O que é um vazamento e como medir a taxa de vazamento nos sistemas de vácuo?
Além dos próprios sistemas de vácuo e dos componentes individuais usados em sua construção (câmaras de vácuo, tubulação, válvulas, conexões destacáveis [flange], instrumentos de medição etc.), há um grande número de outros sistemas e produtos encontrados na indústria e em pesquisas que devem atender a requisitos rigorosos em relação a vazamentos ou criar uma vedação chamada "hermética". Entre eles estão muitas montagens e processos na indústria automotiva e de refrigeração, em particular, mas também em muitos outros ramos da indústria. A pressão de trabalho nesse caso está frequentemente acima da pressão ambiente. Aqui, "hermeticamente selado" é definido apenas como uma "ausência de vazamentos" relativa. Declarações generalizadas feitas com frequência, como "nenhum vazamento detectável" ou "taxa de vazamento zero", não representam uma base adequada para os testes de aceitação. Todo engenheiro experiente sabe que as especificações de aceitação devidamente formuladas indicarão uma determinada taxa de vazamento (veja abaixo) sob condições definidas. A taxa de vazamento aceitável também é determinada pela própria aplicação.
Tipos de vazamentos
A diferenciação é feita entre os seguintes vazamentos, dependendo da natureza do material ou falha de junção:
- Vazamentos em conexões destacáveis: flanges, superfícies de contato com o terra, tampas
- Vazamentos em conexões permanentes: juntas de soldas e emendas de solda, juntas coladas
- Vazamentos devido à porosidade: particularmente após deformação mecânica (curvatura!) ou processamento térmico de materiais policristalinos e componentes fundidos
- Vazamentos térmicos (reversíveis): abertura até carga de temperatura extrema (calor/frio), principalmente nas juntas de solda
- Vazamentos aparentes (virtuais): quantidades de gás serão liberadas de depressões e cavidades dentro de peças fundidas, furos cegos e juntas (também devido à evaporação de líquidos)
- Vazamentos indiretos: vazamentos nas linhas de fornecimento em sistemas de vácuo ou fornos (água, ar comprimido, salmoura)
- "Vazamentos em série": esse é o vazamento no final de vários "espaços conectados em série", por exemplo, um vazamento na seção cheia de óleo do cárter em uma bomba de palheta rotativa
- "Vazamentos unidirecionais": permitem que o gás passe em uma direção, mas são estanques na outra direção (muito raramente). Uma área que não é estanque a gás, mas que não apresenta vazamentos no sentido de que um defeito está presente seria o
- Permeação (permeabilidade natural) de gás através de materiais como mangueiras de borracha, vedações de elastômero etc. (a menos que essas peças tenham se tornado quebradiças e, portanto, "com vazamento").
Cálculo da taxa de vazamento, do tamanho do vazamento e do fluxo de massa
Nenhum dispositivo ou sistema de vácuo pode ser absolutamente à prova de vácuo e na verdade não precisa ser. O essencial é que a taxa de vazamento seja baixa o suficiente para que a pressão operacional necessária, o equilíbrio do gás e a pressão máxima no recipiente de vácuo não sejam influenciados. Segue-se que os requisitos relativos à estanqueidade de gás de um aparelho são mais rigorosos quanto menor for o nível de pressão necessário. Para poder registrar vazamentos quantitativamente, foi introduzido o conceito de "taxa de vazamento" com o símbolo QL; é medido com mbar · l/s ou cm3/s (STP) como unidade de medida. Uma taxa de vazamento de QL = 1 mbar · l/s está presente quando num reservatório fechado e evacuado com um volume de 1 l a pressão aumenta 1 mbar por segundo ou, quando existe pressão positiva no recipiente, a pressão diminui 1 mbar. A taxa de vazamento QL definida como uma medida de vazamento é normalmente especificada na unidade de medida mbar · l/s. Com a ajuda da equação de estado (1.7), pode-se calcular QLao fornecer a temperatura T e o tipo de gás M, registrando isso quantitativamente como fluxo de massa, por exemplo, na unidade de medida g/s. A relação apropriada é então:
(1.7)
(5.1)
onde R = 83,14 mbar · l/mol · K, T = temperatura em K; M = massa molar em g/mol; Δm para a massa em g; Δt é o período em segundos. A equação 5.1 é então utilizada
a) determinar o fluxo de massa Δm / Δt em um fluxo de gás pV conhecido de Δp · V/Δt (ver nesse contexto a página do teste de aumento de pressão) ou
b) determinar o fluxo de gás de vazamento pV onde o fluxo de massa é conhecido (veja o exemplo a seguir).
