Назначение учебного пособия
В материалах учебного пособия рассматривается широкий комплекс нормативных документов, регулирующих методы контроля герметичности, требования к оборудованию и квалификации персонала. Знание этих документов обеспечивает соответствие испытаний действующим стандартам и повышает безопасность эксплуатации промышленного оборудования.
В России контроль герметичности регламентируется рядом ГОСТ и отраслевых документов. Базовым является ГОСТ Р 50.05.01-2018, устанавливающий унифицированные методики испытаний, требования к расчёту порогов браковки и оформлению результатов. Для масс-спектрометрических методов применяется ГОСТ 28517-90, а ГОСТ Р 51780-2001 и ГОСТ Р 59286-2020 задают общие принципы испытаний технологического оборудования, трубопроводов и арматуры. В атомной отрасли действует ПНАЭ Г-7-019-89, а для арматуры и машиностроительных изделий — ГОСТ 9544-93, ГОСТ 24054-80 и ГОСТ Р 51827. Дополнительно Ростехнадзор утвердил ряд нормативов (НП-084-15, НП-089-15, НП-104-18, НП-105-18), регламентирующих испытания на опасных производственных объектах.
Международные стандарты включают ISO 20485:2017 и ISO 3530-1:2012, определяющие методы и требования к контролю герметичности для промышленного оборудования и машиностроения. ISO 9712:2021 регулирует квалификацию специалистов неразрушающего контроля, включая течеискателей. В Европе применяется EN ISO 20485 (прежний DIN EN 1779:1999), а в США — ASTM E498 и ASTM E499 для вакуумного и масс-спектрометрического течеискания в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Знание и применение нормативных документов позволяет специалистам:
– выбирать оптимальный метод контроля в зависимости от конструкции изделия и условий эксплуатации; – рассчитывать порог браковки с учётом давления, температуры и срока службы оборудования; – обеспечивать прослеживаемость результатов испытаний с использованием калиброванных эталонных течей; – готовить документацию и протоколы испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ, ISO, DIN и ASTM.
Общие понятия, термины и определения
Первое, что важно учитывать конструкторам при установке требований к изделиям и специалистам по контролю герметичности, — это то, что абсолютно герметичных систем в природе не существует. Даже изделия с полностью металлическим корпусом при тестировании с использованием гелия покажут определённый поток утечки на высокочувствительном оборудовании.
Чем жёстче требования к герметичности, тем сложнее, дольше и дороже процесс контроля. Поэтому ключевая задача инженера-конструктора — это грамотное определение порога браковки, то есть того уровня, который отделяет герметичное изделие от дефектного. Излишне завышенные требования к герметичности могут не только усложнить испытания, но и неоправданно увеличить затраты на производство.
Часто заказчики не владеют информацией о необходимом пороге браковки для их изделия. Этот параметр можно определить, анализируя условия эксплуатации, предполагаемый срок службы и допустимое снижение давления, соответствующее задачам конечного использования оборудования.
Неплотность — сквозной дефект в стенке конструкции или в местах соединений ее элементов, через который может пройти газ или жидкость. Для неплотности характерно наличие канала неправильной геометрической формы, соединяющего внешнюю и внутреннюю поверхности стенки конструкции. При контроле герметичности геометрические размеры канала неплотности не определяют, оценивают лишь диаметр эквивалентного цилиндрического канала, через который пройдет равное количество газа или жидкости, принимая длину канала равной толщине стенки в зоне расположения неплотности. Такую оценку диаметра эквивалентного канала можно произвести после измерения потока, проходящего через неплотность.
Один из интересных случаев, связанных с испытаниями на герметичность, произошел на заводе по производству медицинского оборудования. Предприятие разработало инсулиновые помпы, которые должны были быть герметичными, чтобы защитить электронные компоненты от проникновения влаги и пыли, а также обеспечить безопасность лекарства внутри устройства от бактерий.
На стадии финальных испытаний инженеры заметили, что у нескольких партий устройств наблюдается незначительное снижение давления при тесте манометрическим методом. Проблема приобрела критический характер, так как даже минимальная утечка могла нарушить стерильность препарата и привести к риску для пациента.
