NASTAJANJE STANDARDOV O NETESNOSTI SISTEMOV IN NAPRAV Andrej Pregelj, Janez Novak, Marjan Drab, lEVT, Teslova 30, Ljubljana
Preparative standards for leak detection of systems and devices
ABSTRACT
Thdr« IS an incrMSed number ot products and IdchrtolO^es where vacuum lightness ol vessels tvb«s isofmam irrpoftanc« Th«it c* mir>or tightness assures goM artd appropfiate maini«ndnc€ of over or under pressure Criical points where leak can Da axpectaa wjtn great po&siDility, are usually as follows fittings, demoumable connections, gaskets, welded and soldered |0*nt$, defects in matenal. etc CXia to mo«e and more pretentious 'equ'rements regarding the pfoducis Quality (ISO 9000). in practice we come across with present reguations and standards which include also leak testing methods among wnich the ma»n p<ocedures ar& coonected with vacuum technique Regarding to relalrvely to scarce knowledge m this field al users ar>d to the faci thi$ sphere has not been treated try ISO ye<, the European standard organeation {CEN) pfeparas m ihe (rame Of nondestructive tesong als« the chaptureson laak hghtne&s The COnlriOuQon represents the Das*cs of leak detection and the actual state o' Ihe C€N drafts
POVZETEK
Vse več |e izdelkov m tehnologij, kjer hermetičnost posod in cavnin SiStemov igra pomembno vlogo, njihova večja ah manjša tesnost namreč zagotavlfa primerno dODro vzdrževanje nadtlaka 02 podllaka Nevarna mesla, kje* netesnost (leak) lahko z veliko verjetnostjo pričakujemo so navadno spojKe tesnila, vaoeni m spajkani spoji napake v materialu rtd Zaradi vse večjih zahtev po kakovosti proizvodov (ISO 9000) se v tehniški praksi vedno pogosteje srečujemo s predpisi o preverianju i^snosli Za to obstala metod katenh najpomembnejša so vezane na vakuurnsho lehniko. Ker |e tovrstno znanie med uporat>iiki šibko in ker ISO lega področja se n^ma obdelanega, pripravlja Evropski komite za standardizacijo (CEN) v okviru napotušnih metod preskulania tudi poglavja o p<ever|an|u tasnosti Prispevek podata osnovne poslopKa 'leak-detekcije' in predstavitev standardov, hi jih pnpravlja CEN
1 UVOD
Pri proizvodnji elementov, katerih pcrrkernben delež kvalitete je hermet«nost ovojnice in podobno pri stro» Jih, ki morajo neprodušno ločevati posamezne medije, se vedno pogosteje srečujemo s predpisi c preverjanju tesnosti Pri tem je treba nujno poznati naslednje pos* topke:
ugotavljanje tesnosti oz. netesnosti določanje velikosti puščanja - iskanje in določitev mesta puščanjd
Obstaja več različnih metod za izvajanje naštetih nalog. Med njimi m univerzalne, ampak so posamezne primerne le za določene velikosti puščanja oziroma uporabne le za določene tehnologije; tudi cene izvedbe kontrole po enem ali drugem načinu niso enake. Zato je prav, da znamo Izbrati najpreprostejšo, ki pa še zadovoljuje zahteve v predpisanem preizkusu
V slovenskem prostoru pridejo omenjeni postopki v poštev pri izdelovalcih tlačnih posod, hladilnih agregatov, posod za aerosole, prehrambnih konzen/. specialnih ventilov, hermetfčno zaprtih elektronskih kompo» nent, v reaktorski tehniki, pri uporabi nekaterih ana-liznih metod v raziskovalno-razvojnih laboratorijih Itd.
Nevarna mesta, kjer netesnost (leak) lahko z veliko verjetnostjo pričakujemo, so navadno: spojke, tesnila, varjeni tn spaikani spoji, napake v materialu (pore), vrsta matenala (permeacijd skozi nekatere snovi) itd. Literatura piše tudi o takoimenovanih navide^ih puščanjih (virtualni leaki); to so notranji izviri plinov in par, npr, desorpcija z umazanih pcvršm, izhajanje iz sJabO "prezračenih" prostorčkov In razpok. Ker razen v Ožjem krogu s1rokovn|akov, vezanih na vakuumsko znanost, postopki določanja netesnosti (leak detekctje) niso dovolj poznani, je prav, da tej problematiki posvetimo več pozornosti.
