Контроль герметичности и течеискание: инженерное руководство
Настоящая страница систематизирует практические сведения по технике течеискания и контролю герметичности, включая определения, методы, приборы, расчётные соотношения и организационные рекомендации. Материал ориентирован на специалистов, отвечающих за проектирование, производство и эксплуатацию герметизированных систем, и подготовлен на основе классического издания по методам и аппаратуре контроля герметичности.
Назначение и область применения
Герметичность является необходимым условием получения и сохранения заданной среды в рабочих объёмах вакуумных систем и различных приборных изделий. Контроль герметичности относится к числу обязательных испытаний, обеспечивающих нормальное функционирование герметизированных объектов.
Под герметичностью понимают непроницаемость конструкции для газов и жидкостей. Абсолютная герметичность недостижима и неконтролируема, поэтому конструкцию считают герметичной, если обмен через её элементы настолько мал, что не нарушает рабочий процесс и сохранение требуемых характеристик на протяжении всего срока службы и хранения. Нормы герметичности задаются исходя из назначения, особенностей конструкции, условий работы и хранения и определяют круг методов и приборов, принципиально пригодных для испытаний конкретного объекта.
Формулирование требований к герметичности
Необходимая чувствительность испытаний определяется допустимыми потерями вещества или допустимыми изменениями давлений в изолированных объёмах. Для изделий, где критична потеря рабочей среды, предельно допустимый суммарный поток через течи можно связать с допустимой потерей и временем хранения. Для систем, работающих под нагнетанием или откачкой, требования выражаются через необходимую поддерживаемую скорость потока при заданных давлениях.
При поэлементной проверке оболочек следует учитывать реальную дискретность возникновения дефектов в соединениях. В большинстве практических случаев течи приурочены к разборным и неразборным соединениям, поэтому чрезмерное завышение чувствительности по предположению равномерного распределения дефектов по площади или длине уплотнений нецелесообразно. Для изделий без особо высоких требований допустима чувствительность по элементам порядка в десять раз выше чувствительности испытания объекта в целом, при этом распределение величин течей следует оценивать вероятностно в технологии.
Количественная оценка течей и единицы измерения
Течь характеризуют расходом вещества, протекающего через дефект. В вакуумной метрологии расход газа в системе СИ выражают в м³·Па/с; по энергетической эквивалентности единиц справедливо: 1 м³·Па/с = 1 Дж/с = 1 Вт. Это соотношение удобно для сопоставления и пересчётов между используемыми ранее внесистемными единицами, такими как см³·атм/с, л·мм рт.ст/с и т.п. Для однозначного сопоставления вводят нормализованную величину течи В — поток воздуха из атмосферы во внутренний вакуум (давление ниже 10 Па) при комнатной температуре.
| Величина | Обозначение | Пояснение |
|---|---|---|
| Поток газа | м³·Па/с | Базовая единица СИ; энергетически эквивалентна Вт (1 м³·Па/с = 1 Вт) |
| Поток газа (внесистемные) | см³·атм/с; л·мм рт.ст/с; л·мкм рт.ст/с | Исторически используемые единицы; для расчётов рекомендуется перевод в м³·Па/с |
| Нормированная течь | В | Поток воздуха из атмосферы в вакуум при комнатной температуре |
Связь величины течи с характерными размерами дефекта
В широком диапазоне давлений для оценки течи используют обобщённое уравнение Кнудсена, учитывающее молекулярный и вязкостный режимы истечения. Прямые закрытые выражения для размеров канала из простых формул, как правило, невозможны; на практике пользуются подготовленными расчётными таблицами зависимости характерных размеров течи от величины нормированной течи при заданных условиях.