Было решено использовать гелиевый течеискатель для поиска источника проблемы. Устройства помещали в герметичную камеру, заполняли её гелием, а затем измеряли накопление гелия во второй вакуумной камере. Спустя несколько тестов инженеры выяснили, что проблема заключалась в слабом прилегании крышки, закрывающей резервуар с лекарством. Зазор был настолько мал, что не был обнаружен во время стандартных проверок – единицы микрометров эффективным диаметром.
Использование высокочувствительного течеискателя позволило быстро выявить дефект, и конструкторы внесли изменения в процесс сборки. Новый метод проверки был добавлен в производственную цепочку, и все устройства из потенциально бракованных партий были изъяты для доработки.
Визуально утечку практически никогда не удаётся обнаружить, даже если в конструкции присутствует дефект, такой как трещина на стыке сварки двух разнородных металлов. Такие микродефекты могут быть невидимы не только невооружённым глазом, но и при увеличении, так как их размеры составляют доли микрона, а сами они могут находиться под оксидной плёнкой или в глубине шва. Внешне соединение может выглядеть абсолютно герметичным, однако при подаче газа под давлением атомы гелия проникают через мельчайшие зазоры, указывая на наличие утечки.
Из-за сложности обнаружения подобных дефектов визуальным методом в промышленности применяются высокочувствительные гелиевые масс-спектрометры.
Поток через неплотность — количество газа или жидкости в объемных единицах, проходящее через неплотность в единицу времени при действующем перепаде давления. Это основной термин, используемый при рассмотрении вопросов контроля герметичности, от которого получены несколько производных терминов (течь, натекание, утечка).
Существуют допустимые и недопустимые потоки через неплотность. Величины этих потоков для конструкций, проверяемых на герметичность, устанавливаются в технических условиях. Обнаруженные неплотности с допустимыми потоками обычно не устраняются. Однако если причиной потока является трещина, которая при эксплуатации может привести к преждевременному разрушению конструкции, неплотность устраняют или бракуют изделие, независимо от величины потока.
Величина течи — поток воздуха через течь при перепаде давления из атмосферы в вакуум при нормальных условиях, при том, что канал дефекта полностью освобожден от жидкостей и загрязнений.
Индикаторное вещество — вещество, которое взаимодействует с пробным веществом и формирует сигнал о наличии течи.
Индикаторное средство — индикатор, содержащий индикаторное вещество, его носитель и/или технологические добавки.
Испытания на герметичность — испытания, проводимые для контроля характеристик герметичности изделия при его функционировании или при моделировании воздействий на него.
Испытания на герметичность проводятся с использованием пробных веществ, способных проникать через течи под действием перепада давления и напряжений в конструкции, моделирующих рабочие условия.
Необходимо всегда стремиться к тому, чтобы проводить испытания на герметичность газом на рабочем давлении объекта контроля. Не превышая рабочее давление, а соответствуя ему, что позволит смоделировать реальные условия эксплуатации и не приведет к образованию дополнительных дефектов, связанных с перенапряжениями конструкции.
Испытания на герметичность — это контрольные испытания, проводимые для контроля качества объекта с целью установления соответствия характеристик объекта заданным требованиям.
Контрольная среда — газ или жидкость, содержащие установленное количество пробного вещества.
Контрольная течь — образец с реальными или искусственными течами определенной величины, предназначенный для воспроизведения определенного расхода пробного вещества через течь.
Как правило, контрольная течь является калиброванным или поверенным объектом, то есть этот контрольный образец может быть передан в лабораторию для периодического измерения его потока и выдачи на него соответствующего свидетельства. Это позволяет проводить оценку качества контроля герметичности, не отправляя в лабораторию сам прибор контроля – течеискатель, а обходясь для данного процесса отправкой эталонного источника течи.
Негерметичность — проникновение веществ через течи изделия или его элементы.
Пороговая чувствительность системы контроля — наименьшая величина течи, выявляемая при контроле герметичности данной системой контроля.
Пороговая чувствительность способа контроля — наименьшая величина расхода пробного вещества, регистрируемая при контроле герметичности данным способом.
