Течеискатель

Течеиска́тель — прибор, предназначенный для выявления, локализации и количественной оценки величины течи. Работа течеискателей может базироваться на различных физических принципах, ориентированных как на прямые, так и на косвенные измерения параметров.

Терминология:

• Течь — негерметичность, способность преграды (чаще всего ограничивающей замкнутый объём) пропускать наружу (в случае повышенного давления внутри полости) или внутрь (в случае пониженного давления или вакуума) нежелательные газообразные или жидкие вещества.

• Течеиска́ние — приемы, способы для выявления, локализации и количественной оценки течей.

• Тестовое вещество при поиске течи — вещество, используемое при поиске течи в стенке, ограничивающей некий рабочий изолированный объём. Там, где это возможно, в качестве тестового вещества используют воду. В холодильных установках в качестве тестового вещества может использоваться само рабочее тело ходильной машины — фреон. Во многие горючие газы (природный газ пропан-бутановую смесь для газовых баллонов) специально добавляют тестовое вещество, имеющее характерный «запах газа». В антифризы, некоторые современные фреоны также специально добавляют компоненты, обеспечивающие заметную люминесценцию в ультрафиолетовом свете. Фреоновые течеискатели также могут использовать в качестве тестового вещества пары различных летучих фтор и хлоруглеродных соединений, спирт. Из-за редкости в природе, легкости, летучести, высокой проницаемости и относительной простоты детектирования в масспектрометре и точности определения концентрации универсальным тестовым газом является газообразный гелий.

• Отклик течеискателя — время между подачей тестового газа и появлением сигнализации течи на приборе;

• Релаксация течи или Релаксация течеискателя — время необходимое вакуумно-газовой системе тестируемого объекта и течеискателя, для устранения тестового газа и падения сигнала до фонового уровня.

История

С момента создания человечеством ёмкостей для воды и пищи, а затем и первых трубопроводов для воды люди столкнулись с проблемами течей. В тот период выявление течи было легко произвести визуальным осмотром и главной проблемой было обеспечение герметичности ёмкости, но не течеискания.

Химические и алхимические эксперименты древних и средневековых учёных также не требовали тщательного обеспечения герметичности, и соответственно проблемы поиска и локализации течей, тем более сверхмалых тогда не были актуальными.

Начало развития паровой техники сделало актуальными вопросы по разработке стандартных массовых методик поиска и локализации течей. В первую очередь это было обусловлено необходимостью обеспечения безопасности сосудов, работающих под давлением, поскольку негерметичности паяных и сварных швов, дефектные участки в самом металле являются слабыми местами, по которым может произойти аварийное разрушение сосуда с непредсказуемыми (подчас катастрофическими) последствиями.

Дальнейшее развитие техники течеискания связано с широким распространением использования природного газа и сжатого воздуха в быту и промышленности. Для изделий, имеющих в нормальном состоянии повышенное давление во внутренних полостях (например, камеры и бескамерные шины), выявление с одновременной локализацией течей производится путём погружения тестируемого объекта, содержащего сжатый газ, в воду и наблюдения потока выходящих пузырьков. Для крупных объектов и протяжённых трубопроводов применяется обмыливание — в местах негерметичности мыльная плёнка образует мыльные пузыри, указывая на место течи. Метод крайне нагляден и прост в использовании, однако, отличается невысокой чувствительностью, которой, впрочем, вполне достаточно на газовых трубопроводах, промышленных и бытовых пневматических устройствах. Другим простым путём выявления течей стало добавление одорантов (пахучих соединений) во взрыво-пожароопасные углеводородные газы. Так в России характерный «запах газа» на самом деле чаще всего является запахом этил-меркаптана. Также для одорирования газов могут использоваться другие серосодержащие соединения, такие как тиолы (меркаптаны), метан- и этантиолы, пенталарм (смесь этан- и пентантиолов); сульфиды — каптан (N-трихлорметил-тио-1,2,3,6-тетрагидрофталимид), диметил- и диэтилсульфиды, диметилдисульфид, тетрагидротиофен и другие соединения.

Появление сложного вакуумного и холодильного оборудования привело к появлению точных приборных методов выявления течей с использованием тестового вещества. К настоящему времени оформилось 2 основных типа приборов:

• Фреоновые течеискатели для проверки работающих фреон-содержащих (чаще холодильных) установок или сосудов и трубопроводов, в которых создаётся избыточное давление фреона, четырёххлористого углерода или иного подобного маркерного вещества.
• Гелиевые течеискатели для проверки остановленного вакуумного оборудования с использованием гелия в качестве тестового газа.