Exemplo para o caso b) acima:
Um sistema de refrigeração usando Freon (R 12) apresenta perda de refrigerante de 1 g de Freon por ano (a 77 °F ou 25 °C). Qual é o tamanho do fluxo de gás de vazamento QL? De acordo com a equação 5.1 para M(R12) = 121 g/mol:
Assim, a perda de Freon chega a QL = 6,5 · 10–6 mbar · l/s. De acordo com a "regra geral" para sistemas de alto vácuo dados abaixo, o sistema de refrigeração mencionado nesse exemplo pode ser considerado muito apertado. Conversões adicionais para QL são mostradas nas Tabelas VIIa e VIIb no Capítulo 9.
Tabela VIIa Conversão de unidades de rendimento (Qpv); unidades (taxa de vazamento)
Tabela VIIb Conversão de unidades de rendimento (QpV): unidades (taxa de vazamento)
Taxa de vazamento total < 10-6 mbar · l/s: o equipamento possui alta estanqueidade
Taxa de vazamento total de 10-5 mbar · l/s: o equipamento possui suficiente estanqueidade
Taxa de vazamento total > 10-4 mbar · l/s: o equipamento possui vazamento
Um vazamento pode, de fato, ser "superado" por uma bomba de capacidade suficiente, pois é verdade que (por exemplo, na pressão máxima pend e desconsiderando o gás liberado das superfícies internas):
(5.2)
(Taxa de vazamento QL, velocidade efetiva de bombeamento no reservatório de pressão Seff)
Onde Seff é suficientemente grande, é possível – independentemente do valor da taxa de vazamento QL – sempre atingir uma pressão máxima predeterminada de pend. Na prática, no entanto, um aumento infinito de Seff vai se desenvolver contra as limitações econômicas e de engenharia (como o espaço exigido pelo sistema).
Sempre que não for possível atingir a pressão máxima desejada em um aparelho, geralmente existem duas causas que podem ser citadas: a presença de vazamentos e/ou gás sendo liberados das paredes e selantes do recipiente.
A análise de pressão parcial usando um espectrômetro de massa ou o método de aumento de pressão pode ser usada para fazer a diferenciação entre essas duas causas. Uma vez que o método de aumento de pressão só provará a presença de um vazamento sem indicar a sua localização no aparelho, é aconselhável usar um detector de vazamento de hélio, com o qual os vazamentos também podem, em geral, ser localizados muito mais rapidamente.
Para obter uma visão geral da correlação entre o tamanho geométrico do furo e a taxa de vazamento associada, é possível operar com base na seguinte estimativa aproximada: um furo circular de 1 cm de diâmetro na parede de um reservatório de vácuo é fechado com uma válvula de gaveta. A pressão atmosférica prevalece no exterior, um vácuo no interior. Quando a válvula é aberta repentinamente, todas as moléculas de ar em um cilindro de 0,39 polegadas (1 cm) de diâmetro e 1082 pés (330 m) de altura, dentro de um período de 1 segundo, "cairão” no furo na velocidade do som (330 m/s). A quantidade que flui para o reservatório a cada segundo será 1013mbar vezes o volume do cilindro (consulte a Fig. 5.1). O resultado é que para um furo de 1 cm de diâmetro QL (ar) será 2,6 · 104 mbar · l/s. Se todas as outras condições forem mantidas idênticas e o hélio puder fluir para dentro do furo na velocidade de som de 970 m/s, então, de forma análoga, o QL (hélio) chegará a 7,7 · 10+4 mbar · l/s, ou uma corrente de gás de vazamento pV que é maior por um fator de 970 / 330 = 2,94. Essa maior "sensibilidade" para hélio é usada na prática de detecção de vazamento e resultou no desenvolvimento e na produção em massa de detectores de vazamento baseados em hélio altamente sensíveis (consulte a página sobre detectores de vazamento com espetrômetros de massa).
