EN 1779:1999 (с изменением A1:2003). Неразрушающий контроль. Контроль герметичности. Критерии выбора метода и техники
1 Область применения
Настоящий европейский стандарт описывает критерии выбора наиболее подходящих метода и техники для оценки герметичности путём индикации или измерения утечки газа. Нормативное приложение A позволяет сравнить стандартные методы испытаний. Контроль герметичности с использованием гидростатических испытаний, ультразвуковых или электромагнитных методов в данный документ не включён.
Стандарт может применяться для оборудования, которое может быть вакуумировано или подвергнуто избыточному давлению.
2 Нормативные ссылки
Настоящий стандарт включает посредством датированных или недатированных ссылок положения из других публикаций. Эти нормативные ссылки приводятся в соответствующих местах текста, а публикации перечислены ниже. Для датированных ссылок последующие изменения или пересмотры любых из этих публикаций применяются к настоящему стандарту только при их включении посредством изменения или пересмотра. Для недатированных ссылок применяется последнее издание соответствующей публикации.
EN 473 Квалификация и сертификация персонала НК — Общие положения.
EN 1330-8 Неразрушающий контроль — Терминология — Часть 8: Термины, используемые в контроле герметичности.
3 Определения
Для целей настоящего стандарта применяются определения, приведённые в EN 1330-8.
4 Квалификация персонала
Предполагается, что контроль герметичности выполняется квалифицированным и компетентным персоналом. Для подтверждения квалификации рекомендуется сертифицировать персонал в соответствии с EN 473.
5 Единицы измерения
Скорость утечки определяется как pV-пропускная способность определённой рабочей среды, проходящей через течь при заданных условиях, и выражается в паскаль·кубический метр в секунду (Па·м³/с).
Ранее скорость утечки выражалась в различных единицах; они приведены в информационном приложении B.
6 Требования к герметичности
Герметичность объекта обычно определяется путём измерения скорости утечки газа.
Герметичность обычно описывается как расход рабочей среды в объект или из объекта контроля. Для газа герметичность может быть удобно охарактеризована изменением давления во времени при заданных условиях.
Однако для целей испытаний, то есть при разработке технических требований и процедур, герметичность должна выражаться как скорость утечки в единицах газовой пропускной способности (Па·м³/с) для конкретного газа при заданной температуре и заданных условиях давления.
Нулевая скорость утечки не должна указываться. Требуемая герметичность должна быть соотнесена с функцией рассматриваемого объекта.
Примечание 1. Примеры соотношения скорости утечки и объекта: скорости порядка 5×10−4 Па·м³/с могут быть приемлемы для баллонов со сжатым воздухом (это соответствует изменению давления на 5000 Па в объёме 10 л за 24 часа или потере 0,5 л, измеренной при атмосферном давлении); скорость утечки 10−10 Па·м³/с типична для кардиостимуляторов (это соответствует потере 1 см³ примерно за 30 лет).
Суммарная герметичность системы может рассматриваться как совокупная герметичность всех её компонентов. Для соответствия требованиям сумма скоростей утечки каждого компонента плюс сумма скоростей утечки в каждой точке соединения должна быть меньше общей допустимой скорости утечки системы.
Герметичность компонента или системы должна быть задана при нормальных эксплуатационных условиях.
Примечание 2. Наибольшее влияние на герметичность оказывают: природа и давление газа; рабочая температура.
Пригодность системы для выполнения конкретной задачи характеризуется функциональной герметичностью.
Примечание 3. Для учёта не поддающихся количественной оценке факторов может быть целесообразно принимать значения герметичности ниже расчётных в 3–10 раз.
7 Контроль герметичности
Фактический газовый поток через течи объекта контроля, определённый в ходе испытания, должен быть пересчитан к скорости утечки при эксплуатационных условиях.
Следующие положения применяются ко всем методам, посредством которых определяются скорости утечки. Обзор методов и техник приведён в таблице 1.
