Nieszczelności oraz metody detekcji i ocena rozmiaru nieszczelności

Nieszczelności (przecieki) pojawiają się w obszarach zamkniętych hermetycznie systemów i dotyczą podciśnienia i nadciśnienia. Nieszczelność oznacza niezamierzone pęknięcie, powstanie otworu lub porowatość pozwalające na wyciek zamkniętego w systemie medium.

Wykrycie nieszczelności pozwala na jej zlokalizowanie i pomiar rozmiaru w zamkniętym systemie. Procedura testu szczelności jest jednym z działań kontroli jakości.

Szczelność systemu jest ważna m.in. w komorach próżniowych, kineskopach, żarówkach, hermetycznie zamkniętych elementach elektronicznych, zbiornikach ciśnieniowych, pojemnikach aerozolowych, układach chłodniczych czy produktach spożywczych.

Mimo nowoczesnych technologii produkcyjnych praktycznie niemożliwe jest wytworzenie szczelnej obudowy lub systemu. Zatem biorąc pod uwagę cykl życia produktu, jaka jest maksymalna dopuszczalna wielkość nieszczelności?

Jakie są źródła nieszczelności?

Istnieje wiele źródeł nieszczelności:

  1. Nieszczelności spowodowane wadami pojemników/zbiorników: zbyt cienkie ścianki i mikropęknięcia pojemników zawierających płyny lub gazy pod ciśnieniem, zbyt głębokie tłoczenie napisów na ściankach lub porowate odlewy konstrukcji.
  2. Nieszczelności w nowo produkowanych produktach występujące w wadliwych połączeniach lub uszczelnieniach komponentów składających się na produkt finalny. Pomiędzy nimi najczęściej stosowane są spoiny, luty, o-ringi lub inne typy uszczelek, a wadliwa konstrukcja lub wykonanie powoduje nieszczelność całego systemu.
  3. Nieprawidłowo dobrane materiały umożliwiające dyfuzję gazów i przenikanie przez ścianę.
  4. Wirtualna nieszczelność – specjalny rodzaj awarii w technice próżniowej, gdzie nie występuje fizyczna nieszczelność, a źródłem dodatkowego gazu w komorze próżniowej są wnęki na powierzchni jej ścian, przestrzenie pomiędzy gwintami, nieprawidłowe spawy itp. W rezultacie trudno jest osiągnąć planowany poziom próżni, ponieważ spektrometr masowy wykazuje obecność nieszczelności, choć w rzeczywistości problemem jest wadliwa konstrukcja komory.

Przyczyny nieszczelności

Przyczyny nieszczelności (pęknięcia, porowatość, uszkodzenia, błędy montażowe itp.) są różne i z reguły posiadają nieregularne kształty. Z tego względu nie można dokładnie określić ich geometrycznych wymiarów. Ocena wielkości nieszczelności jest realizowana przez weryfikację wielkości przepływu gazu lub cieczy w określonych warunkach temperaturowych i różnicy ciśnień.  W efekcie wielkość nieszczelności może być określona na dwa sposoby:

  1. w warunkach zastosowania np. 3 g środka chłodniczego R-12 w ciągu 2 lat przy ciśnieniu 5 bar lub 65 ml oleju w ciągu roku w temperaturze 60oC i ciśnieniu atmosferycznym,
  2. w warunkach metody oceny nieszczelności np. wzrostu ciśnienia o 2 mbar w ciągu 1 godziny lub 3×10-7 mbarl/s helu w metodzie z wykorzystaniem helu.

Jak mierzyć wielkość nieszczelności?

Generalna zasada pomiaru wielkości nieszczelności jest następująca: testowany system o znanej objętości (Vo) łączymy z pompą próżniową. Po odpompowaniu gazu do określonego podciśnienia zamykany jest zawór i następuje rejestracja ciśnienia w długim okresie czasu. Istnieje kilka różnych scenariuszy: system jest szczelny i czysty, nieszczelny i czysty, nieszczelny i zanieczyszczony, nieszczelny i nieodgazowany itp. W każdym z przypadków nieszczelności obserwowany jest wzrost ciśnienia. W zależności od przebiegu krzywej ciśnienia w upływającym czasie możemy określić rodzaj nieszczelności. 

Prosty test można również zrealizować poprzez zwiększenie ciśnienia w systemie i rejestrowanie jego spadku. Jednak w ten sposób uzyskamy jedynie informację o wielkości nieszczelności, a nie o jej charakterze.

Wielkość nieszczelności nie zależy tylko od wielkości geometrycznych (średnica, długość), ale również od fizycznych właściwości gazu lub cieczy, takich jak lepkość, masa cząsteczkowa i różnica ciśnień. Np. w tych samych warunkach otoczenia, hel przepływa przez nieszczelność 2,7 razy szybciej niż powietrze. Dlatego też podczas podawania wyników pomiaru nieszczelności, zawsze należy określać jej wielkość oraz rodzaj testowanego gazu. 

Maksymalna akceptowalna wielkość nieszczelności zależy od rodzaju produktu. Jako, że koszt detekcji nieszczelności zwiększa się odwrotnie proporcjonalnie do wielkości nieszczelności, to niepotrzebne badanie małych nieszczelności zwiększa koszt produkcji.

Tolerowany poziom nieszczelności w przemyśle przedstawia się następująco:

  • procesy chemiczne – 10-1 do 1 mbar l/s,
  • puszki napojowe (utrzymanie CO2) – 10-5 do 10-6 mbar l/s,
  • dynamiczne systemy próżniowe (ciągła praca) – 10-5 do 10-7 mbar l/s,
  • zamknięte elementy z próżnią (kineskopy, żarówki) – 10-8 do 10-10 mbar l/s.

Jak wykryć nieszczelności?

