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

Анализ чувствительности методов течеискания и способ ее повышения

Анализ чувствительности методов течеискания и способ ее повышенияМ. Л. Виноградов, М. В. Карганов, Д. К. Кострин, В. Ю. Тискович

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

В работе приведена процедура расчета допустимого потока течей для герметичных изделий. Рассмотрены основные типы оборудования, применяемого для поиска течей в герметичных объектах. 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 различные виды течеискателей для обеспечения точности, повторяемости и минимальной стоимости испытаний.

Ключевые слова: течеискание, норма герметичности, поток течи, пробный газ, вакуум

The Analysis of Sensitivity of Leak Detection Methods and a Technique for its Improvement

M. L. Vinogradov, M. V. Karganov, D. K. Kostrin, V. Yu. Tiskovich

Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

In the paper the procedure of calculation of the permissible leakage flow for sealed products is stated. The possibility of recalculation of leakage flow measurement results for non-standard conditions to standard conditions is shown. The basic types of equipment used to find leaks in pressurized objects are described. A technique that permits obtain measurement sensitivity greater than that provides a leak detector in standard conditions by changing the pressure and kind of a test gas is discussed. A study of the sensitivity of the considered methods of leak detection using three samples with a different leakage flow is conducted. It is shown in what range of the leakage flow rate considered types of leak detectors to ensure accuracy, repeatability and minimum value of tests should be used.

Keywords: leak detection, leakage rate, leak flow, test gas, vacuum

Введение

Для контроля герметичности промышленных изделий применяются три основные технологии:

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

С количественным выражением допустимого потока натекания часто возникают трудности. Не следует ориентироваться на абсолютную герметичность изделия – в реальности добиться полного отсутствия натекания невозможно. Вследствие диффузии газов через материал, наличия микротрещин и несовершенства вакуумных уплотнений, в вакуумируемом объекте всегда существует поток течи, отличный от нуля.

Норма герметичности и стандартные условия течеискания

Необходимо определить норму герметичности для изделия, т. е. наибольший суммарный поток вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и учитывающий назначение, конструкцию, срок службы и условия эксплуатации герметизированного объекта. По норме герметичности устанавливают методы и средства контроля с учетом чувствительности, надежности и производительности испытаний.

Поток течи для изделия B характеризуется количеством газа, проникающего через течь в единицу времени после прекращения откачки:

Норма герметичности и стандартные условия течеискания(1)

где V – объем, занимаемый газом; ΔPt – скорость изменения давления.

Стандартными условиями для течеискания являются: перепад давлений между внутренней и наружной стороной изделия ΔP = 105 Па (1 атм), пробный газ – воздух, температура – 298 К. Поток течи задается в Па·м3/с.

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

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:

Поток течи в нестандартных условиях испытаний(2)

где ηв – коэффициент динамической вязкости воздуха; ηг – коэффициент динамической вязкости пробного газа; P2 иP1 – парциальное давление пробного газа с внешней и внутренней стороны объекта; Pатм – атмосферное давление.

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

вязкостном режиме течения газа(3)

где Mв – молекулярная масса воздуха; Мг – 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 способом щупа, а также манометрическим и пузырьковым методами.

Расчет допустимого потока течи для изделия

Время изменения давления t в откачанном устройстве можно вычислить по формуле

 молекулярного режима течения соотношение определяется отношением мо-лекулярных масс газов (4)

где V – объем откачиваемого объекта; S – эффективная быстрота откачки;
Pнач – начальное давление газа в изделии; Pдоп – допустимое максимальное давление газа в изделии.

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:

эффективную быстроту откачки S можно выразить из потока течи Q(5)

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

максимальный допустимый поток течи Qпо 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) и (3), с учетом характера течения газа.

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

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 рассмотренного выше изделия. 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 = 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:

Способ повышения чувствительности испытаний на герметичность(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 атм (3·106 Па). Если поток имеет вязкостную природу истечения, то требуемый перепад парциального давления следует вычислять, согласно соотношению (2), по формуле:

значение перепада парциального давления гелия, которое компенсирует недостаток чувствительности (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 атм (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.

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. Изделия представляют собой медную клемму, две составные части которой вакуум-плотно приварены друг к другу (рис. 1).

Тестовый объект для контроля герметичности сварных швов

Рис. 1. Тестовый объект для контроля герметичности сварных швов

1) Масс-спектрометрический метод

 В качестве устройства, регистрирующего поток пробного газа в проводимом эксперименте, выступает гелиевый масс-спектрометрический течеискатель Ulvac Heliot (рис. 2). 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.

а) Способ гелиевой камеры

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

б) Способ вакуумной камеры

Испытания на герметичность с помощью масс-спектрометрического течеискателя

Рис. 2. Испытания на герметичность с помощью масс-спектрометрического течеискателя

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.