Следует помнить, что чувствительность системы контроля герметичности всегда меньше, чем чувствительность отдельно течеискателя. Это связано с влиянием дополнительных средств, включенных в систему, таких как щупы, трубопроводы, гибкие сильфоны, датчики, тройники и переходники, которые снижают эффективную быстроту откачки и влияют на фон гелия. Это в конечном итоге влияет на чувствительность измерительной системы.
Пороговая чувствительность течеискателей — наименьшая величина расхода пробного вещества, регистрируемая данным течеискателем.
Поток воздуха (газа) — расход, выражаемый произведением давления на объем в единицу времени.
Пробное вещество — вещество, проникновение которого через течь обнаруживается при контроле герметичности. В зависимости от метода контроля герметичности, в качестве пробных веществ используются контрольные или рабочие среды и их добавки.
Рабочая среда (вещество) — вещество (газ или жидкость), заполняющее герметизированное изделие при эксплуатации или хранении.
Реалистичная течь — искусственно введенная в контрольный образец течь, имитирующая реальную течь.
Правило размещения течи при оценке качества установки контроля герметичности состоит в том, что течь располагается в самом дальнем краю изделия, объекта контроля или вакуумной камеры, наиболее удаленном от течеискателя. Таким образом мы моделируем наличие наиболее сложно выявляемого дефекта, и установка должна его корректно зафиксировать с учетом работы течеискателя, дополнительных вакуумных насосов, а также качества поверхности камеры, ее загрязненности и фона гелия. Особенно важно проводить такую настройку на больших объектах контроля.
Реальная течь — течь, образовавшаяся в объекте контроля во время его производства или эксплуатации без преднамеренного вмешательства.
Система контроля герметичности — совокупность способа контроля герметичности, способа подготовки объекта контроля, средств контроля и оснастки, необходимой для проведения контроля.
Классы герметичности изделий
Определение геометрических размеров течей – это весьма трудная и, как правило, неразрешимая задача, поскольку течь — это канал совершенно неопределенной формы. Поэтому в технике течеискания о наличии течей судят по количеству газа или жидкости, протекающему через них в единицу времени. Поток течей для изделия с объемом V при постоянном изменении давления ∆P во времени ∆t определяется по формуле
Для сквозных течей характерно постоянное соотношение изменения давления за равные промежутки времени вплоть до стабилизации на уровне атмосферного давления. Таким образом можно отделить реальную сквозную течь в объекте контроля от натекания, связанного с дегазацией внутренней поверхности. Вакуум будет ухудшаться постоянно с одинаковой скоростью вплоть до атмосферного давления при наличии в изделии сквозного дефекта. Если в изделии не сквозной дефект, а активная дегазация с внутренних поверхностей, то вакуум будет ухудшаться с переменной скоростью: сначала быстро, а потом стабилизируется на определенном уровне, не дошедшем до атмосферного давления. Не стоит исключать, что два случая могут существовать одновременно в одном объекте контроля.
Поток газа в Международной системе единиц измерения СИ задается в Па·м3/c. Поток течи Q = 1 Па·м3/с наблюдается, когда в закрытом, вакуумированном изделии объемом 1 м3 давление повышается на 1 Па в секунду. Соотношение определено при разнице давления между внешней и внутренней стенками изделия в одну атмосферу для газа – воздуха, проникающего внутрь при нормальных условиях, при температуре 25 градусов Цельсия. Подобным же соотношением можно определить скорость утечки рабочего газа из заполненного изделия при наличии в нем определенного дефекта.
Поток течи 5 × 10⁻¹³ Па·м³/с соответствует эффективному диаметру отверстия 1 ангстрем (Å); это нижний предел обнаружения современных гелиевых течеискателей. Поскольку постоянные решетки для многих твердых тел составляют несколько Å, а диаметр более мелких молекул (H₂, He) — около 1 Å, то внутренняя газовая проницаемость через твердые тела может быть измерена с помощью гелиевых течеискателей. То есть речь на малых течах идет не о сквозных дефектах, а о газовой проницаемости материалов.
На графике ниже приведена статистика обнаруженных течей в соответствии с их потоком. На графике видны два распределения. Первое, с пиком в районе 10⁻⁵ Па·м³/с, соответствует сквозным утечкам. Это наиболее частые выявляемые утечки, связанные с дефектами конструкции.
