Рассмотрено современное состо­яние метода течеискания как научно- технического направления. Приведены краткое описание и технические ха­рактеристики средств контроля герметичности. Рассмотрены перс­пективные направления дальнейшего развития течеискания.

Об авторе

 

 

Сажин Сергей Григорьевич 

Заслуженный деятель науки РФ, доктор техн. наук, профессор. В 1964 г. окончил МЭИ по кафед­ре «Автоматика и телемеханика». В настоящее время работает в Дзержинском филиале Нижегородского государственного технического уни­верситета. В 1990 г. основал и возглавил ка­федру «Автоматизации технологиче­ских процессов и производств». Основные научные интересы свя­заны с течеисканием, автоматизаци­ей течеискательных испытательных процессов и автоматизацией химико-технологических производств. Опубликовал единолично и в со­авторстве 1 книгу по неразрушающему контролю и измерительной технике.

 

 

Герметичность как свойство изделий, исключающее проник­новение через оболочки газообразных или жидких веществ, является одним из важнейших критериев качества герметизиро­ванных изделий. Проблемы герметичности возникают не только в производстве и эксплуатации промышленных изделий ответст­венного назначения, но и в быту.

К числу основных методов течеискания относятся масс- спектрометрический, галогенный, катарометрический, акустиче­ский и др. Они различаются по чувствительности, условиям проведения испытаний и другим параметрам.

В зависимости от агрегатного состояния применяемого пробного вещества все методы разделяются на две группы: газовые и жидкостные. Последние, как правило, не требуют применения специальной аппаратуры. Газообразные пробные вещества обнаруживаются большей частью газоаналитической аппаратурой, позволяющей определить степень герметичности с высокой чувствительностью.

В зависимости от цели испытания можно определять сте­пень суммарной герметичности изделий или их элементов, а так­же локализовать течи, т. е. выделить негерметичный участок или местоположения течей. Соответственно методы реализуются раз­личными способами, и испытания проводятся по различным схемам с применением разных вспомогательных устройств и приспособлений. В частности, могут производится как вакуумные, так и атмосферные испытания.

Выбор метода испытаний и способа его реализации произ­водится при разработке конструкции изделия в зависимости от его назначения, конструктивно-технических особенностей, требо­ваний к степени герметичности, величины и направления рабочих нагрузок, а также технико-экономических характеристик испыта­ний. Требования к степени герметичности характеризуются коли­чественно в единицах потока. Основной единицей потока являет­ся Пам³/с.

Техника течеискания реализуется, главным образом, на основе газоаналитического метода контроля.

Наиболее высокочувствительным, универсальным и широ­ко распространенным газоаналитическим методом является масс-спектрометрический, обеспечивающий практически все виды испытаний на герметичность: вакуумные и атмосферные, в динамическом режиме и режиме накопления. Метод реализуется с помощью масс-спектрометрических течеискателей. Эти прибо­ры представляют собой масс-спектрометрические газоанализато­ры, настроенные на регистрацию пробного газа с помощью откачиваемого до высокого вакуума магнитного анализатора со 180° фокусировкой ионов.

В ионном источнике анализатора в результате электронной бомбардировки происходит ионизация моле­кул остаточных газов. Образовавшиеся ионы, ускоряясь с помощью электрического поля, движутся в анализаторе в однородном магнитном поле по орбитам, зависящим от массы иона. Комбинацией магнитного и электрического по­лей обеспечивается попадание на коллектор только ионов пробного газа.

В качестве основного пробного газа при масс-спектрометрическом методе контроля герметичности применяется инертный газ гелий. Его малая молекулярная масса и химическая инертность обеспечивают безопасность приме­нения и хорошее проникновение через малые течи. Поскольку в атмосферном воздухе гелий содержится в весьма малых количествах, фоно­вые эффекты при работе с ним существенно ниже, чем при использовании других газов.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом выпускаются различные модели гелие­вых масс-спектрометрических течеискателей, различающихся по чувствительности, степени автоматизации, времени готовности к работе после включения, средствам индикации сигна­лов, габаритным размерам и массе и т. п. В на­шей стране выпускается три модели - ТИ1-14, TM1-15, ТИ1-14М, выполненные по максималь­ной унификации.

