет о стандартных условиях для течеискания [5].  При сопоставлении подобных единиц измерения с принятыми в системе СИ единицами потока [Па^.м³/с] следует умножить значение на перепад давлений в одну атмосферу. 

Способ контроля герметичности по падению давления

Внутренняя часть изделия соединяется с пневматической системой течеискателя S9. Внутрь изделия подается избыточное давление воздуха. Изделие автоматически изолируется от системы подачи воздуха для последующего контроля за падением давления, которое вызвано наличием течей.

Способ контроля герметичности по нарастанию давления

Вакуумный насос течеискателя S9 создает разрежение во внутренней части контролируемого изделия. Затем насос отключается, и нарастание давления, возникающее при наличии течей, регистрируется измерительной системой течеискателя.

Рис. 3 – Портативный электронный гелиевый течеискатель для оценки натекания в тестируемых объектах	Рис. 4 – Манометрический течеискатель для измерения потока течей через тестовый объект

При реализации способов течеискания по изменению давления, в роли датчика выступает высокочувствительный дифференциальный датчик давления. Поэтому течеискатели результат измерения представляется в единицах давления. Для перевода значения результата в единицы потока применяется соотношение (1), где ΔP – изменение давления, полученное в результате испытаний, V – внутренний объем изделия,Δt – время измерения.

Соответствие результатов, получаемых способом измерения потока и контроля падения или нарастания давления, легко установить на при проверке на герметичность одной и той же детали.

Так, например, если способом контроля герметичности тестового объекта, объемом 0,5 л, по измерению расхода газа зарегистрирован результат 100 мм³/с, это соответствует 10^-2 Па^.м³/с. Проведя контроль герметичности этого же изделия способом по падению или нарастанию давления, за время теста 2,5 секунды получим изменение давления 50 Па. Учитывая внутренний объем изделия, по формуле (1) рассчитаем соответствующий поток течи – также 10^-2 Па^.м³/с.

Таким образом, несмотря на различное представление результатов, способы течеискания, реализуемые с помощью манометрического течеискателя, позволяют получить одинаковые и воспроизводимые результаты.

Пузырьковый метод (способ опрессовки с погружением в жидкость)

При контроле пузырьковым методом контролируемое изделие, заполненное пробным газом под избыточным давлением, погружается в жидкость. Газ, выходящий из трещин в изделии, образует пузыри, которые могут быть зарегистрированы оператором.

Достоинствами пузырькового метода является простота и низкая стоимость его реализации, недостатками – возможность пропуска течей из-за сильного влияния оператора на процесс измерения и вероятность закупорки течей под действием капиллярных сил.

Для проводимого эксперимента пробным газом является воздух, жидкостью – вода. Минимальный достоверно регистрируемый поток течи по воздуху для данного способа, как правило, ограничен значением 10^-3 – 10^-4 Па^.м³/с, но может быть улучшен изменением типа жидкости и снижением давления над ней.

Так например, если оператор регистрирует появление каждую секунду пузырька воздуха диаметром 2 мм (объемом 4^.10^-9 м³), то при перепаде давления в одну атмосферу, согласно выражению (1), через течь проходит поток воздуха 8^.10^-4 Па^.м³/с.

6. Результаты сопоставления различных способов течеискания

Эксперимент по определению потока течей проведен для трех контролируемых изделий указанными способами контроля герметичности. Испытания проведены при четырех значениях перепада давления пробного газа (1, 2, 3, 4 атмосферы) для всех способов контроля, за исключением способа измерения нарастания давления. Встроенный эжекторный насос манометрического течеискателя позволяет создать перепад давлений при вакуумировании до 0,1 атмосферы.

Результаты измерения потоков приведены к стандартным условиям течеискания, согласно соотношениям (2) и (3) с учетом режимов течения газов, усреднены для каждого способа и представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Соотношение потоков течей при измерении различными методами контроля герметичности

	Поток B через течи в стандартных условиях, Па.м3/с
Способ контроля	Изделие №1	Изделие №2	Изделие №3
Способ гелиевой камеры	6.10-4	9.10-10	4.10-5
Способ вакуумной камеры	9.10-4	2.10-9	7.10-5
Способ щупа электронным течеискателем	7.10-4	–	4.10-5
Измерение расхода газа	1.10-3	–	8.10-5
Измерение падения давления	2.10-3	–	6.10-5
Измерение нарастания давления	7.10-4	–	–
Опрессовка с погружением в жидкость	2.10-3	–	–

6. Выводы и заключение

Объекты с неизменной структурой течейпроверены на герметичность различными методами. Приведены соотношения, позволяющие сопоставить результаты, полученные в ходе измерений в условиях, отличных от стандартных условий течеискания.

Показано, что изменением давления и рода пробного газа можно получить чувствительность измерений большую, чем обеспечивает течеискатель в стандартных условиях.

Вакуумметрический способ оказался менее чувствителен, чем манометрический, вследствие сравнительно малой разницы давлений, создаваемой насосом течеискателя в процессе испытаний. Для увеличения чувствительности для данного способа, к течеискателю S9 следует подключать дополнительный форвакуумный насос, а с внешней стороны изделия создавать повышенное давление.

Из соображений обеспечения точности, повторяемости и минимальной стоимости испытаний на герметичность рекомендуется соблюдать следующее соответствие диапазонов нормы герметичности изделия и применяемого оборудования:

• менее 10^-6 Па^.м³/с – масс-спектрометрический гелиевый течеискатель;
• от 10^-6 Па^.м³/с до 10^-3 Па^.м³/с – электронный щуповой гелиевый течеискатель;
• более 10^-3 Па^.м³/с – манометрический течеискатель.