Rò rỉ là gì và cách đo tỷ lệ rò rỉ trong hệ thống chân không
Ngoài các hệ thống chân không thực tế và các thành phần riêng lẻ của chúng (bình chân không, đường ống, van, thiết bị đo, v.v.) có rất nhiều hệ thống và sản phẩm khác trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu với yêu cầu cao về độ kín hoặc cái gọi là "nắp kín". Điều này đặc biệt bao gồm các cụm chi tiết cho ngành công nghiệp ô tô và lạnh.
Các tuyên bố chung thường được đưa ra, chẳng hạn như "không phát hiện được rò rỉ" hoặc "tỷ lệ rò rỉ bằng không", không đại diện cho cơ sở đầy đủ cho kiểm tra chấp nhận.
Mọi kỹ sư có kinh nghiệm đều biết rằng các thông số kỹ thuật chấp nhận được xây dựng đúng cách sẽ chỉ ra một tỷ lệ rò rỉ nhất định trong các điều kiện xác định. Tỷ lệ rò rỉ nào được chấp nhận cũng được xác định bởi chính ứng dụng.
Loại rò rỉ
Định nghĩa đơn giản nhất cho thuật ngữ "rò rỉ" là: Rò rỉ là "mở" trong một bức tường (phân tách) hoặc rào cản mà qua đó chất rắn, chất lỏng hoặc khí có thể không mong muốn đi vào hoặc đi ra.
Tùy thuộc vào loại vật liệu hoặc lỗi kết nối, các kiểu rò rỉ sau đây được phân biệt:
- Rò rỉ trong các kết nối có thể tháo rời: mặt bích, bề mặt nối đất, nắp che
- Rò rỉ trong các kết nối cố định: đường hàn và đường hàn, mối nối keo
- Rò rỉ do độ xốp: đặc biệt là sau biến dạng cơ học (uốn cong!) hoặc xử lý nhiệt vật liệu đa tinh thể và đúc
Các bộ phận - Rò rỉ nhiệt: mở ra ở nhiệt độ cực cao (nhiệt/lạnh), chủ yếu ở các mối hàn
- Rò rỉ rõ ràng (hầu như): rò rỉ: lượng khí sẽ được giải phóng từ các rỗng và khoang bên trong các bộ phận đúc, lỗ mù và khớp nối (cũng do sự bay hơi của chất lỏng).
- Rò rỉ gián tiếp: rò rỉ đường cung cấp trong hệ thống chân không hoặc lò (nước, khí nén, nước muối)
- "Rò rỉ nối tiếp": đây là rò rỉ ở cuối một số "khoảng trống nối tiếp theo thứ tự", ví dụ: rò rỉ trong phần bể chứa dầu của bơm cánh quạt xoay
- "Rò rỉ một chiều": chúng sẽ cho phép khí đi theo một hướng nhưng bị kín theo hướng khác (rất hiếm khi)
Một khu vực không kín khí nhưng không rò rỉ theo nghĩa là có lỗi sẽ là:
- Thẩm thấu: khả năng thấm khí tự nhiên qua các vật liệu như ống cao su, gioăng đàn hồi, v.v. (trừ khi các bộ phận này đã trở nên giòn và do đó "rò rỉ").
Tỷ lệ rò rỉ, kích thước rò rỉ (khí) lưu lượng khối
Không có thiết bị hoặc hệ thống chân không nào có thể hoàn toàn kín chân không và thực tế không cần phải kín chân không. Điều thiết yếu đơn giản là tỷ lệ rò rỉ phải đủ thấp để áp suất vận hành yêu cầu, cân bằng khí và áp suất cuối trong bình chân không không không bị ảnh hưởng. Theo đó, các yêu cầu liên quan đến độ kín khí của thiết bị càng nghiêm ngặt, mức áp suất yêu cầu càng thấp.
Để có thể ghi nhận rò rỉ theo định lượng, khái niệm "tỷ lệ rò rỉ" với ký hiệu qL và đơn vị mbar·l/s đã được giới thiệu.
