Qu'est-ce qu'une fuite et comment mesurer le taux de fuite dans les systèmes de vide ?

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Outre les systèmes de vide eux-mêmes et les composants individuels utilisés dans leur construction (chambres à vide, tuyauterie, vannes, raccords [à bride] amovibles, instruments de mesure, etc.), de nombreux autres systèmes et produits utilisés dans l'industrie et la recherche doivent répondre à des exigences strictes en matière de fuites ou de création d'un joint dit « hermétique ». Il s'agit notamment de nombreux assemblages et procédés dans les secteurs de l'automobile et de la réfrigération, mais aussi dans de nombreuses autres branches de l'industrie. Dans ce cas, la pression de service est souvent supérieure à la pression ambiante. Ici, le terme « hermétiquement scellé » est défini uniquement comme une « absence relative de fuites ». Les déclarations générales qui sont souvent faites, par exemple « aucune fuite détectable » ou « taux de fuite nul », ne constituent pas une base adéquate pour les tests d'acceptation. Tout ingénieur expérimenté sait que les spécifications d'acceptation correctement formulées indiquent un certain taux de fuite (voir ci-dessous) dans des conditions définies. Le taux de fuite acceptable est également déterminé par l'application elle-même.

Types de fuites

En fonction de la nature du matériau ou du défaut d'assemblage, on distingue les fuites suivantes :

Fuites au niveau des raccords amovibles : brides, surfaces de contact rectifiées, couvercles
Fuites au niveau des raccords permanents : soudures et joints de soudure, joints collés
Fuites dues à la porosité : en particulier suite à une déformation mécanique (flexion !) ou un traitement thermique des matériaux polycristallins et des composants moulés
Fuites thermiques (réversibles) : ouverture en cas de températures extrêmes (chaleur/froid), surtout au niveau des joints de soudure
Fuites apparentes (virtuelles) : des quantités de gaz se dégagent des creux et des cavités à l'intérieur des pièces moulées, des trous borgnes et des joints (également en raison de l'évaporation des liquides)
Fuites indirectes : fuites au niveau des conduites d'alimentation des systèmes de vide ou des fours (eau, air comprimé, saumure)
« Fuites en série » : il s'agit de la fuite à l'extrémité de plusieurs « espaces raccordés en série », par exemple une fuite dans la section remplie d'huile du carter d'huile d'une pompe à palettes rotatives
« Fuites à sens unique » : elles permettent au gaz de passer dans un sens, mais sont étanches dans l'autre sens (très rares). Une zone qui n'est pas étanche au gaz mais qui ne fuit pas dans la mesure où un défaut est présent
Perméation (perméabilité naturelle) du gaz à travers des matériaux tels que les flexibles en caoutchouc, les joints en élastomère, etc. (à moins que ces pièces ne soient devenues fragiles et donc « fuyantes »).

Calcul du taux de fuite, de la taille de la fuite et du débit massique

Aucun dispositif ou système de vide ne peut être totalement étanche au vide et il n'est pas nécessaire qu'il le soit. L'essentiel est que le taux de fuite soit suffisamment faible pour ne pas influencer la pression de fonctionnement requise, l'équilibre gazeux et la pression limite dans le conteneur de vide. Il s'ensuit que les exigences en matière d'étanchéité au gaz d'un appareil sont d'autant plus strictes que le niveau de pression requis est faible. Afin de pouvoir enregistrer les fuites de manière quantitative, le concept de « taux de fuite » a été introduit avec le symbole Q_L ; il est mesuré avec l'unité de mesure mbar · l/s or cm³/s (STP). Un taux de fuite de Q_L = 1 mbar · l/s est présent lorsque, dans un réservoir évacué et fermé d'un volume de 1 l, la pression augmente de 1 mbar par seconde ou, en cas de pression positive dans le conteneur, la pression diminue de 1 mbar. Le taux de fuite Q_Ldéfini comme mesure de l'étanchéité est normalement spécifié dans l'unité de mesure mbar · l/s. A l'aide de l'équation d'état (1.7), il est possible de calculer le taux de fuite Q_L en indiquant la température T et le type de gaz M, en l'enregistrant quantitativement comme un débit massique, par exemple dans l'unité de mesure g/s. La relation appropriée est alors la suivante :

(1.7)