2. METODE ODKRIVANJA NETESNOSTI
Osnovni poskus, ki razlaga nelesnost zaprtih posod, poznan pod nazivom "metoda naraSčanja tlaka", je prikazan na sliki 1. Posodo oz. sistem znanega volumna (V), ki ga preskušamo, je priključen na črpalko preko ventila. Po izčrpanju zapremo ventil m potem registriramo, kako se tlak (p) v posodi spreminja (Ap) v določenem časovnem intervalu (At). V praksi se v večini primerov pojavljajo štiri možnosti, ki jih prikazujejo narisani diagrami. Iz njihovih oblik navadno lahko sklepamo o vrsti puščanja oz o irviru plinskega dotoka. iz podatka o naklonu krivulje pa lahko izračunamo velikost puščanja:
Q a Ap.V/At (mbarl/s)
Tako določeni pretok le merilo za velikost netesnosti. in to ne giede na njeno oblikovanost (špranja, razpoka, Izvrtina. poroznost,...). Iz enačbe izvira tudi enota za velikost puščanja; to je "mbar l/s" Navadna puščanja Imajo vrednosti med 10 m 10 mbar l's. Seveda lahko preverjanje "tesno-netesno" izvedemo celo bolje kot z zrakom, tudi s kakim drugim plinom, npr, s helijem, ki Ima majhne molekule in je zato zelo pronidjiv Tovrstni postopki ne zahtevajo dragih naprav, vendar z njimt ne ugotovimo mesta puščanja.
Za odkrivanje mesia puščanja obstaja več metod Možno Jih je zdmzevaü po različnih zna6lnostih (npr glede na uporabo tlaka oz. podtiaka. glede na fizikalni pnncip na vrsto plina, na velikost puščanja itd), vendar za prakso to m pomembno, V nadaljnjem sestavku jih na kratko predstavljamo po vrstnem redu: od preprostejši h do bolj zahtevnih.
Metoda nad pritiska. Posodo, ki jo želimo preskusiti na tesnost, napolnimo s tekočino ali plinom. Kot tekočino navadno uporabimo vodo iz hišne napeljave Mokra mesta na zunanji površini nam pokažejo groba puščanja ("velike luknje"), pa tudi manjša, tja do velikosti približno 1 mbar l/s. Pn preskušanju s plinom pa v posodo natlačimo zrak do nekaj barov (toliko, daje še varno, glede na debelino stene in vrsto matenaJa) ter jo potopimo v vodo. Izhajajoči mehurčki (bubble method) pokažejo r>etesnosti do velikosti 1.10*3 mbar I/s. v pnmeru, da je posoda prevelika za potopitev, premažemo sumljiva mesta z milnico In spet opazimo me-
MERILNIK TLAKA
(5>
PISALNI K

POSODA {PROSTORNINE V), KI JO PRESKUŠAMO
X VENTIL
VAKUUMSKA ČRPALKA
('•ibar v%]
Slika ^ Preizkušanje posode, ki pušča, po metodi nar^čan/a tlaka. Rezultat so diagrami, iz katenh lahko SKiepamo o stenju posode:
a - posoda /d fesna in čista (ni pusčenie. ni desorpciie; p=konst. b - ni tesna, toda je čista (idealen 'laak";	O^WflSfJ
C • /9	lods ni Čistd (pojavila sg sämo razphnfsnjo oz. dosofpdja; tluk močno naraščo k' začetkuj
d' kombinacija b) inc). toref nastopatanetesnosim desorpcija
hurčke na netesnih mestih. Metoda omogoča odkri-vanfe puščanja do mbar l/s In je uporabna tudi za zelo velike sisteme,
Penetracijska metoda. To je priredba tehnike, ki $e uporablja za iskanje razpok v zvarih in defektov v materialih. Preskusna tekočina je zelo redka in ima dobro omočljlvost. Z njo namaiemo sumljiva mesta st^nd na eni (navadno na nadtlačni} strani; v primeru prisotnosti puščanja pnde do prodiranja skozi por^ v materialu {penetracija} in na drugi strani zasledimo barvo preizkusne tekočine. Metoda jd enostavna, poceni in pusti označbo lokacije. Omogoča zaznavanje pušča* n|a do 10^ mbar l/s.