Методы течеискания и их применимость
Выбор метода определяется требованиями к избирательности и чувствительности, габаритами и объёмом изделия, условиями эксплуатации и технологическими ограничениями. Наиболее избирательными являются масс-спектрометрические течеискатели, настроенные на регистрацию гелия как пробного газа. Радиоактивный метод обладает высокой разрешающей способностью. Применяются также галогенные и электронозахватные течеискатели, реагирующие на соответствующие электроотрицательные соединения. Вакуумметрический и параметрический методы используют штатные вакуумные приборы и функциональные параметры изделий для фиксации натеканий.
| Метод | Пробное вещество | Назначение и особенности | Характерная чувствительность/порог |
|---|---|---|---|
| Масс-спектрометрический (гелий) | He | Высокая избирательность, работа в вакуумных и «щуповых» схемах; безопасен и имеет малый фон в атмосфере | До 7·10−11 м³·Па/с при щуповых испытаниях с цеолитовой колонкой |
| Галогенный | Хладоны 12, 22, иногда 113 | Преобразователи для вакуумных и атмосферных испытаний; калиброванные «галот»-течи для проверки | Пороговая чувствительность порядка 10−9 м³·Па/с |
| Электронозахватный | Элегаз (SF6), хладоны | Реакция на электроотрицательные вещества; высокая чувствительность к SF6 | Зависит от ПВ и схемы; применяется при необходимости химической избирательности |
| Вакуумметрический | — | Оценка натекания по скорости роста давления в изолированном объёме; может применяться штатной вакуумной аппаратурой | Ограничен чувствительностью преобразователя давления и газовыделением системы |
| Параметрический | Газообразное/жидкое ПВ | Фиксация изменения рабочих параметров изделия из-за проникновения ПВ; требует обратимости эффекта | Определяется функциональной чувствительностью изделия |
Устаревшие приборы: ПТИ-10 и СТИ-11, особенности и характеристики
МС-течеискатели позволяют проводить широкую номенклатуру испытаний. ПТИ-10 выполнен полностью на металлических уплотнениях, что снижает гелиевый фон; в сравнении с ранними моделями уменьшены масса и габариты магнита, упрощён доступ к ионной оптике. СТИ-11 создан на базе ПТИ-10, дополнен автоматизированной системой электромагнитных клапанов и цеолитовым насосом для режима избирательного накопления гелия; реализована динамическая компенсация фонового сигнала и повышенная чувствительность в щуповом исполнении за счёт цеолитовой колонки.
| Параметр | ПТИ-10 | СТИ-11 |
|---|---|---|
| Электропитание | Трёхфазная сеть 220/380 В | Трёхфазная сеть 220/380 В |
| Потребляемая мощность | ≈ 900 Вт | ≈ 1100 Вт |
| Габариты (Д×Ш×В) | ≈ 540×600×1400 мм | ≈ 1245×780×1325 мм |
| Масса | ≈ 180 кг | ≈ 220 кг |
| Особенности конструкции | Полностью металлические уплотнения, улучшенный анализатор с удобным обслуживанием | Автоматизированные клапаны, цеолитовый насос и колонка в щупе для максимальной чувствительности |
| Режим щупа | Стандартный щуп | Щуп с цеолитовой колонкой; достижима максимальная чувствительность вплоть до 7·10−11 м³·Па/с |
Течеискатель гелиевый масс-спектрометрический ZQJ
Течеискатель гелиевый масс-спектрометрический ZQJ предназначен для высокочувствительного контроля герметичности в вакуумном и щуповом методах и соответствует требованиям действующей СТО; единица потока Па·м³/с устанавливается согласно ГОСТ 8.417-2002, п. 5.2.1. В вакуумном методе реализованы два режима: «Нормальный» с диапазоном измерений 1·10⁻¹²…1·10⁻¹ Па·м³/с и «Массивная течь» с диапазоном 1·10⁻⁹…1·10⁻¹ Па·м³/с; в режиме «Метод щупа» прибор обеспечивает показания 5·10⁻⁹…1·10⁻² Па·м³/с. Приведённая относительная погрешность в «Нормальном» режиме не превышает ±[0,15 + (Qнпи/Qизм)]·100 %, в режиме «Массивная течь» ±50 %, где Qнпи — нижний предел измерений, Qизм — измеренный поток. Габариты прибора не более 545×430×380 мм; питание 220 ± 22 В, 50 ± 1 Гц; рабочие условия — температура окружающей среды +10…+35 °C при относительной влажности до 80 % без конденсации и атмосферном давлении 84…106,7 кПа. Надёжность подтверждается средней наработкой до отказа не менее 15 000 ч при среднем сроке службы 12 лет.