(5.1)

où R = 83,14 mbar · l/mol · K, T = température en K ; M = masse molaire en g/mole ; Δm pour la masse en g ; Δt est la période en secondes. L'équation 5.1 est alors utilisée
a) pour déterminer le débit massique Δm / Δt à un débit de gaz pV connu de Δp · V/Δt (dans ce contexte, consultez la page dédiée au test d'augmentation de la pression) ou
b) pour déterminer le débit de gaz de fuite pV lorsque le débit massique est connu (voir l'exemple suivant).
Exemple pour le cas b) ci-dessus :
Un système de réfrigération utilisant du fréon (R 12) présente une perte de réfrigérant de 1 g de fréon par an (à 25 °C ou 77 °F). Quel est le débit de gaz de fuite Q_L ? Selon l'équation 5.1, M(R12) = 121 g/mole :

La perte de fréon s'élève donc à Q_L = 6,5 · 10^–6 mbar · l/s. Selon la « règle de base » pour les systèmes de vide poussé présentée ci-dessous, le système de réfrigération mentionné dans cet exemple peut être considéré comme très étanche. Des conversions supplémentaires pour le taux de fuite Q_L sont indiquées dans les tableaux VIIa et VIIb du chapitre 9.

Tableau VIIa Conversion des unités de débit (Q_pv) ; unités (taux de fuite)

Tableau VIIb Conversion des unités de débit (Q_pV) ; unités (taux de fuite)

Taux de fuite total < 10^-6 mbar · l/s : l'équipement est très étanche
Taux de fuite total 10^-5 mbar · l/s : l'équipement est suffisamment étanche
Taux de fuite total > 10^-4 mbar · l/s : l'équipement fuit

Une fuite peut en fait être « surmontée » par une pompe de capacité suffisante, car il est vrai que (par exemple, à la pression limite p_end et sans tenir compte du gaz libéré par les surfaces intérieures) :

(5.2)

(taux de fuite Q_L, vitesse de pompage effective Seff au niveau du réservoir de pression)

Lorsque la valeur Seff est suffisamment élevée, il est possible, quelle que soit la valeur du taux de fuite Q_L, d'atteindre une pression limite prédéterminée pend. Dans la pratique, cependant, l'augmentation infinie de la valeur Seff se heurte à des limites économiques et techniques (telles que l'espace requis par le système).

Lorsqu'il n'est pas possible d'atteindre la pression limite souhaitée dans un appareil, deux causes peuvent généralement être invoquées : la présence de fuites et/ou de gaz libéré par les parois et les joints du conteneur.
L'analyse de la pression partielle à l'aide d'un spectromètre de masse ou de la méthode d'augmentation de la pression peut être utilisée pour différencier ces deux causes. Etant donné que la méthode d'augmentation de la pression ne prouve que la présence d'une fuite sans indiquer sa localisation dans l'appareil, il est conseillé d'utiliser un détecteur de fuites à l'hélium avec lequel les fuites peuvent, en général, être localisées beaucoup plus rapidement.

Afin d'obtenir un aperçu de la corrélation entre la taille géométrique du trou et le taux de fuite associé, il est possible de travailler sur la base de l'estimation approximative suivante : un trou circulaire de 1 cm de diamètre dans la paroi d'un réservoir de vide est fermé par un robinet-vanne. La pression atmosphérique prévaut à l'extérieur, le vide à l'intérieur. Lorsque la vanne est ouverte soudainement, toutes les molécules d'air d'un cylindre de 1 cm (0,39 po) de diamètre et de 330 m (1082 pi) de haut « tombent dans » le trou à la vitesse du son (330 m/s) dans un délai de 1 seconde. La quantité qui s'écoule dans le réservoir chaque seconde est de 10¹³ mbar fois le volume du cylindre (voir Fig. 5.1). Ainsi, pour un trou de 1 cm de diamètre, la valeur Q_L (air) sera de 2,6 · 10⁴ mbar · l/s. Si toutes les autres conditions restent identiques et si on laisse l'hélium s'écouler dans le trou à sa vitesse du son de 970 m/s, la valeur Q_L (hélium) passera à 7,7 · 10⁺⁴ mbar · l/s, soit un courant de fuite de gaz pV supérieur d'un facteur de 970 / 330 = 2,94. Cette plus grande « sensibilité » de l'hélium est utilisée dans la détection de fuites et a conduit au développement et à la production en série de détecteurs de fuites à base d'hélium très sensibles (consultez la page dédiée aux détecteurs de fuites avec spectromètres de masse).

