От аквариума к гелию — технологии контроля герметичности

М.Л. Виноградов, к.т.н. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», руководитель отдела контроля герметичности ООО «Вактрон», Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Журнал Gasworld Выпуск 54: Январь - Февраль 2017

Контроль герметичности, проведенный ненадлежащим образом, является причиной выхода из строя многих технических устройств. Утечка тормозной жидкости в автомобиле может привести к ДТП, течь керосина из топливной системы самолета – к аварийной посадке, нарушение целостности контура циркуляции теплоносителя АЭС – к глобальной катастрофе.

Выбор метода течеискания для изделия следует осуществлять исходя из значения нормы герметичности – наибольшего допустимого суммарного потока вещества через течи изделия. Норма герметичности учитывает назначение, конструкцию, срок службы, условия эксплуатации объекта и, как правило, устанавливается нормативно-технической документацией.

Поток течи и норма герметичности указываются при стандартных для течеискания условиях, которым соответствуют перепад давлений между внутренней и наружной стороной изделия 10⁵ Па, пробный газ – воздух, температура – 298 К. Единицей измерения потока течи в системе единиц СИ является Па^.м³/с.

Миф об абсолютной герметичности

В редких случаях изготовитель оборудования знает, какая норма герметичности должна быть у проверяемого изделия. Чаще всего он считает, что течей не должно быть совсем. Однако, исходя из физики диффузии и проникания газов через твердые тела, это невозможно. Вследствие наличия микротрещин, несовершенства уплотнений и диффузии газов, любое изделие с внутренним объемом имеет течи с потоком, отличным от нуля [1].

Из таблицы 1 видно, что для изготовления герметичного фильтра для воды следует обеспечить суммарный поток течей не более 10^-3 Па^.м³/с, топливной системы – не более 10^-6 Па^.м³/с, а блистерной упаковки контактных линз, защищающей содержимое от вирусов и бактерий, – не более 10^-7 Па^.м³/с. Данный поток измеряется с помощью приборов, называемых течеискателями. Выбор значения нормы герметичности, аппаратуры и способа реализации поиска течей должен осуществляться специалистом, аттестованным в области неразрушающего контроля [2].

Таблица 1 — Проникание веществ и норма герметичности

Теплообменное оборудование: от аквариума к манометру

Технологии контроля герметичности теплообменников, радиаторов и интеркулеров значительно изменились за последние годы. Если раньше в основном применялся аквариумный метод контроля, то в настоящее время внедряются автоматические системы течеискания с возможностью количественной оценки суммарного потока течей.

При контроле аквариумным методом изделие, заполненное пробным газом под избыточным давлением, погружается в жидкость. Газ, выходящий из трещин в изделии, образует пузыри, которые могут быть зарегистрированы оператором.

Недостатками аквариумного метода являются возможность пропуска течей из-за влияния оператора на процесс измерения, вероятность закупорки течей под действием капиллярных сил и трудность количественной оценки интенсивности истечения. Минимальный достоверно регистрируемый поток для данного метода, как правило, ограничен значением 10^-3 – 10^-4 Па^.м³/с.

Этих недостатков лишен манометрический метод течеискания. Он применяется в производстве теплообменников для современных танков, бронированных машин, грузовиков и автомобилей. В этой отрасли достоверность результатов контроля герметичности имеет ключевое значение.

Данный метод реализуется с помощью манометрического течеискателя, автоматизированного прибора для серийной проверки изделий с помощью высокочувствительного датчика дифференциального давления. В течеискателе установлен эталонный герметичный объем, изолированный от измеряемого объекта чувствительной к перепаду давления мембраной.

В объекте и эталонном объеме создается одинаковое давление. При наличии течи баланс давлений нарушается, и мембрана деформируется. По изменению емкости конденсатора, обкладкой которого служит указанная мембрана, производится расчет величины течи.

Применение данных систем в производстве позволило предотвратить установку бракованных радиаторов в серию грузовых машин.

Вы можете скачать документ Скачать

Авиация и космос: гелий – основной агент течеискания

Крупнейшей отраслью, где применяется контроль с наивысшими требованиями к герметичности, является аэрокосмическое аппаратостроение. Негерметичность корпуса космического аппарата на орбите приводит к опасной для жизни экипажа ситуации. Негерметичность системы подачи топлива при пуске ракеты-носителя – к немедленному взрыву.

Статистика аварийных запусков ракет-носителей, отказов систем авиационной техники и число сопутствующих аварий различных типов заставляют с каждым новым происшествием обращать внимание на контроль герметичности в отрасли.

Для поиска течей в авиационных и космических системах используются гелиевые масс-спектрометрические течеискатели. Статический магнитный масс-анализатор, устанавливаемый в таких приборах, обеспечивает минимальный достоверно регистрируемый поток до 5^.10^-13 Па^.м³/с, что является лучшим показателем среди различных методов течеискания.

