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什么是泄漏以及如何测量真空系统的漏率

除了实际的真空系统及其各个组件(真空容器、管路、阀门、测量设备等),工业和研究领域中还有许多其他系统和产品对密封性或所谓的“气密”有很高的要求。其中尤其包括汽车和制冷行业的组件。

通常所作的一般性说明,比如“没有可检出的漏气”或“零漏率”并不能为验收检测提供充分的依据。

每位经验丰富的工程师都知道,制定合理的验收规范需要指明在规定条件下的特定漏率。可以接受的漏率也应根据具体的应用情况决定。 

漏点类型

“漏点”一词的简单定义是:漏点是指(隔离)壁或屏障中的“开口”,固体、液体或气体可通过该“开口”意外地进出。

根据材料或连接失效的类型,可分为以下漏点类型:

  • 可拆卸接头漏点:法兰、磨削配合面、盖
  • 长期连接漏点:钎焊接头和焊接缝、粘合接头
  • 孔隙导致的漏点:特别是在发生机械变形(弯曲!)或多晶材料和铸造
    部件的热处理后
  • 高温漏点:在极端温度荷载(热/冷)下形成的开缝,主要是钎焊接头处
  • 虚漏点:铸造零件、盲孔和接头内的中空腔中释放出的气体量(还可能源于液体蒸发)。
  • 间接漏点:真空系统或熔炉的供应管路泄漏(水、压缩空气、盐水)
  • “串联漏点”:指几个“串联空间”的末端发生泄漏,例如旋片泵的油底壳充油部分出现泄漏
  • “单向漏点”:指气体可沿一个方向通过,但在另一个方向上被封闭(漏气量很小)

某个区域不具气密性,但并不是因为有缺陷而导致的漏气称为:

  • 渗透:也就是气体通过橡胶软管、弹性密封件等材料渗透(自然渗透性)泄漏(但此类部件变脆并发生“泄漏”时除外)。

漏率、漏点大小(气体)质量流量。

任何真空设备或系统都不可能做到绝对的真空密封,实际上也不需要这样。简单的事实是,漏率必须足够低,确保不会影响真空容器中所需的工作压力、气体平衡和极限压力。对于装置的气密性要求越严格,所需的压力水平就越低。

为了能够定量记录漏气,引入了“漏率”的概念,符号为 qL,单位为 mbar·l/s。

在容量为 1 l 并已抽真空的密闭容器中,若压力每秒升高 1 mbar,则漏率为 qL = 1 mbar·l/s;或者如果容器中有正压,若压力每秒降低 1 mbar,漏率也是上述值。

容器的漏率表示通过容器壁漏出的气体流量。但是,必须注意的是,漏点的漏率取决于气体类型。

如果已知气体 G 的气体温度 T 和摩尔质量 M,则可以使用理想气体的状态方程,根据漏率 qL 通过如下关系式计算出气体质量流量:

Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)

单位:g/s

其中:

  • R = 83.14 (mbar·l) / (mol·K)
  • T = 气体温度 (K)
  • M = 摩尔质量 (g/mol)
  • Δm = 质量 (g)
  • Δt = 时间跨度 (s)

所用关系式:
a) 在已知漏率 q时,确定质量流量 Δm/Δt 或
b) 在已知气体质量流量 Δm/Δt 时,确定漏率 qL

对于高真空系统,适用以下经验法则:

  • qL(空气)< 10-6 mbar·l/s = 系统“气密性非常好”
  • qL(空气)< 10-5 mbar·l/s = 系统“气密性足够好”
  • qL(空气)> 10-4 mbar·l/s = 系统“发生泄漏”

事实上,泄漏可以通过具有足够容量的真空泵进行补偿,因为以下情况适用于可达到的极限(工作)压力 Pult

Pult = qL/Seff

其中:

  • QL = 漏率 (mbar·l/s)
  • Seff = 真空容器中真空泵的有效抽速 (l/s)