Tỷ lệ rò rỉ qL = 1 mbar·l/giây xuất hiện khi trong bình chứa kín, được hút chân không có thể tích 1 l, áp suất tăng 1 mbar mỗi giây hoặc, khi có áp suất dương trong bình chứa, áp suất giảm 1 mbar mỗi giây.
Tỷ lệ rò rỉ của bình thể hiện lượng luồng khí thoát ra qua thành bình. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tỷ lệ rò rỉ phụ thuộc vào loại khí.
Nếu nhiệt độ khí T và khối lượng mol M của khí G được biết, lưu lượng khí có thể được tính từ tỷ lệ rò rỉ qL bằng phương trình trạng thái cho các khí lý tưởng thông qua mối quan hệ
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Đơn vị: g/s
với:
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = Nhiệt độ khí tính bằng K
- M = Khối lượng mol tính theo g/mol
- Δm = Khối lượng tính bằng g
- Δt = Khoảng thời gian tính bằng giây
Mối quan hệ được sử dụng:
a) để xác định lưu lượng khối Δm/Δt ở tốc độ rò rỉ đã biết là qL hoặc
b) để xác định tỷ lệ rò rỉ qL ở lưu lượng khối lượng khí đã biết Δm/Δt
Đối với hệ thống chân không cao, quy tắc ngón tay cái sau đây được áp dụng:
- qL (không khí) < 10 -6 mbar·l/s = Hệ thống "rất kín"
- qL (không khí) < 10 -5 mbar·l/s = Hệ thống "đủ kín"
- qL (không khí) > 10 -4 mbar·l/s = Hệ thống "rò rỉ"
Trên thực tế, rò rỉ có thể được bù lại bằng một bơm chân không có công suất đủ vì điều sau đây áp dụng cho áp suất tối đa (vận hành) có thể đạt được P ult:
P ult = qL /S hiệu quả
với:
- QL = Tỷ lệ rò rỉ tính bằng mbar·l/s
- S eff = Tốc độ bơm hiệu quả của bơm chân không tại bình chân không tính bằng l/s
Nếu S eff tăng đủ, do đó luôn có thể đạt được một bảng áp suất cuối (vận hành) được chỉ định độc lập với tốc độ rò rỉ qL.
Tuy nhiên, trong thực tế, việc tăng S eff mong muốn có thể không thực hiện được vì lý do kinh tế và thiết kế (chi phí đầu tư cao, yêu cầu không gian cao).
Nếu không đạt được áp suất cuối mong muốn trong hệ thống chân không, thường có hai nguyên nhân gây ra điều này:
1. sự hiện diện của rò rỉ và/hoặc
2. sự giải phóng khí từ thành bình và thoát khí ra khỏi gioăng.
Để phân biệt giữa hai nguyên nhân, có thể sử dụng phân tích áp suất một phần bằng máy đo quang phổ khối lượng hoặc kiểm tra tăng áp suất liên quan đến thời gian. Vì chỉ có thể xác định sự tồn tại của rò rỉ chứ không phải vị trí của nó trong hệ thống khi sử dụng kiểm tra tăng áp suất, nên sử dụng máy dò rò rỉ heli để xác định vị trí rò rỉ nhanh hơn đáng kể.
Để có được tổng quan về mối tương quan giữa kích thước hình học của lỗ và tỷ lệ rò rỉ liên quan, có thể vận hành trên cơ sở ước tính thô sau đây:
Một lỗ tròn có đường kính D = 1 cm trong thành bình chân không được đóng bằng van. Áp suất khí quyển (p = 1013 mbar) chiếm ưu thế bên ngoài, chân không bên trong. Khi van mở, không khí chảy với tốc độ âm thanh (vs = 330 m/s) qua mặt cắt mở của A = π·(D2 /4) ~ 0,79 cm2 vào bình. Lượng không khí chảy vào bình là qL (không khí) = p·vs ·A ~ 2,6·104 mbar·l/s.
Nếu tất cả các điều kiện khác đều giống nhau và heli được cho phép chảy vào lỗ ở tốc độ âm thanh là 970 m/giây, thì tỷ lệ rò rỉ heli qL (helium) là ~ 7,7·104 mbar·l/giây, do đó tỷ lệ rò rỉ cao hơn đáng kể.