Базовая модель ТИ1-14 (рис. 1) выполнена в виде двух блоков - вакуумного и электронного. Основной выходной прибор при соответствующей коммутации позво­ляет получить информацию о режимах работы элементов течеискателя: сигнал о регистрации течи, фоновый сигнал, дав­ление в различных участках вакуумной системы, ток эмиссии электронов, величину ускоряющего напря­жения и т. п.

Рис. 1. Электронозахватный течеискатель типа 13ТЭ-9-001

Необходимый ва­куум в анализаторе обеспечивается паро-масляным (Н-0,025-2) и механическим (ЗНВР-1Д) насосами. Для повышения надежности и длитель­ности безремонтной эксплуатации в анализаторе преду­смотрены два сменных катода, а электронные блоки выпол­нены на современной элементной базе.

Пороговая чувствительность ТИ1-14 к потоку гелия 7·10 ^-12 Па·м³/с. После контроля с такой чувствительностью можно полагать, что в изделии объемом 1 литр, откачанном до высо­кого вакуума, за 1 год хранения давление может повысится менее, чем на 0,1 Па.

Таблица 1

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ

Технические характеристики	Течеискатели
	ПТИ-10	СТИ-11	ТИ1-14	ТИ1-15	ТИ1-14М
Минимальный регистрируемый поток гелия (порог чувствительности), Па·м3/с	7·10 -12	7·10-14	7·10-12	7·10-14	7·10-12
Время подготовки к работе, ч			1,5	2,0	0,1
Потребляемая мощность, Вт	900	1100	750	1000	950
Габаритные размеры, мм	1400 х 675 х 620	1245 х 750 х 1325	400 х 670 х 470	608 х 665 х 885	400 х 670 х 470 (без транспортной тележки)
Масса, кг	180	2S0	95	125	120 (без транспортной тележки)
Степень автоматизации	Ручное управление	Программное управление	Полуавтомат	Полуавтомат	Полуавтомат

Принципиальное отличие течеискателя ТИ1-15 заключается в том, что его вакуумная система дополнена цеолитовым (сорбционным) насосом с комплектом электромагнитных кла­панов и испытательным колпаком. Пороговая чувствительность вплоть до 7-10¹⁴ Пам³/с обеспечивается методикой накопления при изоляции контролируемого изделия от паро­струйного насоса и подключении его к цеолито- вому насосу, который хорошо откачивает оста­точные газы и практически не качает гелий, что позволяет сохранить высокий вакуум в системе и стабильность фонового сигнала. С целью обеспечения возможности регистрации малых течей в течеискателе предусмотрена система динамической компенсации.

Основное назначение течеискателя ТИ1-15 - сверхвысокочувствительный контроль малогабаритных изделий. Но он так же, как и ТИ1-14, может обеспечить проведение всех видов контроля, включая и щуповой.

Отличительной особенностью течеискателя ТИ1-14М является введение в его вакуумную систему турбомолекулярного насоса вместо пароструйного. Применение турбомолекулярного насоса сокращает время подготовки течеискателя к работе, расширяет диапазон регистрируе­мых течей, снижает или полностью исключает загрязнение вакуумной системы и контролируемого изделия углеводо­родами, позволяет расширить возможности течеискателя введением дополнительного режима испытаний (противо­ток), при котором не требуется предварительная откачка изделий до высокого вакуума, что существенно повышает производительность контроля. Течеискатель укомплектован механическим насосом 2НВР-5Д, что обеспечивает более стабильную его работу. Технические характеристики масс- спектрометрических течеискателей представлены в табл. 1.