Таблица 1 — Контроль герметичности. Критерии выбора метода и техники
| Шаг выбора | Варианты | Что делать | Ссылки на методы |
|---|---|---|---|
| 1. Направление потока | Изнутри наружу; Снаружи внутрь | Определить сторону подачи трассирующего газа и сторону детектирования | См. Приложение A (методы с трассирующим газом и по изменению давления) |
| 2. Масштаб проверки | Весь объект (интегрально); Локальная область | Решить, требуется суммарная утечка или поиск мест течей | Интегральные техники A.1, B.3; локализационные A.3, B.4, C.1–C.3 |
| 3. Цель испытаний | Локализация; Количественное измерение | Для подтверждения соответствия нужны только количественные техники | Измерительные: A.1, B.2.1, B.3, B.5, B.6, D.1–D.4 |
| 4. Проверка применимости | Доступ к поверхностям, прочность на вакуум/давление, материалы, температура | Проверить практические ограничения объекта и условий | Рекомендации — разд. 8; детали — Приложение A |
| 5. Итоговый выбор | Учёт чувствительности и безопасности | Сопоставить требуемую скорость утечки с достижимой чувствительностью | Диапазоны чувствительности — Приложение A; пересчёты — разд. 7.3, Приложение B |
Порядок использования таблицы: выбрать направление потока для испытания; определить масштаб исследования: вся область или локальная область; определить цель испытаний: локализация или измерение; выбрать соответствующий метод (A–D, см. нормативное приложение A); проверить любые практические затруднения, связанные с испытанием. Некоторые техники, применяемые для локализации, могут также дать оценку величины утечки, однако они не допускаются для подтверждения соответствия спецификациям.
7.1 Техники для локализации течей и техники для измерения
Обычно невозможно за один этап определить суммарную утечку компонента (или системы) и местоположение течей. Следовательно, следует рассматривать две техники: измерение совокупной скорости утечки и локализацию течей для их возможного устранения.
Примерами интегральных техник являются измерение изменения давления во времени внутри объекта и накопление газа, выходящего из объекта, за определённый период времени.
Одна из техник локализации течей заключается в зондировании объекта подходящим трассирующим газом или «нюханье» поверхности объекта, заполненного трассирующим газом.
Примечание. При выборе подходящей техники оценки герметичности следует тщательно учитывать условия испытаний (давление, вакуум, тип газа и т. д.). Некоторые рекомендации приведены в разделе 8.
7.2 Временная зависимость (для техник с трассирующим газом)
Измерительное устройство должно располагаться по другую сторону границы по отношению к той стороне, на которую подают трассирующий газ. Трассирующий газ может быть обнаружен только после пересечения границы. Следовательно, должно быть обеспечено время на стабилизацию. Время прохождения газа через границу зависит от природы газа, перепада давления и геометрии пути течи. Оно также зависит от температуры, чистоты объекта и других факторов.
Примечание. Для малых течей время стабилизации может быть большим. Если поток через течь затруднён последовательными препятствиями, такими как многоконтурные уплотнения или двойные сварные швы, время испытания может быть очень большим.
7.3 Влияние условий течения
Для расчёта изменения скорости утечки как функции давления, температуры и типа газа должны использоваться обычные законы газового течения.
Примечание. В количественном течеискания обычно рассматривают два различных режима течения: вязкое ламинарное и молекулярное.
Границы между этими режимами определены не точно. Поэтому следует проявлять осторожность при выборе любой из формул, приведённых в 7.3.1, 7.3.2 и 7.3.3.
В практических целях обычно принимается, что для скоростей утечки гелия ≤10−7 Па·м³/с применимы условия молекулярного течения. Для скоростей утечки гелия >10−5 Па·м³/с при одиночной капиллярной течи применимы условия вязкого ламинарного течения.
Для различных режимов течения зависимость скорости утечки от давления, температуры и типа газа различна.
7.3.1 Влияние давления
Для данной течи, размеры которой не изменяются приложенным давлением, для учёта влияния изменения давления на расход должны использоваться следующие выражения.
Молекулярный режим (см. формулу выше).
Вязкий ламинарный режим (см. формулу выше). Здесь pA1 и pA2 — различные давления на стороне «А» (низкого давления), Па; pB1 и pB2 — различные давления на стороне «B» (высокого давления), Па; q1 и q2 — скорости утечки, Па·м³/с, соответствующие двум перепадам давления.
7.3.2 Влияние температуры
Для данной течи, размеры которой не изменяются при изменении температуры, для учёта влияния температуры на расход должны использоваться следующие выражения.