В современной России по состоянию на 2011 год испытания на герметичность регламентируются «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением». Ими же устанавливаются правила и периодичность испытания сосудов и трубопроводов тестовым давлением газа в 1,5 раза превышающим рабочее и жидкостные испытания, заключающиеся в выдержке сосуда с водой при давлении превышающем рабочее в течение установленного времени. Результаты испытаний оцениваются по падению давления в сосуде и визуальным осмотром по наличию выступивших капель жидкости на поверхности сосуда. Строго говоря описанные способы выявления и локализации течей следует отнести скорее к дефектоскопии, но не к течеисканию, поскольку поиск течей в данном случае является лишь промежуточным вспомогательным инструментом неразрушающего контроля объекта повышенной опасности перед допуском его к эксплуатации. Дальнейшее развитие способов дефектоскопии сварных швов на сосудах и трубопроводах сначала привело в появлению ультразвуковых дефектоскопов, а к началу XXI века и к появлению ультразвуковых течеискателей, не получивших, однако, большого распространения из-за чрезмерных требований к квалификации оператора, рабочей среде и неоднозначности результатов тестирования.

Единицы измерения

Количественную оценку течей производят, как правило, при использовании тестового газа. Для количественной оценки течей используется произведение величины тестируемого объёма на перепад давления в нём, отнесённое к единице времени.

$Q={\frac {V\cdot (P_{k}-P_{o})}{t}},$

где Q — величина (интенсивность) течи (в англоязычной литературе употребляется термин «leak rate» — скорость, степень течи)

V — замкнутый тестируемый объём;

$P_{k},P_{o}$ — конечное и начальное давление;

t — промежуток времени за который производится наблюдение.

Примечание. Величина течи Q по данной формуле имеет отрицательное значение для систем, находящихся под избыточным давлением, и положительное значение - для вакуумных систем.

Интенсивность течи имеет размерность [м³]·[Па]/[с] = [H]·[м]/[c] = [Дж]/[с] = [Вт].

Как видно из формулы, по размерности величина течи эквивалентна мощности или скорости изменения энергии газа в заданном неизменном объёме за единицу времени.

Переводная таблица часто используемых единиц измерения величины течи.
Обозначения	[Вт]	[мбар]·[л]/[с]	[Торр][л]/[с]	[sccm]	↑
[Вт] [м3]·[Па]/[с]	1	10	7,5	586
[мбар]·[л]/[с] [атм]·[см3]/[с]	0,1	1	0,75	58,6
[Торр]·[л]/[с]	0,133	1,33	1	78,0
[sccm]	0,00182	0,018	0,013	1
	→ → → → → → → → → → → → → → → → →
[sccm] — от англ. «standard cubic centimeter per minute» стандартных кубических сантиметров в минуту (в пересчёте на атмосферное давление)

Классификация течей

Любая преграда в той или иной степени может быть негерметичной: так водород может диффундировать даже сквозь металл. Паропроницаемость полиэтилена не равна нулю. Многие технологические материалы с той или иной скоростью сублимируют в вакууме либо при повышении температуры. Всегда и все открытые поверхности бывают покрыты слоем адсорбированных молекул, которые обеспечивают длительное относительно высокое натекание при их постепенной десорбции. Таким образом следует признать аксиомой, что абсолютная герметичность в принципе невозможна. Из-за этого все течи в первую очередь классифицируют по степени влияния на технологический процесс, проводимый на тестируемом оборудовании:

• течи, недетектируемые существующим оборудованием;
• течи, некритичные для технологического процесса, — чаще всего эти же течи являются недетектируемыми, поскольку экономически нецелесообразно использовать значительно более дорогие и чувствительные приборы для детектирования в некритичных диапазонах;
• течи, умеренно критичные для технологического процесса, — это течи, которые при использовании определённых технологических приёмов могут быть устранены либо их влияние может быть сведено к некритичному;
• критические течи, делающие невозможным завершение технологического процесса без получения брака либо развития аварии;

Все выявленные при тестировании течи при наличии такой возможности обязательно устраняются, поскольку постепенное увеличение выявленных течей либо кумулятивный итог нескольких старых и новых течей могут легко превысить критический порог.