Весьма важным свойством масс-спектрометрических течеискателей является возмож­ность высокой степени автоматизации. В раз­личных отраслях промышленности на основе серийных течеискателей создаются механизиро­ванные и автоматизированные стенды и уста­новки, рассчитан­ные на контроль герметичности раз­личных изделий с различной чувстви­тельностью и про­изводительностью.

Масс-спектрометрические зарубежные течеискатели по своим техническим характе­ристикам соответствуют отечественным, но отличаются лучшим дизай­ном (рис. 2).

Наряду с масс-спектрометричес­ким методом течеискания широко применяется галогенный. Основным пробным веществом при галогенном методе служат фреон-12 и фреон-22. Могут регистрироваться и другие галогеносодержащие вещества.ъ

 Рис 2. Гелиевый мacc-cпeктpoмeтpичecкий течеискатель фирмы BALZERS

Метод реализуется применением галогенных течеис- кателей, действие которых основано на свойстве платины, накалённой до 800 - 900° С, увеличивать эмиссию положи­тельных ионов в присутствии галогенов. Ионный ток усили­вается и регистрируется измерительной схемой. Промыш­ленностью выпускаются вакуумно-атмосферный тече­искатель ТИ2-8 и атмосферный с автономным питанием

БГТИ-7. На практике широко применяется также старая модель ГТИ-6 (рис. 3). Оба течеискателя представляют собой портативные переносные приборы, состоящие из регистрирующего блока и преобразователя, соединённых электрическим кабелем (рис.3). ТИ2-8 снабжен преобразователями - ваку­умным и атмос­ферным. Через чувствительный элемент, предста­вляющий собой платиновый диод прямого накала и располагаемый в передней час­ти атмосферного преобразователя, анализируемый газ прокачивает­ся встроенным вентиляционным устройством. Чувствительный элемент вакуумного преобразователя, идентичный приме­няемому в атмосферном, смонтирован на фланце, который устанавливается на вакуумной системе. При вакуумных испытаниях обеспечивается пороговая чувствительность к парциальному давлению фреона-12 до 10 ^-6 Па. При атмо­сферных испытаниях индицируются утечки до 0,2 г/год, что соответствует потоку 10 ^-7 Па·м³/с.

Основное назначение батарейного гало­генного течеискателя БГТИ-7 - проверка на гер­метичность газопроводов, кабелей связи и других зарытых в землю объектов, заполненных галогеносодержащими веществами. Приме­нение БГТИ-7 удобно также при испытаниях длинномерных объектов в цеховых, и, особенно, в полевых условиях. Преобразователь течеискате­ля снабжен насадкой (удлинителем до 7S0 мм), обеспечивающей отбор газа на анализ из глуби­ны вырытых по трассе шурфов.

В последнее время показаны возможности применения галогенного течеискателя в схемах автоматизированного контроля герметичности. Первые образцы такого оборудования прошли испытания в производстве малогабаритных замкнутых оболочек, а также сварных сильфонов, труб и аэрозольных упаковок.

 Рис. 3. Галогенный течеискатель ГТИ - 6

К галогенным течеискателям по назна­чению и виду применяемых пробных веществ примыкают электронозахватные течеискатели . Эти приборы реагируют на появление в зоне чувствительного элемента весьма малых коли­честв электроотрицательных пробных веществ. Наиболее резко выраженными электроотрица­тельными свойствами обладает элегаз (шести-фтористая сера), который и рекомендуется в качестве основного пробного газа. SF₆ - инерт­ный газ, не токсичный, не вызывающий корро­зии. Благодаря своим прекрасным электроизо­ляционным и дугогасящим свойствам широко используется в качестве рабочей среды для высоковольтных коммутирующих устройств. Электронозахватные течеискатели регистриру­ют также наличие фреонов и других галогено-содержащих веществ.