Metoda s Teslovim prelzkuševalnlkom je uporabna za iskanje nelesnosti na steklenih sistemih. Konica detektorja je antena visokofrekvenčnega Teslovega transformatorja, ki v svojo okolico oddaja elektromag* netno valovanje. Taka valovanja povzročajo v razred* čenih plinih nastanek svetleče plazme. Pojav izkoristimo tako, da s s^vajooo anteno "potujamc" ob sumljivih delih steklene posode. Ker smo posodo prej izčrpali (na grobi vakuum 1 -O.Oi mbar), se v notranjost) pojavi svetloba. Ko pa se približamo netesnosti. opazimo, da skoznjo izhaja plazma v obliki izostrenega žara (iz vakuuma v atmosfero) proti kcxiiol antene. S tem je mesto puščanja natančno pokazano.
Akustična metoda temelji na zvočni oz. ultrazvočni energiji plii%a, ki ekspandira skozi odprtino. Komprimi-ran plin izteka iz preizkušanca skozi pore, katerih položaj lahko od zunaj zaznamo z občutljivim mikrofonom (navadno frekv. 40 kHz). Postopek se precej uporablja pri visokotlačnih napeljavah. Je hiter in enostaven; ne potrebuje drage opreme, toda ne zazna puščanj, manjših od 10*^ mbar l/s.
Termična prevodnost ptinov. Temperatura površine električno ogrevane žice se ustali pri neki ravnotežni vrednosti, ki je rezultat dotekajočih in odtekajoäh en> ergij. Na odtekanje energije seveda vpliva tudi toplotna prevodnost okoliškega plina. Plini z dobro toplotno prevodnostjo (npr. helij, vodik. oglj. dioksid, butan) žico bolj ohladijo kot zrak. Prihod takih plinov skozi netes-nost v okolico senzorja torej zniža temperaturo žice. Spremembo temperature lahko zazr>amo direktno s tennočlenom ah pa posredno z meritvijo uporosti žice. Metoda je uporabna v območju od 10*^ mbar do atmosferskega tlaka» omogoča pa zaznavanje pretokov do 10'® mtjar l/s.
Metoda z radlolzotopl je primerna za preskus herme-tično zaprtih komponent. Le*te namestimo v posodo, ki je predhodno evakuirana in nato napolnjena z radioaktivnim sledilnim plinom (navadno knpton 85). Ta pronica skozi morebitne netesnosti v komponente.
Ko ga kasneje odstranimo Iz njihove okolice, prične iz komponent ekspandirati nazaj v okolico, kjer ga lahko zaznamo s senzorjem za radlacajo. Tovrstni instrumente so zelo dragi, omogočajo pa sledenie puščanja do 10*^' mbar l/s.
Metoda 2 vakuummetri. Posodo, ki }o želimo preizkusiti, opremimo s Piranifevim ali z »onizacijskim vakuummetrom in jo izčrpamo. Sumljivi del oplaku-jemo od zunaj s plinom, ki dobro difundira (He. H?) v pore in razpoke, ali pa s hitro hlapljivimi tekočinami, ki imajo visok parni tlak (aceton, eter,.,). Kadar se z oplak ovanjem približamo netesnemu mestu, pokaže vakuummeter nenaden narast tlaka v notraniosti Zaznamo lahko (npr.z ioniz. vakuummetrom) puščanja do 10"^ mbar l/s.
Halogenski efekl. Princip je opazne povečdnje emisije ^onov. predvsem K In Na (ki $ta vedno prisotna kot nečistoča), s površine razžarjene platine (Pt), kadar nanjo zadenejo halogensi<i plini (F, Cl, 6r, I) ali njihove spojine (npr, freoni). Stene puščajočega sistema Idhko izpostavimo tlačni razliki na dva načina ali nadtldk*at* mosfera, ali atmosfera-vakuum, in sic^r vedno tdko, da je na nadtlačni strani prisoten npr. freon. Senzor (Pt, dOO^C) se nahaja na strani nižjega tlaka in je različne izvedbe za oba primera. Pri pn/em načinu je izveden kot "vohljač" in z njim ročno "tipamo" po sumljivih zunanjih površinah posode, ki vsebu/e komprimiran freon. Pri drugem načinu pajesenzor vgrajen v aparaturo, ki je spojena z evakuirano preskušano posodo in zazna skozi netesno mesto vanjo prodirajoči freon, s katerim na zunanji strani obpihujemo sumljiva mesta. S prvim načinom lahko izsledimo le grobe netesnosti (do 10'^ mbar l/s}, z drugim pa tudi že bolj majhne (10*^ m bar l/s).