В диапазоне 10⁻¹³–10⁻9 Па·м³/с играет основную роль газовая проницаемость. То есть выбранный материал не обеспечивает удержание рабочего газа и становится причиной утечки не из-за дефектов, а из-за своей структуры. Поэтому на этапе проектирования важно учитывать газовую проницаемость материалов в отношении конкретных рабочих газов. Газовую проницаемость можно измерить с помощью специальных приборов, называемых квадрупольными масс-спектрометрами. Поток 1 × 10⁻12 мбар.л/с равен 1 × 10⁻13 Па·м³/с.
Пороговое значение допустимой течи для объекта контроля в нормативной документации и в конструкторской документации должно задаваться по газу воздуху при нормальных условиях при перепаде давления в одну атмосферу. Это позволяет не быть привязанным к определенному методу контроля герметичности, а выполнять работы по контролю различными методами, например гелиевым масс-спектрометрическим методом: способом вакуумной камеры, способом щупа, способом обдува; а также манометрическим методом и другими. Дефект остается неизменным, и результат должен получаться согласованным.
Отметим, что пороговая чувствительность современных гелиевых течеискателей составляет 5·10-13 Па·м3/с. Это задает максимальную чувствительность и минимальную определяемую течь. Интересным вопросом является, сколько атомов газа, проникающих в систему, соответствует этой пороговой чувствительности. Ответом будет – порядка 100 миллионов атомов в секунду.
Мы должны понимать, что даже на самой высокой чувствительности течеискателя речь идет не о отдельных атомах гелия, а о статистически больших количествах газа – миллиарды молекул в секунду. При этом мы говорим о самом высокочувствительном методе контроля герметичности – гелиевом масс-спектрометрическом.
Требования к герметичности объектов контроля должны быть определены разработчиком (конструктором) и указаны в конструкторской документации в виде класса герметичности. Эти требования могут также включать конкретные методы и системы контроля герметичности.
Класс герметичности определяет группу методов (систем) контроля герметичности, пороговая чувствительность которых находится в определенном диапазоне величин и количественно характеризует величину течи объекта.
| Класс герметичности | Диапазон величин предельно допустимого потока воздуха через течь объекта контроля при рабочем давлении, Па·м³/с |
|---|---|
| I | от 5·10⁻¹¹ до 5·10⁻¹⁰ |
| II | от 5·10⁻¹⁰ до 5·10⁻⁹ |
| III | от 5·10⁻⁹ до 5·10⁻⁷ |
| IV | от 5·10⁻⁷ до 5·10⁻⁶ |
| V | от 5·10⁻⁶ до 5·10⁻⁴ |
Изделие соответствует определенному классу герметичности, если на испытательной установке, которая имеет чувствительность в пределах данного класса герметичности, не обнаружен поток газа, превышающий верхнюю границу для соответствующего класса герметичности. Классы герметичности в различных отраслях могут иметь другую мантиссу, например, начинающую с 6.7, но при этом общее количество классов, как правило, остается указанным и равным пяти.
Для определения массового расхода газа или интенсивности утечки газа можно использовать уравнение состояния для идеальных газов через соотношение:
,
где: ∆m/∆t - массовый расход газа, Q - интенсивность утечки газа, M - молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная, T - температура газа.
Это соотношение позволяет определить массовый расход газа при известной интенсивности утечки, либо интенсивность утечки при известном массовом расходе газа. Вы можете использовать это уравнение для анализа процессов, связанных с утечкой газа в системе, и определения необходимых параметров.
Существует множество различных внесистемных единиц измерения потока газа, используемых в вакуумной технике. В приведённой таблице указаны основные параметры соответствия системной единицы — кубометр-Паскаль в секунду (м³·Па/с) — с наиболее часто применяемыми альтернативными единицами. Современные приборы для контроля герметичности обычно поддерживают возможность отображения данных в удобных для вашего предприятия единицах измерения, что упрощает их использование.
Для унификации измерений мы настоятельно рекомендуем ориентироваться на международную систему единиц (СИ). Использование предложенной таблицы соответствий позволит избежать ошибок при интерпретации результатов и обеспечит корректное сопоставление данных между разными приборами и стандартами.