2) Портативный гелиевый течеискатель. Способ щупа

Портативный электронный гелиевый течеискатель

Рис. 3. Портативный электронный гелиевый течеискатель

Легким в применении и в 4–6 раз более дешевым, по сравнению с масс-спектрометрическими аналогами, является портативный гелиевый течеискатель X1 (рис. 3). Минимальный достоверно регистрируемый прибором поток гелия составляет 10–6 Па·м3/с, масса прибора, выполненного в форме пистолета, составляет 300 г.

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.

3) 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.

а) 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 (рис. 4) выдают результат измерений потока в мм3/с, при этом в явном виде не указан перепад давлений. Речь в данном случае идет о стандартных условиях для течеискания [5]. При сопоставлении подобных единиц измерения с единицами потока Па·м3/с, следует умножить значение на перепад давлений в 1 атм. Таким образом:

                                      1 мм3/с · 105 Па = 10–4 Па·м3/с.                                  (9)

б) 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.

в) Способ контроля герметичности по нарастанию давления

Манометрический течеискатель Nolek S9

Рис. 4. Манометрический течеискатель S9

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.

При реализации способов течеискания по изменению давления, в роли датчика выступает высокочувствительный дифференциальный датчик давления, поэтому 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 при проверке на герметичность одной и той же детали. Например, если способом контроля герметичности тестового объекта объемом 0,5 л по измерению расхода газа зарегистрирован результат 100 мм3/с, согласно соотношению (9), 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.

4) 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, а 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. 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.

Результаты сопоставления различных способов течеискания

Соотношение потоков течей при измерении различными методами контроля герметичности

Рис. 5. Соотношение потоков течей при измерении различными методами контроля герметичности

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 и 4 атм) для всех способов контроля, за исключением способа измерения нарастания давления. Встроенный эжекторный насос манометрического течеискателя позволяет создать перепад давлений при вакуумировании до
0,1 атм.

Результаты измерения потоков приведены к стандартным условиям течеискания, согласно соотношениям (2) и (3) с учетом режимов течения газов, усреднены для каждого способа и представлены на рис. 5.

Изделие 1 имело крупную течь с потоком порядка 10–3 Па·м3/с, которая индицировалась всеми способами течеискания. Применение высокочувствительного масс-спектрометрического течеискателя нежелательно для поиска настолько больших течей. Подобные нарушения герметичности должны быть найдены на предварительном этапе контроля с помощью автоматизированного манометрического течеискателя или пузырьковым методом.

Преимущество манометрического течеискателя над пузырьковым методом проявилось в легкости получения и повторяемости потока течи. Пузырьковый метод следует использовать, прежде всего, для локализации течей, а измерение интенсивности истечения проводить манометрическим течеискателем.

Изделие 2 имело относительно малое нарушение герметичности с потоком порядка 10–9 Па·м3/с. Зарегистрирована течь была только с помощью масс-спектрометрического течеискателя. Даже при перепаде давления пробного газа в 4 атм, поток был не достаточно интенсивным для индикации портативным гелиевым течеискателем и остальными методами.

Течь с потоком 5·10–5 Па·м3/с в изделии 3 была измерена гелиевыми течеискателями. Измерение по расходу газа и падению давления дало результат лишь при повышенном перепаде давлений (3 и 4 атм), когда поток течи в условиях эксперимента превосходил 10–4 Па·м3/с. Оптимальным, с точки зрения чувствительности и стоимости, прибором для поиска натекании подобной интенсивности является портативный гелиевый течеискатель, работающий по способу щупа.

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 до 10–3 Па·м3/с – электронный щуповой гелиевый течеискатель;
  • более 10–3 Па·м3/с – манометрический течеискатель.

Литература

1. Ланис В. А. Техника вакуумных испытаний. М.: Госэнергоиздат, 1963. 264 с.

2. Schröder G. Neue Norm zur Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung // ZfP-Zeitung. 2001. V. 74.  P. 31–39.

3. Gas Permeation through Vacuum Materials / M. L. Vinogradov, V. T. Barchenko, A. A. Lisenkov et al. // Vakuum in Forschung und Praxis. V. 27. № 3. P. 26–29.

4. EN 1779:1999 Non-destructive testing – Leak Testing. Criteria for method and technique selection

5. EN 13184:2001 Non-destructive testing. Leak testing. Pressure change method.


Вы можете скачать документ Скачать

Запрос на поставку оборудования / Вопрос по представленному оборудованию
  1. Имя
    Пожалуйста, введите Ваше имя.
  2. Сообщение
    Пожалуйста, введите Ваше сообщение.
  3. E-mail*
    Пожалуста, введите адрес Вашей электронной почты.
  4. Телефон для связи
    Пожалуйста, введите номер Вашего телефона.
  5. Организация*
    Неверный Ввод
  6. Подтверждение*
    Поставьте, пожалуйста, галочку в поле "Подтверждение".

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)
Политика конфиденциальности


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.