Istnieje wiele sposobów wykrywania nieszczelności. Różnią się one kosztami, skutecznością i zakresem możliwego zastosowania.

Metoda akustyczna

Wykorzystuje dźwiękową lub ultradźwiękową energię wytwarzaną przez gaz w momencie wyciekania przez nieszczelność. Gaz pod ciśnieniem przenika z testowanego systemu przez nieszczelność do atmosfery, a miejsce nieszczelności wykrywane jest bardzo czułym mikrofonem. Metoda ta jest powszechnie stosowana do detekcji nieszczelności w instalacjach wysokociśnieniowych. Wymaga nieskomplikowanego sprzętu, jest prosta i szybka. Wykrywa nieszczelności jedynie do 10-3 mbarl/s.

Metoda zmiany ciśnienia

Wykorzystuje ciśnieniomierz, który monitoruje ciśnienie w systemie. Miejsce, w którym prawdopodobnie występuje nieszczelność jest spryskiwane rozpuszczalnikiem acetonowym lub podobnym. W przypadku nieszczelności, rozpuszczalnik wnika do systemu, odparowuje i ciśnienie rośnie. Metoda ta ma ograniczone zastosowanie (wielkość systemu próżniowego) i braki (możliwość wymrożenia rozpuszczalnika i czasowe zatkanie nieszczelności lub niebezpieczeństwo uszkodzenia uszczelek lub innych komponentów systemu próżniowego). 

Metody nadciśnieniowe

Wykorzystują ciecz lub gaz, którym testowany element musi być napełniony. Jako ciecz z reguły jest wykorzystywana woda. Obserwując zewnętrzną powierzchnię, możemy zlokalizować miejsce gdzie występuje nieszczelnością. Testując system gazem należy napełnić go do ciśnienia kilku bar (w zależności od metody, materiału i grubości ścianek), a następnie zanurzyć w zbiorniku z wodą. Miejsce nieszczelności pokażą pęcherzyki gazu wydostające się z systemu. Metoda jest zdolna pokazać nieszczelności do 10-3 mbarl/s. Jeżeli system jest zbyt duży do zanurzenia go w zbiorniku z wodą to rozwiązaniem jest spryskanie go roztworem mydła. Miejsce nieszczelności pokażą bańki mydlane, a szacowana wykryta wielkość nieszczelności dojdzie do 10-5 mbarl/s.

Metoda penetracyjna

Metoda ta jest adaptacją metody do poszukiwania pęknięć w metalu i wad spoin. Wykorzystuje ciecz o niskiej lepkości, która charakteryzuje się wysokim stopniem migracji. Penetrant jest nałożony na jedną stronę testowanej powierzchni i po określonym okresie czasu jest poszukiwany po drugiej stronie powierzchni. Metoda jest prosta, tania i wykrywa nieszczelności do 10-6 mbarl/s.

Metoda radiacyjna

Jest wykorzystywana jedynie do sprawdzania nieszczelności hermetycznie zamkniętych komponentów. Są one umieszczane w komorze, z której zostaje usunięty gaz obojętny, a następnie wpuszczany jest radioaktywny gaz znakujący (zwykle krypton 85). Dyfunduje on przez nieszczelność w komponencie, a po wyjęciu komponentu z komory, gaz znakujący przenika z powrotem do atmosfery. Miejsce przecieku może być wykryte czujnikiem promieniowania. Metoda jest bardzo kosztowna, ale pozwala na pomiar nieszczelności rzędu 10-11 mbarl/s.

Halogenowa detekcja nieszczelności

Jest skuteczna do nieszczelności rzędu 10-3 mbarl/s. System jest napełniany pod ciśnieniem gazem znakującym zawierającym halogenek organiczny (zwykle jeden z freonów).  Zewnętrzna powierzchnia systemu jest weryfikowana czujnikiem wrażliwym na gaz znakujący. Metoda jest niepraktyczna, kosztowna i szkodliwa dla środowiska.

Spektrometr masowy

Jest wykorzystywany, jako najbardziej czułe urządzenie do wykrywania nieszczelności w systemach próżniowych.  W metodzie tej gazem znakującym jest głównie hel. System podłączony do spektrometru masowego zostaje wypełniony helem, który przenika z testowanego systemu do detektora mierzącego jego ciśnienie cząstkowe. Gaz znakujący (w tym przypadku hel) jest jonizowany w próżni. Jony helu dzięki przyłożonemu napięciu są przyspieszane i oddzielane w polu magnetycznym. Sygnał jonowy jest zamieniany na sygnał elektryczny, który określa jednostki detekcji nieszczelności. Mierzony sygnał jest wprost proporcjonalny do stężenia helu i co za tym idzie równy mierzonej nieszczelności, a zakres pomiarowy osiąga 10-11 mbarl/s.

Hel jest najbardziej powszechnym gazem znakującym. Jest nietoksyczny, obojętny, występuje w atmosferze w ilościach śladowych, jest tani oraz niepalny. Dzięki swej małej masie atomowej z łatwością przepływa nawet przez bardzo małe nieszczelności.

Istnieje wiele metod pomiaru nieszczelności, różniących się między sobą sposobem pomiaru, kosztem i dokładnością. Chcąc wybrać najlepszą metodę należy określić kilka podstawowych zagadnień:

  • ilość punktów/obszarów do zweryfikowania,
  • wskaźnik akceptacji nieszczelności dla danego produktu,
  • gabaryty produktu, który należy zweryfikować,
  • częstotliwość wykonywanych pomiarów,
  • sposób weryfikacji nieszczelności (czy system musi być zautomatyzowany, czy też weryfikacja jednostkowa jest akceptowana),
  • budżet przeznaczony na pomiary,
  • wysokość ciśnienia zastosowanego podczas testów.