Fig. 5.1 Corrélation entre le taux de fuite et la taille du trou

La figure 5.1 montre la corrélation entre le taux de fuite et la taille du trou pour l'air, avec la valeur approximative de Q_L (air) de 10_⁺⁴ mbar · l/s pour le « trou de 1 cm ». Le tableau montre que lorsque le diamètre du trou est réduit à 1 μm (= 0,001 mm), le taux de fuite atteint 10^-4 mbar · l/s, une valeur qui, dans la technologie du vide, représente déjà une fuite importante (voir la règle de base ci-dessus). Un taux de fuite de 10^-12 mbar · l/s correspond à un diamètre de trou de 1 Å ; il s'agit de la limite de détection inférieure des détecteurs de fuites à l'hélium modernes. Etant donné que les constantes de réseau de nombreux solides s'élèvent à plusieurs Å et que le diamètre des molécules et atomes plus petits (H₂, He) est d'environ 1 Å, la perméation inhérente par les solides peut être enregistrée de manière métrologique à l'aide de détecteurs de fuites à l'hélium. Cela a conduit au développement de fuites de référence étalonnées avec de très faibles taux de fuite (consultez la page dédiée à l'étalonnage des détecteurs de fuites). Il s'agit d'un « manque d'étanchéité » mesurable, mais pas d'une « fuite » au sens d'un défaut du matériau ou du joint. Les estimations ou les mesures de la taille des atomes, des molécules, des virus, des bactéries, etc. ont souvent donné lieu à des termes courants tels que « étanche » ou « étanche aux bactéries » ; reportez-vous au tableau 5.1.

La figure 5.2 présente la nature et les limites de détection des méthodes de détection de fuites fréquemment utilisées.

Table 5.1_Estimating borderline leak rates

Tableau 5.1 Estimation des taux de fuite limites. Contrairement à la vapeur, il est nécessaire de faire la différence entre les solides hydrophiles et hydrophobes. Cela s'applique également aux bactéries et aux virus, car ils sont principalement transportés dans des solutions.

Fig. 5.2 Plages de taux de fuite pour divers procédés et dispositifs de détection de fuites

Taux de fuite standard de l'hélium

Pour définir sans équivoque une fuite, il faut, d'une part, préciser les pressions qui prévalent de part et d'autre de la cloison et, d'autre part, la nature du fluide qui traverse cette cloison (viscosité) ou sa masse molaire. Le terme « fuite standard d'hélium » (He Std) est devenu habituel pour désigner une situation fréquemment rencontrée dans la pratique, où des tests sont effectués à l'aide d'hélium à 1 bar de différence entre la pression atmosphérique (externe) et le vide à l'intérieur d'un système (interne, p < 1 mbar). Afin d'indiquer le taux de rejet pour un test utilisant de l'hélium dans des conditions standard, il est nécessaire de convertir d'abord les conditions réelles d'utilisation en conditions standard d'hélium (consultez la section dédiée aux équations de conversion ci-dessous). Quelques exemples de telles conversions sont présentés sur la figure 5.3.

Fig. 5.3 Exemples de conversion en taux de fuite d'hélium standard

Equations de conversion

Lors du calcul des relations de pression et des types de gaz (viscosité), il est nécessaire de garder à l'esprit que des équations différentes s'appliquent à l'écoulement laminaire et à l'écoulement moléculaire ; la limite entre ces zones est très difficile à déterminer. A titre indicatif, on peut supposer que l'écoulement laminaire est présent pour des taux de fuite où Q_L > 10^-5 mbar · l/s et l'écoulement moléculaire pour des taux de fuite où Q_L < 10_^-7 mbar · l/s. Dans la plage intermédiaire, le fabricant (qui est responsable en vertu des conditions de garantie) doit indiquer des valeurs sûres. Les équations sont répertoriées dans le tableau 5.2.
Ici, les indices « I » et « II » font référence à l'un ou l'autre rapport de pression et les indices « 1 » et « 2 » font référence à l'intérieur et à l'extérieur du point de fuite, respectivement.