Калиброванные течи для поверки чувствительности
Для контроля чувствительности МС-гелиевых течеискателей применяются калиброванные диффузионные течи типа ГЕЛИТ. ГЕЛИТ-1 использует мембрану из плавленого кварца и обеспечивает более высокие потоки по сравнению с ГЕЛИТ-2 на молибденовом стекле. Конструктивно течь представляет собой металлический баллон с присоединительным патрубком.
| Параметр | ГЕЛИТ-1 | ГЕЛИТ-2 | Общее |
|---|---|---|---|
| Тип мембраны | Плавленый кварц | Молибденовое стекло | Диффузионная мембрана |
| Поток | Выше, чем у ГЕЛИТ-2 (для поверки более высоких чувств) | Ниже, чем у ГЕЛИТ-1 | Паспортно задаётся в м³·Па/с |
| Изменение потока с температурой | ≈ 3% на °C | Температурная зависимость учитывается при поверке | |
| Габариты | Около 210×42 мм | Компактное исполнение | |
| Диаметр патрубка | ≈ 10 мм | Стандартное присоединение | |
| Давление гелия в баллоне | ≈ 5–100 кПа | Рабочий диапазон для стабильного потока | |
Схемы испытаний и приёмы локализации
При щуповых испытаниях применяют капиллярные щупы длиной порядка 2–5 м с внутренним диаметром 0,1–0,2 мм; для снижения фонового сигнала целесообразны конструкции с «газовой завесой», где внешний канал подаёт газ без гелия, а внутренний отбирает пробу в анализатор. Для ускорения локализации дефекта используют «чехол» из эластичной плёнки с герметизацией краёв и выдержкой, после чего отборы под плёнкой сравниваются по концентрации пробного газа. Щуп для высокочувствительных измерений в составе СТИ-11 дополнен цеолитовой колонкой, позволяющей полностью открыть входной клапан анализатора и работать на предельной чувствительности.
Вакуумметрический метод: экспресс-оценка натеканий
Простейшая оценка суммарного натекания Qнат выполняется по скорости роста давления в изолированном объёме V после отсечки откачки. При линейном росте давления справедливо выражение Qнат = V·ΔP/Δt. Чувствительность метода зависит от порога преобразователя давления и газовыделения стенок; при достижении сорбционного равновесия продолжение линейного роста давления указывает на наличие натекания.
Организация испытаний и предотвращение пропусков дефектов
Проверка герметичности должна завершать цикл механических и климатических испытаний, способных сформировать или изменить течи. Отсутствие обнаружения дефектов может быть обусловлено переходом несквозных дефектов в сквозные после испытаний, деформацией оболочек (включая температурные эффекты) и частичным или полным временным перекрытием каналов течей. Закупорка малых течей влагой — один из типичных факторов; перед испытаниями изделий, длительно контактировавших с атмосферой, необходимо обеспечить освобождение каналов от влаги. Для течей меньших 10−8 м³·Па/с надёжное вскрытие обеспечивает прогрев свыше 350 °C; для поверхностей, не допускающих такой термообработки, применяют промывку летучими жидкостями с низким поверхностным натяжением и длительный прогрев до максимально допустимой температуры.
Практические замечания по выбору чувствительности
Для изделий без экстремальных требований разумно задавать чувствительность поэлементного контроля не более чем на порядок строже чувствительности испытания объекта в целом. При разработке технологий высоконадежных изделий критерии следует корректировать по фактическим распределениям величин течей, полученным экспериментально. Для щуповых испытаний полезно оценивать достижимую чувствительность на реальной оснастке с использованием калиброванных течей-имитаторов точечного источника, устанавливаемых на патрубок диффузионной течи.