Электронозахватный течеискатель 13ТЭ-9-001

состоит из регистрирующего блока и щупа (рис.4). Действие этого течеискателя основано на уменьшении тока неса­мостоятельного разряда при попадании в межэлектродное пространство чувствительного элемента примеси электроот­рицательного пробного вещества. Чувствительный элемент представляет собой двухэлектродную ионизационную камеру,

через которую про­дувается электро­положительный газ (азот, аргон). В ре­зультате иониза­ции газоносителя образуются поло­жительные ионы, которые опреде­ляют протекание электрического тока.

При прохождении щупа над дефектным местом контролируемого объекта примесь пробного электро­отрицательного газа засасывается щупом, и его молекулы, захватывая свободные электроны, образуют отрицательные ионы. Рекомбинация положительных и отрицательных ионов резко снижает электрический ток чувствительного элемента, что фиксируется измерительным устройством.

Чувствительность электронозахватных те- чеискателей к потоку элегаза составляет 1-Ю¹⁶ - 1-Ю⁹ Па м³/с. Электронозахватные течеиска­тели имеют сетевое питание и рассчитаны на обнаружение утечек в атмосферу из газонапол­ненных систем и изделий.

  

Рис. 4. Электронозахватный течеискатель типа 13ТЭ-9-001

Электронозахватный течеискатель 13ТЭ- 9-001 также успешно применяется в качестве датчика разбраковки в автоматизированных установках контроля герметичности малогаба­ритных герметизированных изделий.

Катарометрический метод  хотя и ред­ко, но применяется для контроля герметичности газонаполненных объектов. Принцип действия катарометрического течеискателя основан на различии теплопроводности пробного газа и воздуха. В качестве пробных газов применяются гелий, аргон, фреон и др. Течеискатель выпол­нен в виде портативного переносного прибора с сетевым питанием и состоит из регистрирующе­го блока и щупа, соединённых между собой электрическим кабелем.

В корпусе щупа расположены две катарометри- ческие ячейки с нагреваемыми электрическим током тонкими платинородиевыми нитями, включенными в цепь измерительного моста. Через одну из двух трубок ячеек прокачивается воздух, отбираемый с поверхности запол­ненного пробным газом контролируемого объекта. Через другую, более короткую, трубку прокачивается заведомо чистый воздух. При наличии течей в воздухе, прокачи­ваемом через длинную трубку, будет содержаться примесь пробного газа, а через короткую по-прежнему будет про­качиваться незагрязнённый воздух. Вследствие разности теплопроводности газов температура нитей и их сопротив­ление оказываются различными и происходит разбаланс моста, что и регистрируется стрелочным прибором и зву­ковым индикатором. Чувствительность течеискателя по гелию - 2,5 10 ^-6 Па ·м³/с.

Акустические течеискатели применяют­ся для контроля герметичности любых систем (вакуумных или заполненных под давлением любыми газами, в т. ч. и воздухом). Их действие основано на регистрации акустических колеба­ний, образующихся при перетекании газа или жидкости через течи. Акустические течеискатели выполнены в виде портативных переносных приборов, содержащих регистрирующий блок и щуп - микрофон. Течеискатели просты в экс­плуатации, но их использование часто ограничи­вается наличием паразитных сигналов, возни­кающих из-за производственного шума.

В заключение следует назвать три основ­ных направления развития течеискания.

Первое направление - создание много­компонентных компактных течеискателей с автономным питанием. Это особенно важно для использования на предприятиях химии и нефте­химии.

Второе направление - широкое исполь­зование средств контроля герметичности в машиностроении, а также при транспортировке природного газа, нефтяных продуктов и технологических сред по трубопроводным коммуника­циям.

Третье направление - создание автома­тизированных высокопроизводительных средств и установок контроля герметичности, которые найдут применение в отраслях промышленнос­ти, выпускающих различную тару для перера­батывающих предприятий.

Все эти направления успешно развива­ются в России.