Fig. 5.1 Correlação entre a taxa de vazamento e o tamanho do furo
A Figura 5.1 mostra a correlação entre a taxa de vazamento e o tamanho do furo para o ar, com o valor aproximado de QL (ar) de 10+4 mbar · l/s para o "furo de 1 cm". A tabela mostra que, quando o diâmetro do furo é reduzido para 1 μm (= 0,001 mm), a taxa de vazamento chega a 10-4 mbar · l/s, um valor que, na tecnologia de vácuo, já representa um grande vazamento (consulte a regra geral acima). Uma taxa de vazamento de 10-12 mbar · l/s corresponde ao diâmetro do furo de 1 Å; esse é o limite de detecção mais baixo para os modernos detectores de vazamento de hélio. Como as constantes da rede para muitos sólidos equivalem a várias Å e o diâmetro de moléculas e átomos menores (H2, He) é de cerca de 1 Å, a permeação inerente por sólidos pode ser registrada metrologicamente usando detectores de vazamento de hélio. Isso levou ao desenvolvimento de vazamentos de referência calibrados com taxas de vazamento muito pequenas (consulte a página sobre calibração de detectores de vazamento). Isso é uma "falta de estanqueidade" mensurável, mas não um "vazamento" no sentido de ser um defeito no material ou na junta. Estimativas ou medições dos tamanhos dos átomos, moléculas, vírus, bactérias etc. muitas vezes deram origem a termos cotidianos, como "impermeáveis" ou “à prova de bactérias”; consulte a Tabela 5.1.
Estão compilados na Figura 5.2 os limites de natureza e detecção dos métodos de detecção de vazamento usados com frequência.
Tabela 5.1 Estimativa das taxas de vazamento limítrofes. Ao contrário do vapor, é necessário diferenciar entre sólidos hidrofílicos e hidrofóbicos. Isso também se aplica a bactérias e vírus, pois são transportados principalmente em soluções.
Fig. 5.2 Faixas de taxa de vazamento para vários processos e dispositivos de detecção de vazamento
A taxa padrão de vazamento de hélio
As especificações necessárias para a definição inequívoca de um vazamento são, em primeiro lugar, as das pressões prevalecentes em ambos os lados da partição e, em segundo lugar, a natureza do meio que passa através dessa partição (viscosidade) ou da sua massa molar. A designação "vazamento padrão de hélio" (He Std) tornou-se habitual para designar uma situação frequentemente encontrada na prática, onde os testes são realizados usando hélio a 1 bar de diferencial entre a pressão atmosférica (externa) e o vácuo dentro de um sistema (interno, p < 1 mbar), a designação "taxa de vazamento padrão de hélio" tornou-se habitual. Para indicar a taxa de rejeição de um teste usando hélio em condições padrão de hélio, é necessário primeiro converter as condições reais de uso em condições padrão de hélio (consulte a seção sobre equações de conversão abaixo). Alguns exemplos dessas conversões são mostrados na Figura 5.3.
Fig. 5.3 Exemplos de conversão em taxas de vazamento padrão de hélio
Equações de conversão
Ao calcular as relações de pressão e os tipos de gás (viscosidade), é necessário ter em mente que diferentes equações são aplicáveis ao fluxo laminar e molecular; a fronteira entre essas áreas é muito difícil de determinar. Como diretriz, pode-se supor que o fluxo laminar está presente em taxas de vazamento onde QL > 10-5 mbar · l/s e fluxo molecular em taxas de vazamento onde QL < 10-7 mbar · l/s. Na faixa intermédia, o fabricante (que é responsável nos termos da garantia) deve assumir valores do lado seguro. As equações estão listadas na Tabela 5.2.