如果 Seff 充分增加,则一直可以达到指定的极限(工作)压力,而不受漏率 qL 的影响。

然而,在实践中,由于经济和设计原因(投资成本高,空间需求高),想要提高 Seff 可能无法实现。

如果真空系统中未达到所需的极限压力,通常有两种原因:

1. 存在漏点和/或

2. 气体从容器壁排出和密封件释气。

为了区分这两种原因,可以使用质谱仪或与时间相关的压升检测进行分压分析。由于使用压升检测只能确定是否存在漏点,而不能确定漏点在系统中的位置,建议使用氦检漏仪,这样可以更快地确定漏点位置。

要大致了解漏孔的几何尺寸与相关漏率之间的相关性,可以根据以下所述进行粗略估算:

假设有一个通过阀封闭的真空容器,容器壁上有一个直径为 D = 1 cm 的圆孔。容器外部为大气压力 (p = 1013 mbar),内部为真空。当阀打开时,空气以声速 (vs = 330 m/s) 通过 A = π·(D2/4) ~ 0.79 cm2 的开口横截面流入容器。流入容器的空气量为 qL(air) = p·vs·A ~ 2.6·10mbar·l/s。

如果所有其他条件保持不变,让氦气以其 970 m/s 的声速流入孔中,则氦气漏率 qL(氦气)约为 7.7·104 mbar·l/s,因此漏率要高得多。

氦气凭借这种更高的“灵敏度”被用于检漏,并依此开发和量产了基于氦气的高灵敏度检漏仪

图 1 所示为孔径与空气漏率之间的相关性,“1 cm 孔”的 qL(空气)近似值等于 104 mbar·l/s。

该表显示,当孔径 D 减小至 1 µm = 0.001 mm(= D 减小至 1/10000 )时,漏率将达到 1.0·10-4 mbar·l/s,该值在真空技术中已代表严重漏气(请参阅上面的经验法则)。

漏率为 1.0·10-12 mbar·l/s 时,对应的孔径为 1 格斯特朗(Å);这是现代氦检漏仪的检测下限。

由于很多固体的晶格常数为几个 Å,而一些小分子和原子(H2、He)的直径约为 1 Å,这种固体的固有渗透性可使用氦检漏仪进行计量记录。为此,人们开发了漏率非常小并经过校准的检漏漏点。这代表可测量出的“泄漏”,并不等于因材料或接头存在缺陷而导致了“泄漏”。

孔径与漏率之间的相关性,空气估计值

图 1:孔径与漏率之间的相关性,空气估计值

图 1:孔径与漏率之间的相关性,空气估计值

气密性标准与漏率之间的相关性

人们通常会根据原子、分子、病毒和细菌等的估算或测量大小,使用诸如“防水”或“防菌”等日常术语。

概念/标准 备注 qL (mbar·l/s) 相关粒径
防水* 液滴 < 10–2  
汽密 “渗水” < 10–3  
防菌*
(球菌)
(杆状)
  < 10–4

∅ ≈ 1 μm
∅ ≈ 0.5 - 1 μm,2 - 10 μm 长

油密   < 10–5  
防病毒*
(疫苗,例如 pox)
(微小病毒、噬菌体)
(类病毒、RNA)
  < 10–6
< 10–8
< 10–10
 
气密   < 10–7  
“绝对气密性” 技术 < 10–10  

* 与蒸汽不同,这里需要区分亲水性和疏水性固体。细菌和病毒也是如此,因为二者主要通过溶液运移。

常用检漏方法的特性和检测限:

图 2:常用检漏方法的特性和检测限。

图 2:常用检漏方法的特性和检测限。

氦标准漏率

要明确地定义一个漏点,需要(容器)壁两侧的压力以及通过该壁的介质的性质(粘度、摩尔质量)。在使用氦气进行测试时,从大气压(外部)到真空(p < 1 mbar,内部)的压差为 1 bar(这在实践中经常出现),在 DIN EN 1330-8 标准中引入了“氦标准漏率”这一名称。

为了指示在标准氦气条件下使用氦气进行检测时的拒收漏率,必须先将实际的使用条件换算为氦气标准条件。此类换算的一些示例如下所示:

图 3:将漏率转换为氦标准漏率的示例

图 3:将漏率转换为氦标准漏率的示例

换算公式

关于压力和气体类型(粘度、摩尔质量)的换算,必须注意的是,不同的公式适用于粘性层流和分子流。这些区域之间的边界很难确定。作为一项指导原则,可以假定以下情况:当漏率

qL > 10–4 mbar·l/s 时为粘性层流;

当漏率

qL < 10–6 mbar·l/s 时为分子流

当漏率处于二者之间时,制造商(质保责任承担方)必须以安全一侧的值为准。 

此处的指数“I”和“II”分别指一种或另一种压力比;指数“1”和“2”分别指漏点的内部和外部。为了合理地使用公式,压力 p1 必须一直是较高的压力 (p1 > p2)。

表 2:压力和气体类型换算公式
p = 压力,q = 气体流量(漏率),η = 粘度,M = 摩尔质量

流量 粘性层流 分子流
压力 qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I
气体类型 q GasA · η GasA = q GasB · η GasB q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2

术语和定义

在查找漏点时,通常要区分两种任务:(1) 定位漏点(2) 测量漏率。

此外,我们可以根据流体的流动方向,将检漏法分为:
a. 真空法(有时称为“由外向内漏气法”),气体流入被测件(被测件内的压力小于环境压力),以及
B. 正压法(通常称为“由内向外漏气法”),流体从被测件的内部向外流出(被测件内部的压力大于环境压力)。

如果可能,应按照被测件上一次使用时的配置进行检测,即:对于用于真空应用的部件,应当采用真空法检测;对于内部为正压的部件,则应采用正压法检测。

在测量漏率时,可通过以下两种方法记录测量值:
a. 单个漏点的漏率(局部测量)下图 4b 和 4d
并进行记录
b. 被测件中所有漏点的总漏率(整体测量)下图 4a 和 4c

根据验收规格,装置无法耐受的最小漏率称为拒收漏率。该值的计算基于以下条件:被测件在计划的使用期限内不会因泄漏引起的故障而失效,并能保证一定程度的确定性。

通常该值并不是在被测件的正常工作条件下测定的,而是在相似条件下使用检测气体测得的流量。因此,必须根据实际应用情况中被测件内部和外部的压力以及所处理的气体(或液体)类型,对所达到的测量值进行换算。

如果被测件内部为真空 (p < 1 mbar),外部为大气压力,并使用氦气作为检测气体,则称之为标准氦气条件。在真空系统连接至检漏仪进行氦检漏过程中,如果系统被抽气至 p < 1 mbar 并被喷了氦气(喷枪法),则一直存在标准氦气条件(参见图 4b)。

如果被测件由检漏仪抽真空,则会说检漏仪正在检漏仪的顺流模式 (LD) 下工作。如果被测件本身是一个自带真空泵的完整真空系统,并且检漏仪与系统的泵并行运行,则称之为检漏仪的分流模式。当使用与检漏仪并行运行的单独辅助泵时,也可以称之为分流模式。

当使用正压法时,有时直接测量漏率会不可行或不可能,这种情况下可以将被测件放入一个封壳中来测量漏率。可通过将封壳连接到检漏仪或者通过让检测气体在封壳内积聚(= 提高浓度)来进行测量(参见图 4c)背压检测是一种特殊的累积检测。

在正压技术的另一种变型 - 所谓的吸枪法中,由一种特殊装置收集(抽取)漏点逸出的(测试)气体,并将其送入检漏仪(参见图 4d)。可使用氦气、氢气、制冷剂或 SF6 作为检测气体执行此程序。

基于真空法(a、b)和正压法(c、d)的真空检漏仪使用方案

图 4:基于真空法(a、b)和正压法(c、d)的真空检漏仪使用方案

图 4:基于真空法(a、b)和正压法(c、d)的真空检漏仪使用方案

真空法 = 被测件内的真空 正压法 = 被测件内的加压检测气体
a:外壳检测(整体检漏) c:外壳检测(整体检漏)
b:喷枪法(局部检漏) d:吸枪法(局部检漏)

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