Классификация течей на вакуумном оборудовании

Классификация течей на вакуумном оборудовании в первую очередь связана с конструктивными элементами установок, которые определяют поведение тестирующего прибора при течеискании, применительно к тестированию с использованием тестового газа:

• течи по фланцевым уплотнениям — течи легко детектируются и локализуются, поскольку доступ к ним открыт, отклик прибора на поступление тестового газа быстр, релаксация также наступает быстро.
• течи по манжетным уплотнениям — течи с трудом детектируются, но достаточно хорошо локализуются, поскольку проявляются чаще всего только при определённых положениях обжатого манжетой вала, имеют долгое время отклика и долгое время релаксации из-за газа, накопленного в полостях манжеты;
• течи по сварным швам — течи относительно легко детектируются, однако очень плохо локализуются из-за протяжённости дефектных участков.
• полостные течи — течи элементов прибора, находящихся в закрытом корпусе — отклик на течь возникает только после того, как корпус достаточно наполнится тестовым газом либо он распределится по корпусу — течи плохо детектируются и локализуются из-за сверхдлительного отклика и сверхдлительной релаксации;
• течи по трубопроводам — течи относительно хорошо детектируются, но плохо локализуются из-за сильного запаздывания отклика, особенно на трубопроводах малого диаметра;
• течи по вакуумным насосам — течи очень хорошо детектируются и локализуются, при условии, что система вакуумных насосов течеискателя обеспечивает более глубокий вакуум чем тестируемые насосы; при наличии открытого выхлопа тестируемых насосов всегда появляется сигнал о течи через обратный поток газа.
• блуждающие течи — наиболее сложные для детектирования и локализации виды проявления течей описанных выше видов; возникают из-за переноса тестового газа воздушными потоками разного происхождения; возможно появление блуждающего сигнала из-за попадания тестового газа на выхлоп форвакуумного насоса самого течеискателя.

Приёмы диагностики течей

Диагностика течей может быть направлена на:

1. выявление негерметичности;
2. локализацию течи;
3. оценку величины натекания;

В зависимости от целей течеискания применяется различное аппаратурное оформление, различные схемы подачи тестового вещества и подключения детектирующей аппаратуры.

Детектирование путём контроля натекания

Самый простой приём выполняется перед переходом к другим методам тестирования: все входы и выходы объекта с повышенным или пониженным давлением перекрываются и после заданной выдержки оценивается изменение давления в тестируемом объекте, после чего рассчитывается степень натекания. Если степень натекания критична, то переходят к другим приёмам локализации течей.

Достаточно прост и не требует аппаратурного оформления метод отсечки, когда при наличии на тестируемом объекте технически изолированных объёмов после проверки натекания на всём объекте в целом, отсекаются отдельные участки и тем самым локализуется негерметичный фрагмент объекта тестирования.

Обмыливание

Для тестирования сосудов, трубопроводов и других объектов, давление в которых превышает атмосферное, может применяться обмыливание.

Для обмыливания используется жидкий мыльный раствор либо раствор иного поверхностно-активного вещества, способного образовывать мыльную пену или мыльные пузыри. В ходе тестирования губкой, смоченной в мыльном растворе, протираются все подозрительные участки тестируемого объекта. Раствор должен наноситься тонкой сплошной плёнкой. Места течей проявляются визуально в виде надувающихся в месте течи мыльных пузырей.

Приём позволяет надёжно обнаруживать течи с интенсивностью выше 10⁻³ Вт.

Хотя метод обмыливания допускает возможность некоторой количественной калибровки по степени натекания, чаще всего он используется, как чисто качественный приём в областях, не требующих количественной оценки: проверка герметичности надувных изделий, первичный контроль качества монтажа газовой арматуры.

Гидростатические испытания

Для тестирования сосудов, работающих под давлением законодательно устанавливаются правила гидростатических испытаний.

При гидростатических испытаниях в полостях тестируемого объекта создаётся давление воды, превышающее рабочее давление на установленную величину. Под этим давлением объект должен быть выдержан в течение установленного времени. Успешность гидростатического испытания, в первую очередь, оценивается по отсутствию следов разрушения объекта. И только во вторую очередь, при гидростатических испытаниях производится выявление и локализация течей путём визуального осмотра.

Порог чувствительности этого метода сопоставим с чувствительностью метода обмыливания. Главной проблемой метода является заметность выступивших капель при малых интенсивностях течи. Для повышения чувствительности и заметности капель в воду может быть добавлен флуоресцентный маркер, но это позволяет поднять чувствительность не более чем до 10⁻⁵ Вт.

Как одну из вариаций метода можно рассматривать следующий приём: в рубашке охлаждения объекта создаётся проток воды под давлением; внутри объекта располагается включённый нагреватель. Определение места течи может быть выполнено по следам отложений солей жёсткости в месте выхода капли, либо по разводам реагирующих с водой веществ на стенках объекта, но чувствительность метода в таком исполнении, как правило, уступает методу обмыливания, хотя для случая локализации трещин, раскрывающихся только при нагреве дефектного участка он также применим.