Для максимальной чувствительности испытаний в авиационной и космической отраслях рекомендуются способы гелиевой и вакуумной камеры.

Способ гелиевой камеры заключатся в том, что изделие устанавливается на вход течеискателя, его внутренняя часть вакуумируется. С внешней стороны изделия устанавливается герметичная камера, которая сначала откачивается форвакуумным насосом, а потом заполняется гелием. Поток гелия, проникающий через течи в изделие, регистрируется течеискателем.

Способ вакуумной камеры предполагает откачку внутренней области изделия насосом и заполнение гелием. Изделие закрепляют в вакуумной камере, которая соединена с системой гелиевого течеискателя. Гелий, истекающий из внутренней части изделия в камеру, регистрируется масс-спектрометром течеискателя.

На практике рекомендованные способы часто заменяются способом накопления при атмосферном давлении. Преимуществом данной замены, по словам специалистов РКК «Энергия» [3], является получение экономической выгоды за счет отказа от дорогостоящих вакуумных камер и высокопроизводительных откачных систем.

Однако, экономические преимущества достигаются за счет снижения достоверности контроля герметичности по следующим причинам:

• пороговая чувствительность течеискателя при атмосферном давлении на четыре порядка ниже, чем в режиме вакуумной камеры;
• транспортировка гелия от места истечения до анализатора течеискателя при атмосферном давлении осложнена по сравнению с режимом вакуумной камеры за счет снижения длины свободного пробега атомов и наличия фонового уровня гелия, содержащегося в воздухе;
• калибровка системы контроля герметичности, работающей при атмосферном давлении, является нетипичной задачей. В данном случае исключается применение мер потока, входящих в государственный реестр средств измерений РФ.

Организация контроля герметичности в авиационной и ракетно-комической промышленности требует внедрения не только нового оборудования, но и современной методологической основы, а также проведения независимого аудита методик и инструкций.

Гелий для поиска подземных течей

Новая методика и оборудование для поиска утечек в подземных трубопроводах разработаны в университете СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и внедрены компанией ООО «ВАКТРОН». Методика позволяет находить утечки непосредственно через слой земли, асфальта, бетона, не выкапывая весь трубопровод. На рисунке 1 показан процесс поиска течи в подземной системе снеготаяния.

 

Рисунок 1 – Процесс поиска течи в подземном трубопроводе с помощью гелия

Производительность контроля герметичности в несколько раз выше, чем у существующих методов. При контроле с помощью гелия стыковые соединения, тройники, клапаны не затрудняют процедуру поиска дефектов. Чувствительность контроля не менее, чем в сто раз выше по сравнению с альтернативными методами.

Методика состоит из трех этапов:

1. заправка гелием;
2. диффузия гелия наверх через течи сквозь землю, глину и асфальт;
3. регистрация гелиевыми течеискателями.

На данный момент специалисты имеют стопроцентный результат выявления течей в подземных системах. Проведены работы на объектах с общей протяженностью трасс более пятнадцати километров.

Заключение

Знания являются основой культуры производства. Методические и организационные проблемы процесса поиска дефектов подлежат обсуждению в коллективе специалистов по контролю герметичности с различных предприятий.

Дискуссионной площадкой для обсуждения этих вопросов выступают аудитории СПбГЭТУ «ЛЭТИ», где дважды в год проводится круглый стол по проблемам поиска дефектов и контроля герметичности – «Основы течеискания и вакуумной техники».

В работе семинара по вопросу техники контроля герметичности в области аэрокосмического приборостроения в 2016 году приняли участие представители ведущих предприятий отрасли: корпорация Комета, научно-проектный центр оптоэлектронных комплексов наблюдения, ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва, арзамасское научно-производственное предприятие «ТЕМП-АВИА», завод экспериментального машиностроения РКК «Энергия».

Специалисты ООО «ВАКТРОН» приглашают читателей к сотрудничеству в области течеискания и будут рады совместным работам по подготовке рабочих мест контроля герметичности, разработки методик и оборудования для задач неразрушающего контроля.

Литература

1. Виноградов М.Л. и др. Анализ чувствительности методов течеискания и способ ее повышения // Контроль. Диагностика. 2016. № 5. С. 36-42.
2. Vinogradov M. L. et al. Gas Permeation through Vacuum Materials //Vakuum in Forschung und Praxis. – 2015. – Т. 27. – №. 3. – С. 26-29.
3. Разработка, экспериментальная отработка и практическое применение высокочувствительных испытаний на суммарную герметичность гермоотсеков и пневмогидравлических систем крупногабаритных изделий космической техники без использования вакуумных камер / Зяблов В.А., и др. // Космическая техника и технологии № 1(12)/2016