Приближение для воздуха/гелия: qT2 ≈ qT1 · (T₂/T₁)
Здесь T1 и T2 — различные температуры, K; qT1 и qT2 — скорости утечки, Па·м³/с, при T₁ и T₂ соответственно; ηT1 и ηT2 — динамические вязкости, Па·с, при T₁ и T₂.
7.3.3 Природа газа
Для данной течи со скоростями утечки для двух различных газов выполняются следующие соотношения.
Здесь qG1 и qG2 — скорости утечки, Па·м³/с, для газов G1 и G2; MG1 и MG2 — молярные массы, кг/моль; ηG1 и ηG2 — динамические вязкости, Па·с.
7.4 Влияние прочих факторов
Помимо указанного выше, следует учитывать, что размеры пути течи могут изменяться при вариациях температуры и давления. Кроме того, направление потока может оказывать существенное влияние на измеренную скорость утечки; следует проявлять осторожность, если требуется реверсировать градиент давления.
Объект испытаний должен, когда это возможно, быть очищен, обезжирен и высушен. Типичными источниками загрязнений являются стружка, пыль, масло и смазка, остатки флюса после сварки, маркировочная краска, поверхностная коррозия и отпечатки пальцев. Очевидно, что любой метод очистки, применяемый для удаления загрязнений, не должен повреждать объект или оставлять недопустимые остатки.
Для минимизации влияния подобного рода неучтённых факторов контроль герметичности следует проводить при эксплуатационных условиях. Если это невозможно, отклонения от эксплуатационных условий должны быть указаны в протоколе испытаний.
В некоторых производственных условиях точность измерений, зависящая от применяемой техники, может составлять порядка ±50 %.
8 Общие принципы выбора метода и техники
При выборе техники испытаний (см. нормативное приложение A) необходимо учитывать следующие положения: диапазон допустимых скоростей утечки (см. 8.1); тип испытаний: локализация течи, измерение интегральной скорости утечки (полной или частичной) (см. 8.2); конструкцию изделия, например размеры, наличие отверстий и доступность поверхностей, предельные эксплуатационные давления и вакуум, материалы (стенки, уплотнения и т. п.), состояние поверхности (см. 8.3); эксплуатационные и испытательные условия, например трассирующие среды, температура, движущая сила (разность давлений, величина и направление), испытания при изготовлении или при эксплуатации (см. 8.4); факторы безопасности и воздействия на окружающую среду (см. 8.5).
8.1 Диапазон скоростей утечки
Максимально допустимая скорость утечки определяет выбор техники. Некоторые техники могут не обладать чувствительностью, достаточной для измерения требуемой скорости утечки, и не перекрывают весь диапазон. В то же время некоторые высокочувствительные техники могут быть экономически нецелесообразны или непригодны для обнаружения больших утечек.
8.2 Тип испытаний
Если требуется измерение совокупной скорости утечки, следует использовать только количественную технику с соответствующей калибровкой. Многие техники применимы лишь для локализации течей и могут давать лишь приблизительную оценку величины утечки; кроме того, некоторые из этих техник могут исследовать только часть объекта.
8.3 Конструкция объекта испытаний
Размеры объектов испытаний должны быть учтены. Крупногабаритные или тяжёлые объекты не всегда удобно перемещать, и их трудно помещать в камеры или ванны с жидкостями. Кроме того, вакуумирование до соответствующего уровня может быть крайне сложным и для больших объёмов может требовать длительной откачки.
Отверстия и доступность поверхностей требуются для многих техник, например когда трассирующий газ подаётся на одну сторону границы объекта, а обнаружение выполняется на другой стороне. Следовательно, одна поверхность должна быть свободна от препятствий, затрудняющих сканирование или маскирующих течь. Требуется как минимум одно отверстие для заполнения объекта трассирующим газом либо для соединения внутреннего объёма с вакуумной линией и детектором. Отверстия не требуются, если до герметизации объект был заполнен газом, который может быть использован как трассирующий, либо если применяется испытание «прессование — вакуумирование» (бомбардировка).
Для создания потока рабочей среды через течь необходим перепад давления. Если объект является сосудом, работающим под давлением, он должен выдерживать испытательный перепад давления. Если объект не является сосудом под давлением, его прессование допускается только после подтверждения, что он рассчитан на соответствующий перепад давления. Конструкция должна исключать необратимые изменения объекта в ходе испытаний и не должна создавать угрозу для персонала.