"Độ nhạy" cao hơn đối với heli được sử dụng trong phát hiện rò rỉ và đã dẫn đến sự phát triển và sản xuất hàng loạt các máy dò rò rỉ dựa trên heli có độ nhạy cao.
Hình ảnh, âm thanh 1 là tương quan giữa kích thước lỗ và tỷ lệ rò rỉ khí, với giá trị xấp xỉ là qL (không khí) = 104 mbar·l/s cho "lỗ 1 cm".
Bảng này cho thấy rằng khi đường kính lỗ D giảm xuống 1 µm = 0,001 mm (= giảm D bằng hệ số 10000), tỷ lệ rò rỉ sẽ là 1,0·10 -4 mbar·l/s, một giá trị trong công nghệ chân không đã đại diện cho một rò rỉ lớn (xem quy tắc ngón tay cái ở trên).
Tốc độ rò rỉ 1,0·10 -12 mbar·l/giây tương ứng với đường kính lỗ 1 angstrom (Å); đây là giới hạn phát hiện thấp hơn cho máy dò rò rỉ heli hiện đại.
Vì hằng số lưới cho nhiều chất rắn là vài Å và đường kính của các phân tử nhỏ hơn (H2, He) là khoảng 1 Å, sự thẩm thấu vốn có thông qua chất rắn có thể được ghi lại theo phương pháp đo lường bằng cách sử dụng máy dò rò rỉ heli. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của rò rỉ kiểm tra được hiệu chuẩn với tỷ lệ rò rỉ rất nhỏ. Đây là "thiếu độ kín" có thể đo được nhưng không phải là "rò rỉ" theo nghĩa là lỗi vật liệu hoặc khớp nối.
Mối tương quan giữa đường kính lỗ và tỷ lệ rò rỉ, ước tính không khí
Hình 1: Mối tương quan giữa đường kính lỗ và tỷ lệ rò rỉ, ước tính không khí
Mối tương quan giữa tiêu chí độ kín và tỷ lệ rò rỉ
Ước tính hoặc đo kích thước của các nguyên tử, phân tử, vi rút, vi khuẩn, v.v. thường dẫn đến các thuật ngữ hàng ngày như "không thấm nước" hoặc "không thấm vi khuẩn".
| Khái niệm/Tiêu chí | Bình luận | qL (mbar·l/giây) | Kích thước hạt liên quan |
|---|---|---|---|
| Không thấm nước | Các giọt nước | < 10 -2 | |
| Không thấm nước | "Đổ mồ hôi" | < 10 -3 | |
| Kín vi khuẩn* (cocci) (dạng thanh) |
< 10 -4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| Chống thấm dầu | < 10 -5 | ||
| Chống vi-rút* (vắc-xin, ví dụ: bại liệt) (vi rút nhỏ nhất, thực khuẩn) (vi-rút, RNA) |
< 10 -6 < 10 -8 < 10 -10 |
||
| Không thấm khí | < 10 -7 | ||
| "Hoàn toàn chặt chẽ" | Kỹ thuật | < 10 -10 |
* Trái với hơi nước, cần phân biệt giữa chất rắn ưa nước và kỵ nước. Điều này cũng áp dụng cho vi khuẩn và vi rút vì chúng chủ yếu được vận chuyển trong dung dịch.
Bản chất và giới hạn phát hiện của các phương pháp phát hiện rò rỉ thường được sử dụng:
Hình 2: Bản chất và giới hạn phát hiện của các phương pháp phát hiện rò rỉ thường được sử dụng.
Tỷ lệ rò rỉ tiêu chuẩn của heli
Cần có để xác định rõ ràng rò rỉ là áp suất áp dụng ở cả hai bên thành (bình) và bản chất của môi trường đi qua thành đó (độ nhớt, khối lượng mol). Đối với trường hợp kiểm tra được thực hiện với heli ở chênh lệch áp suất 1 bar từ áp suất khí quyển (bên ngoài) đến chân không (p < 1 mbar, bên trong) thường thấy trong thực tế, ký hiệu "tỷ lệ rò rỉ heli tiêu chuẩn" đã được giới thiệu trong tiêu chuẩn DIN EN 1330-8.