Masni spektrometri (MS) so najbolj občutljivi Ir^stru-menb za odkrivanje netesnosti v vakuumskih sistemih. To so merilniki pa;cialnih (delnih) tlakov ali, z drugo besedo, senzorji za ugotavljanje prisotnosti različnih plinov v residualni atmosferi. Metoda je enaka kot pri halogcnokcm načinu. 2 detektorjem na podtlačni (vakuumski) strani stene zaznamo pfin, ki ga pripuščamo k poram v Steni z nasprotne strani. Kot sledilni plin se v tem primeru vedno uporablja helij, ki ima več prednosti (je pronicijiv, varen,..) pred drugimi plini (kot npr. vodik aN argon) m z njim dosežemo občutljivost od lO^^do 10*^2 fT^bar l/s.
Obstaia več izvedb masnih spektrometrov. Osnova njihovega delovanja je ionizacija prisotnih plinskih molekul. N^astale ione spektrometer nato ločuje in združuje po masah ter izmeri njihovo količino To je podatek o parcialnem tlaku oz. o prisotnosti določe* nega plina v razredčeni plinski mešanici. MS so v splošnem zelo uporabne naprave, saj priključene na vakuumski sistem ne dajo le informacije o puščanju, ampak še o kontaminaciji, razpllnjanju. reakcijah v komori, o permeaciji...itd). Helijevi MS so umerjeni samo na heiij in namenjeni samo za iskanje netesnosti s helijem.
3 STANDARDI, VEZANI NA PROBLEMATIKO NETESNOSTI
3.1 Splošno
Standardi, ki obravnavajo tesnost in puščanje, so vezani na eni strani na vakuumsko področje, na drugi strani pa na neporušne preizkusne metode, V okviru standardizacijske dejavnosti DVTS smo poleg doslej poznanih standardov Ameriškega vakuumskega društva (AVS) in nemških standardov DIN v letošnjem letu izvedelt še za novo nastajajoče evropske standarde (EN). Le-ti pa so trenutno še v fazi priprave (draft) m imajo zato oznako "prEN°. Arhivirane imamo torej naslednje standarde, ki se nanašajo na netesnost;
* standardi AVS za kalibracijo pri iskanju netesnosti: - poglavje 2.1: Kalibracija helijsklh detektorjev netesnosti masnospektrometrskegatipa (1963)
-	poglavje 2.2: Metode za vakuumsko kafibraci|o netesnosti (1963)
-	poglavje 2.3: Postopek kalibraoije plinskih anali zatorjev MS-tipa (1972)
•	standardDIN284i1 (1976):
-	Prevzemni preskus za detektorje netesnosti MS-tipa
•	Standardi EN za neporušno preskušanje (1994)
-	prEN 1330-8; Terminologija - 8. del; fzrazi, ki se uporabljajo pri preskušanju na netesnost
-	prEN 1518: Preskušanje netesnosti - karaMen* zaoija detektorjev netesnosti MS- tipa
-	prEN 1593: Preskušanje netesnosti • preizkusna metoda z mehurčki
-	prEN 1779: Preskušanje netesnosti - napotki za izbiro metode
3.2 Opis nastajajočih EN standardov
Predložene osnutke je pripravil tehnični odbor CEN (Čemite European de Normalisation) I TC 138 in jih
poslal v pregled danom CCN. tj. naaonalnim organom
za standardizacijo 18-ih severno- in zahod no evropskih držav. Teksti so izdelani v angleškem, francoskem m nemškem jeziku. V naslednjih odstavkih na kratko podajamo njihovo vsebino.
3.2.1	Izrazi» ki se uporabljajo pri preskušanju na netesnost
Standard prEN 1330*8 vsebuje 112 izrazov oz de finicij, po abecednem vrstnem redu. Nanašaio se na stanja plinov, na merilnike in meritve pretokov in tlakov ter tozadevne enote, na vrste netesnih mest. naštete so vrste plinov, metode iskanja in detektorje netesnostj. doseganje in vzdrževanje nizkih tlakov itd. Ker veiiko metod temelji na ustvarjanju podtlaka. med njimi tudi najbolj priznan postopek s He masnim spektrometrom, je več kot polovica izrazov s področja vakuumske tehnike.