Вакуум или испытательная среда должны быть совместимы с материалами объекта. Вакуумные испытания могут быть затруднены наличием пористых материалов, органических веществ (пластики, резины, смазки и т. п.). Некоторые трассирующие газы несовместимы с отдельными материалами и могут вызывать коррозию, сорбцию или пермеацию. Например, газы на основе галогенов (за исключением SF6) непригодны для испытаний никелевых сплавов и нержавеющих сталей; аммиак несовместим с медью и её сплавами; гелий или водород могут вызывать проблемы с некоторыми эластомерами и полимерами из-за значительной пермеации. Состояние поверхности также может ограничивать применимость некоторых техник или влиять на их результаты (например, затруднение откачки, недостаточная герметичность уплотнений в вакуумных коробках, ложные индикации при пузырьковом методе).
8.4 Эксплуатационные и испытательные условия
Как правило, в целях повышения чувствительности, снижения опасности или загрязнения применяется испытательная среда, отличная от эксплуатационной. Различия свойств этих сред должны учитываться, чтобы избежать неверных результатов из-за физических или химических явлений (см. совместимость материалов) и, при необходимости, корректно оценить истинную утечку при эксплуатационных условиях.
По возможности испытание следует проводить при том же направлении потока утечки и в том же диапазоне давлений, что и при эксплуатации. Если это невозможно, отклонения от эксплуатационных условий должны быть указаны в протоколе испытаний. Течи могут вести себя по-разному при реверсе потока, особенно если элементы из эластичных или пластичных материалов (пружины, диафрагмы, прокладки) являются частью граничной стенки. Скорость утечки также может существенно изменяться в зависимости от режима газового течения (вязкий/молекулярный). Обычно требуемый перепад давления для проявления течи невелик и не превышает 0,1 МПа. В отдельных случаях может потребоваться приложить фактическое рабочее давление, чтобы выявить влияние деформаций конструкции на герметичность.
Обычно испытания выполняются при комнатной температуре. Тепловое расширение при отличающейся температуре может вызывать напряжения и геометрические деформации, что влияет на размер течи и, следовательно, на скорость утечки, причём это может проявляться только в периоды изменения температуры. В испытаниях по изменению давления в ряде случаев в больших объектах или между частями системы могут возникать неизвестные и переменные температурные градиенты, что способно сделать результаты недостоверными; такие изменения следует учитывать.
Испытания могут выполняться на комплектующих, узлах или собранном изделии. Испытания узлов позволяют избежать дорогостоящего ремонта на поздних этапах. В этом случае можно повысить чувствительность испытаний за счёт применения временных уплотнений или улучшения герметичности прокладок посредством заглушек или сварки. Если объект контроля является частью смонтированной установки, он должен быть изолирован заглушками. Если это невозможно, скорости утечки в точках подключения следует измерить при испытательном давлении и вычесть из общей утечки объекта.
8.5 Факторы безопасности и экологии
Опасность из-за перепада давления. Контроль герметичности может выполняться путём создания перепада давления посредством вакуумирования или приложения внутреннего избыточного давления. В обоих случаях необходимо, чтобы изготовитель гарантировал прочность объекта при данном перепаде давления и отсутствие деформаций, способных причинить вред персоналу или повредить оборудование. Многие масс-спектрометрические течеискатели содержат ловушки, охлаждаемые жидким азотом. При их нагреве могут возникать давления выше атмосферного, способные привести к механическим повреждениям, поэтому рекомендуется следовать принятым процедурам вентилирования.
Опасные вещества. Объект испытаний может содержать опасные вещества. Это должно быть учтено, и до начала испытаний следует принять меры по предотвращению их выхода. Все газы должны обращаться с осторожностью, необходимо учитывать свойства испытательного газа. Аммиак, например, токсичен и горюч, в присутствии влаги может быть коррозионно активным; он требует абсорбционной очистки и последующей нейтрализации. Газы, содержащие галогены, наносят значительный ущерб верхним слоям атмосферы. Большинство газов, включая инертные (гелий) и азот, являются асфиксантами.
Электрическая опасность. Во многих вакуумных компонентах, включая датчики полного давления и масс-спектрометры, используются высокие напряжения. Поэтому всегда следует учитывать электрическую безопасность и обеспечивать адекватную защиту всех электрических компонентов или частей системы, способных вызвать разряд.