Để cho biết tỷ lệ từ chối đối với một thử nghiệm sử dụng heli trong điều kiện heli tiêu chuẩn, trước tiên cần phải chuyển đổi các điều kiện thử nghiệm thực tế sử dụng thành điều kiện heli tiêu chuẩn. Dưới đây là một số ví dụ về các chuyển đổi như vậy:
Hình 3: Ví dụ về việc chuyển đổi tỷ lệ rò rỉ thành tỷ lệ rò rỉ tiêu chuẩn của heli
Công thức chuyển đổi
Liên quan đến việc chuyển đổi áp suất và loại khí (độ nhớt, khối lượng mol), cần lưu ý rằng các công thức khác nhau áp dụng cho lưu lượng nhớt và lưu lượng phân tử. Ranh giới giữa các khu vực này rất khó xác định. Như một hướng dẫn, có thể giả định những điều sau đây: ở tốc độ rò rỉ
qL > 10 -4 mbar·l/s dòng chảy nhớt nhiều lớp
và ở tốc độ rò rỉ
qL < 10 -6 mbar·l/giây lưu lượng phân tử
Trong phạm vi trung bình, nhà sản xuất (người chịu trách nhiệm theo các điều khoản bảo hành) phải chấp nhận các giá trị về mặt an toàn.
Trong trường hợp này, chỉ số "I" và "II" đề cập đến một hoặc hai tỷ lệ áp suất khác và chỉ số "1" và "2" đề cập đến bên trong và bên ngoài của điểm rò rỉ, tương ứng. Để sử dụng hợp lý các công thức, áp suất p1 phải luôn là áp suất cao hơn ( p1 > p22 ).
Bảng 2: Công thức chuyển đổi áp suất và loại khí
p = áp suất, q = lưu lượng khí (tỷ lệ rò rỉ), η = độ nhớt, M = khối lượng mol
| Lưu lượng | Độ nhớt nhiều lớp | Phân tử |
| Áp suất | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Loại khí nén | q KhíA · η KhíA = q KhíB · η KhíB | q KhíA·(M KhíA) 1/2 = q KhíB·(M KhíB) 1/2 |
Các thuật ngữ và định nghĩa
Khi tìm kiếm rò rỉ, thường phải phân biệt giữa hai nhiệm vụ: (1) xác định vị trí rò rỉ và (2) đo tỷ lệ rò rỉ.
Ngoài ra, chúng tôi phân biệt, dựa trên hướng dòng chảy của chất lỏng, giữa:
a. phương pháp chân không (đôi khi được gọi là "rò rỉ bên ngoài vào"), trong đó hướng dòng chảy vào đối tượng kiểm tra; áp suất bên trong đối tượng kiểm tra nhỏ hơn áp suất môi trường xung quanh và
b. phương pháp áp suất dương (thường được gọi là "rò rỉ bên trong ra ngoài"), trong đó dòng chảy diễn ra từ bên trong đối tượng kiểm tra ra ngoài; áp suất bên trong đối tượng kiểm tra cao hơn áp suất môi trường xung quanh.
Bất cứ khi nào có thể, các đối tượng kiểm tra nên được kiểm tra trong một cấu hình tương ứng với ứng dụng sau đó của chúng, tức là các bộ phận cho các ứng dụng chân không sử dụng phương pháp chân không và sử dụng phương pháp áp suất dương cho các bộ phận sẽ được điều áp bên trong.
Khi đo tỷ lệ rò rỉ, chúng ta phân biệt giữa việc đăng ký:
a. rò rỉ riêng lẻ (đo cục bộ), Hình 4b và 4d bên dưới,
Đăng ký ngay
b. tổng số rò rỉ trong đối tượng kiểm tra (đo tích phân), Hình 4a và 4c dưới đây.
Tỷ lệ rò rỉ nhỏ nhất không còn dung nạp được theo thông số kỹ thuật chấp nhận được gọi là tỷ lệ rò rỉ loại bỏ. Tính toán của nó dựa trên điều kiện là đối tượng kiểm tra không thể hỏng hóc trong thời gian sử dụng theo kế hoạch do lỗi do rò rỉ, và điều này ở một mức độ chắc chắn nhất định.