Tableau 5.2 Formules de conversion pour les changements de pression et de type de gaz

Termes et définitions

Lors de la recherche de fuites, il faut généralement distinguer deux tâches :

La localisation des fuites et
La mesure du taux de fuite.
On distingue en outre, en fonction du sens d'écoulement du fluide, les méthodes suivantes

a. la méthode du vide (parfois appelée « fuite de l'extérieur vers l'intérieur »), où le sens d'écoulement va vers l'intérieur de l'échantillon testé (la pression à l'intérieur de l'échantillon étant inférieure à la pression ambiante), et
b. la méthode de pression positive (souvent appelée « fuite de l'intérieur vers l'extérieur »), où le fluide va de l'intérieur de l'échantillon testé vers l'extérieur (la pression à l'intérieur de l'échantillon étant supérieure à la pression ambiante).

Dans la mesure du possible, les échantillons doivent être examinés dans une configuration correspondant à leur application ultérieure : les composants destinés aux applications sous vide doivent utiliser la méthode du vide et les pièces qui seront pressurisées à l'intérieur doivent utiliser la méthode de pression positive. Lors de la mesure des taux de fuite, nous distinguons l'enregistrement des éléments suivants
a. les fuites individuelles (mesure locale) - schémas b et d de la figure 5.4 et enregistrement
b. le total de toutes les fuites dans l'échantillon testé (mesure intégrale) - schémas a et c de la figure 5.4.

Fig. 5.4 Techniques et terminologie des tests de fuites.

a : détection de fuites intégrale ; vide à l'intérieur de l'échantillon
b : détection de fuites locale ; vide à l'intérieur de l'échantillon
c : détection de fuites intégrale (enrichissement du gaz de test à l'intérieur de l'enveloppe) ; gaz de test sous pression à l'intérieur de l'échantillon
d : détection de fuites locale ; gaz de test sous pression à l'intérieur de l'échantillon

Le taux de fuite qui n'est plus tolérable conformément aux spécifications d'acceptation est appelé le taux de rejet. Son calcul est basé sur l'hypothèse que l'échantillon ne peut pas tomber en panne pendant sa période d'utilisation prévue en raison de défauts causés par des fuites, et ce avec un certain degré de certitude. Souvent, ce n'est pas le taux de fuite de l'échantillon testé dans des conditions de fonctionnement normales qui est déterminé, mais plutôt le débit d'un gaz de test, principalement de l'hélium, dans des conditions de test. Les valeurs ainsi obtenues doivent être converties pour correspondre à la situation réelle de l'application en ce qui concerne les pressions à l'intérieur et à l'extérieur de l'échantillon testé et le type de gaz (ou de liquide) manipulé.

Lorsqu'il y a un vide à l'intérieur de l'échantillon testé (p < 1 mbar), une pression atmosphérique à l'extérieur et que l'hélium est utilisé en tant que gaz de test, on parle de conditions d'hélium standard. Les conditions d'hélium standard sont toujours présentes lors de la détection de fuites à l'hélium dans un système de vide poussé, lorsque le système est raccordé à un détecteur de fuites et qu'il est pulvérisé avec de l'hélium (technique de pulvérisation). Si l'échantillon est évacué uniquement par le détecteur de fuites, on peut dire que le détecteur de fuites fonctionne en mode de débit direct. Si l'échantillon est lui-même un système de vide complet doté de sa propre pompe à vide et si le détecteur de fuites fonctionne en parallèle avec les pompes du système, on parle alors de mode de débit partiel. On parle également de mode de débit partiel lorsqu'une pompe distincte est utilisée parallèlement au détecteur de fuites.

Lors de l'utilisation de la méthode de pression positive, il est parfois peu pratique, voire impossible, de mesurer directement le taux de fuite, alors qu'il pourrait certainement être détecté dans une enveloppe qui entoure l'échantillon testé. La mesure peut être effectuée en raccordant cette enveloppe au détecteur de fuites ou en accumulant (augmentant la concentration) du gaz de test à l'intérieur de l'enveloppe. Le « test de bombardement » est une version spéciale du test d'accumulation (consultez la page dédiée aux tests intégraux et industriels). Dans la technique de reniflage, une autre variante de la technique de pression positive, le gaz (de test) provenant des fuites est collecté (extrait) par un appareil spécial et acheminé vers le détecteur de fuites. Cette procédure peut être effectuée en utilisant de l'hélium, des réfrigérants ou du SF₆ comme gaz de test.

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