3.2.2	Karakterizacija detektorjev netesnosti masno* spektrometrske^a tipa (arrgl. okraiš.: MSLD)
Ta standard prEN 1518 ima naslednjo vsebino
-	Uvod, ki predstavi metodo MSLD in sedanje stanje tehnike (zaznavanje puščanja do 10*^' mbar l/sj
-	Dva glavna tipa detektorjev MSLD (direct- and coun-terflow) ter zgradba in delovanje MSLD
-	Posebnosti: delovni pogoji, signal ozadja, občutljivost. zaznavanje in resolucija skale
-	Potrebnideli za izvedbo detekoije (posoda z velikimi oz. malimi luknjami, ločilni ventil, črpalni sistem, predpriprave za preskušanje)
-	Referenčni pogoji za meritev (temperatura, tlak, vlažnost)
-	Postopek preskušanja s pomembnimi temami:
-	minimalni pretok, ki ga fahko zaznamo
-	minimalna koncentracija sledilnega plina, ki jo še lahko zaznamo
-	črpalna hitrost za sledilna plin
« 0 rezultaliti.
-	minimalno zaznava puščanja
-	minimalna zaznavna koncentracija
-	vstopna črpalna hitrost
-	poročilo o preskusu
3.2.3 Metoda iekanja netesnosti z mehurčki Tozadevni standard prEN 1593 ima nastednjovseDmo;
-	Uvod o potopni in tekočin skMehn I ki
-	Referenčni standardi (prEN 1330-8, GN473)
-	Definicije ^n princip
-	Splošne zahteve (plini, omejitve tlaka, stabilizacijski čas, temp, površine, vizualna kontrola)
-	Drugi vplivi
-	Potopna tetinika (metode in tekočine)
-	Tehnika z uporabo tekočine
-	Zgled za določitev velikosti puščanja {tesnjenje ven-tilnega sedeža)
-	oblika in velikost preskušanca
-	izvedba in preskusni pogo)i
-	varnost in okoliški faktorji - Dodatek:
-	specifične lastnosti oz. prednosti vsake metode
-	metode s spremembo totalnega tlaka
-	pretvorbeni faktorji za različne enote
4 SKLEP
V prispevku je poleg pregleda problematike preverja* nja netesnosti polod predstavljena vsebina štinh standardov, ki se tičejo tega področja in ki jih je 11994 pripravil tehnični odbor TCI36 Evropskega komiteja za standardizacijo. Sedaj so v javni razpravi; dostavljeni so bili tudi slovenskemu teh. komiteju "PrelS<ušanie kovinskih gradiv (USM/TC PKG)", kjer so na razpolago za pripombe. Zaradi naraščajočih potreb po kvalitetr prt mnogih proizvodih, kjer igra hermetičnost pomembno vbgo. je prav. da se seznaniamo s tehnikami iskanja netesnosti nasploh in tudi s tozadevnimi standardi
3.2.4 Napotki za Izbiro metode
Standard prCN 1 r/9 z zg. naslovom je tudi sedaj v|avni obravnavi m ima nasiednjo vsebino:
-	Uvodni odstavki (namen standarda, sorodni standardi. definicije in enote)
-	Podajanje zahteve po tesnosti
-	Določanje netesnosti, okvirne Opredelitve (tabela)
-	totalna oz. integral na metoda za določitev mesta netesnosti
-	časovna odvisnost pn metodah s sledilnim plinom
-	vpliv pretočnih pogojev (tlaka, temperature, vrste plina In daigih faktorjev)
•• Splošni principi za izbiro preskusa: ' velikost puščanja
-	tip preskusa
5 LITERATURA
/v
/2/ fV
lAI
/SI /6/
/?/ /8/
f9J
/10/ /11/
AVS Standard 21* hMiurn Mass-sp«ctrometer uaM-aei«ctor Caiitratiori
AV5 standard 2 2* hIetoQ for Vacuum LeaK CaltDraton AVS standard 2 3: Procadur« for Calibrating Gas Analyzers of tha Spactrorrelar Type
DIN $tan0ard 1. ADnanm«rdgaln fur Massanagaktrofna
prEN 1330-9 Terms used m iest«>s to* (eak ligttness Dr€N 1516 Charactdraation cf ma$$ spactrcrrwief laak da-tectocs
prEN 1593 BubDIa test mettwd
prEN 1779 Guide to ih« method selection
M, Wutz. H Adam w. Wacni«r' Tneoria und Ptaxts dar
Vakuumtechnik. P. ViawaQ&Sohn Vahag GmbH, firaur-
Kttwie^, 1962
N.S Hams, Modem vacuum Piaehce, UcGrowHill, N G. WlUon, LC. Beavis' Handbook of vacuum laak detec tlon.AVS, 1977