Thông thường không phải tỷ lệ rò rỉ của đối tượng kiểm tra trong điều kiện vận hành bình thường được xác định, mà là tốc độ thông lượng của khí kiểm tra trong điều kiện tương tự. Các giá trị đo đạt được phải được chuyển đổi để tương ứng với tình huống ứng dụng thực tế liên quan đến áp suất bên trong và bên ngoài đối tượng kiểm tra và loại khí (hoặc chất lỏng) được xử lý.
Khi có chân không bên trong đối tượng kiểm tra (p < 1 mbar), áp suất khí quyển bên ngoài, và khí kiểm tra sử dụng heli, điều này đề cập đến điều kiện heli tiêu chuẩn. Các điều kiện heli tiêu chuẩn luôn tồn tại trong quá trình phát hiện rò rỉ heli đối với hệ thống chân không khi hệ thống được kết nối với bộ phát hiện rò rỉ, nếu hệ thống được bơm xuống mức p dưới 1 mbar và nếu hệ thống được phun heli (kỹ thuật phun) (xem Hình 4b).
Nếu đối tượng kiểm tra chỉ được hút chân không bởi bộ phát hiện rò rỉ, thì người ta sẽ nói rằng bộ phát hiện rò rỉ đang hoạt động ở chế độ dòng chảy trực tiếp của bộ phát hiện rò rỉ (LD). Nếu đối tượng kiểm tra chính là một hệ thống chân không hoàn chỉnh với bơm chân không riêng và nếu bộ phát hiện rò rỉ được vận hành song song với các bơm của hệ thống, thì một trong số đó đề cập đến chế độ dòng chảy một phần của bộ phát hiện rò rỉ. Một trong số đó cũng đề cập đến chế độ dòng chảy một phần khi một bơm phụ trợ riêng biệt được sử dụng song song với bộ phát hiện rò rỉ.
Khi sử dụng phương pháp áp suất dương, đôi khi không thực tế hoặc thực tế là không thể đo trực tiếp tỷ lệ rò rỉ trong khi nó chắc chắn có thể được cảm nhận trong một lớp bao bọc bao quanh mẫu kiểm tra. Có thể thực hiện phép đo bằng cách kết nối vỏ bọc đó với máy dò rò rỉ hoặc bằng cách tích tụ (= tăng nồng độ) khí kiểm tra bên trong vỏ bọc (xem Hình 4c). Thử nghiệm ném bom là phiên bản đặc biệt của thử nghiệm tích tụ.
Trong kỹ thuật được gọi là máy thăm dò, một biến thể khác của kỹ thuật áp suất dương, khí (kiểm tra) phát ra từ rò rỉ được thu thập (chiết xuất) bởi một thiết bị đặc biệt và đưa vào máy dò rò rỉ (xem Hình 4d). Quy trình này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng heli, hyđro, môi chất lạnh hoặc SF6 làm khí thử nghiệm.
Các tùy chọn sử dụng cho máy phát hiện rò rỉ chân không dựa trên phương pháp chân không (a, b) và dựa trên phương pháp áp suất dương (c, d)
Hình 4: Các tùy chọn sử dụng cho máy dò rò rỉ chân không dựa trên phương pháp chân không (a, b) và dựa trên phương pháp áp suất dương (c, d)
| Phương pháp chân không = Chân không bên trong mẫu | Phương pháp áp suất dương = Khí kiểm tra được điều áp bên trong mẫu |
| a: Kiểm tra vỏ (phát hiện rò rỉ tích hợp) | c: Kiểm tra vỏ (phát hiện rò rỉ tích hợp) |
| b: Kỹ thuật phun (phát hiện rò rỉ cục bộ) | d: Kỹ thuật ngửi (phát hiện rò rỉ cục bộ) |
Kiến thức cơ bản về phát hiện rò rỉ
Tải eBook "Các nguyên tắc cơ bản về phát hiện rò rỉ" để khám phá những điều cần thiết và kỹ thuật phát hiện rò rỉ.
- Sản phẩm liên quan
- Blog liên quan
- Thông tin bổ sung