Os índices "I" e "II" referem-se, respetivamente, a uma ou a outra relação de pressão e os índices "1" e "2" referem-se, respetivamente, ao interior e ao exterior do ponto de vazamento.
Tabela 5.2 Fórmulas de conversão para alterações de pressão e tipo de gás
Termos e definições
Ao procurar vazamentos, geralmente é necessário distinguir duas tarefas:
- Localização de vazamentos e
- Medição da taxa de vazamento.
Além disso, distinguimos, com base na direção do fluxo do fluido, entre o
a. método de vácuo (às vezes conhecido como "vazamento de fora para dentro"), em que a direção do fluxo é para a amostra de teste (pressão dentro da amostra menor que a pressão ambiente), e o
b. método de pressão positiva (geralmente chamado de "vazamento de dentro para fora"), em que o fluido passa de dentro da amostra de teste para fora (a pressão dentro da amostra é maior que a pressão ambiente).
Sempre que possível, as amostras devem ser examinadas em uma configuração correspondente à sua aplicação posterior – componentes para aplicações a vácuo usando o método de vácuo e o método de pressão positiva para peças que serão pressurizadas na parte interna. Ao medir as taxas de vazamento, diferenciamos entre registrar
a. vazamentos individuais (medição local) – esboços b e d na Figura 5.4 e registrar
b. o total de todos os vazamentos na amostra de teste (medição integral) – esboços a e c na Figura 5.4.
Fig. 5.4 Técnicas de teste de vazamento e terminologia.
a: Detecção de vazamento integral; vácuo dentro da amostra
b: Detecção de vazamento local; vácuo dentro da amostra
c: Detecção de vazamento integral (enriquecimento de gás de teste dentro do gabinete); gás de teste pressurizado dentro da amostra
d: Detecção de vazamento local; gás de teste pressurizado dentro da amostra
A taxa de vazamento que não é mais tolerável de acordo com as especificações de aceitação é conhecida como taxa de rejeição. Seu cálculo é baseado na condição de que a amostra de teste não falhe durante seu período de utilização planejado devido a falhas causadas por vazamentos, e isso com certo grau de certeza. Muitas vezes, não é a taxa de vazamento para a amostra de teste sob condições normais de operação, que é determinada, mas sim a taxa de rendimento de um gás de teste – principalmente hélio – sob condições de teste. Os valores assim encontrados terão que ser convertidos para corresponder à situação real de aplicação em relação às pressões dentro e fora da amostra de teste e ao tipo de gás (ou líquido) sendo manuseado.
Quando há vácuo no interior da amostra de teste (p < 1 mbar), pressão atmosférica externa e é usado hélio no gás de teste, refere-se às condições padrão do hélio. As condições padrão de hélio estão sempre presentes durante a detecção de vazamento de hélio para um sistema de alto vácuo quando o sistema está conectado a um detector de vazamento e é pulverizado com hélio (técnica de pulverização). Se a amostra for evacuada unicamente pelo detector de vazamento, pode-se dizer que o detector de vazamento está operando no modo de fluxo direto. Se a própria amostra for um sistema de vácuo completo com sua própria bomba de vácuo e se o detector de vazamento for operado em paralelo às bombas do sistema, então se refere ao modo de fluxo parcial. Também se refere ao modo de fluxo parcial quando uma bomba auxiliar separada é usada paralelamente ao detector de vazamento.
Ao usar o método de pressão positiva, às vezes é impraticável ou, de fato, impossível medir a taxa de vazamento diretamente, enquanto ela possa certamente ser detectada em um envelope que inclua a amostra de teste. A medição pode ser feita conectando esse envelope ao detector de vazamento ou por acumulação (aumentando a concentração) do gás de teste dentro do envelope. O "teste de bombardeio” é uma versão especial do teste de acumulação (ver página sobre testes integrais e industriais). Na chamada técnica de sniffer, outra variação da técnica de pressão positiva, o gás (teste) emitido de vazamentos é coletado (extraído) por um aparelho especial e alimentado ao detector de vazamentos. Esse procedimento pode ser realizado usando hélio ou refrigerantes ou SF6 como gás de teste.
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