Приёмы диагностики с использованием тестового газа

Многие типы течеискателей являются приборами-газоанализаторами. В принципе каждый газоанализатор может служить течеискателем, но не каждый течеискатель является газоанализатором. Так, для поиска течей в подземных водопроводах газоанализаторы не применяются, поскольку пары воды не проходят через грунт в достаточном количестве, чтобы выявить их на фоне естественной концентрации водяных паров в атмосфере, что не позволяет достоверно установить даже сам факт течи.

По интенсивности потока тестового газа приёмы можно разделить на:

• Детектирование на сильном потоке обычно проводится в качестве стартовой процедуры, позволяет за счёт увеличения расхода газа сократить время процесса тестирования, выявить течи меньшей мощности; при этом возникает вероятность проявления блуждающих течей, которые в большинстве своём частично локализуются на этом же этапе; при детектировании на сильном потоке газ направляется широким конусом с расстояния до 10 сантиметров, чтобы захватить наибольшую площадь тестируемого объекта. подающая газ игла с сечением сопла порядка 0,6 мм движется быстро от 2—3 см в секунду, ускоряя процесс тестирования, подающее газ сопло не касается никаких объектов, что предотвращает засорение сопла; сильным считается поток, ощутимый на расстоянии 3—5 сантиметров от наиболее чувствительных участков кожи руки; под действием сильного потока зеркало масла или воды с того же расстояния должно прогибаться на 2—3 мм.
• Детектирование на малом потоке позволяет более точно локализовать течь и оценить её мощность; применяется обычно после первичного детектирования течей на сильном потоке; при локализации течей на малом потоке сопло подачи газа ведётся минимально близко от объекта и очень медленно, до 5 мм в секунду; при первичном детектировании на слабом потоке затрачивается на порядок больше времени, чем при детектировании на большом потоке и часть малых течей может быть пропущена; малый поток не обнаруживается по тактильным ощущениям, но может быть определён по пузырькам, выходящим из сопла погружённого в воду или масло.

По направлению движения по установке приёмы можно разделить на движение по ходу рассеивания тестового газа и против него. Так, например, при использовании гелия, поднимающегося вверх, при детектировании на сильном потоке и при движении снизу вверх могут появляться блуждающие отклики, которые легко определяются по своему неустойчивому характеру, облегчают детектирование, но несколько затрудняют локализацию течей. С другой стороны движение сверху вниз из-за отсутствия тех же блуждающих откликов затрудняет первичное детектирование, что может приводить к пропускам течей операторами.

Типы течеискателей

В зависимости от оборудования, в котором выявляются течи, поиск течей может производиться визуальным осмотром; обмыливанием; приборами, реагирующими на рабочее вещество тестируемого оборудования; приборами, реагирующими на тестовое вещество

Гелиевые масс-спектрометрические течеискатели

Применение

Необходимым условием для использования гелиевых масспектрометрических течеискателей является наличие вакуума в детекторе прибора — в масспектрометре. Соответственно течеискатели делят на 2 вида — течеискатели для работы с вакуумируемым оборудованием и течеискатели-шнифферы (от англ. sniffer и нем. Schnüffer — нюхач) с помощью которых фиксируют течи тестового газа из тестируемого объёма в атмосферу. Шнифферы являются более дешёвыми моделями течеискателей и обладают на 4—6 порядков более низкой чувствительностью, чем течеискатели на вакууме. Тем не менее большинство течеискателей первого типа комплектуется насадками для защиты входа, которые позволяют им работать в режиме шниффера.

Устройство

Vacuum system of helium leak detector PTI-10 (Сделано в СССР)

Схема масс-спектрометрической камеры. Показаны траектории ионов различной эффективной массы (М₃ > М₂ > М₁). 1 — диафрагма; 2 — приёмник ионов; 3 — коллектор; 4 — источник ионов; 5 — супрессорная сетка коллектора ионов; 6 — входная диафрагма коллектора ионов; 7 — катод

• Детектор тестового газа. Гелиевые масс-спектрометрические течеискатели в качестве детектора газа используют масс-спектрометрические ловушки, включающие в себя:

1. вакуумируемая камера;
2. мишень для детектирования ионов гелия;
3. управляющие электроды, создающие электростатическое поле и предназначенные для разгона ионов и юстировки ионного потока;
4. обогреваемого катода, служащего для эмиссии электронов, ионизирующих молекулы газа попадающих в камеру масс-спектрометра; материалом катода, как правило, служит вольфрам, покрытый торием, иногда используются другие материалы.

• Насос предварительного вакуума.

1. Для создания предварительного вакуума на течеискателях используются малые форвакуумные насосы с производительностью до 50м³/час.
2. Компактные и портативные течеискатели могут оснащаться выносными основными или дополнительными форвакуумными насосами.
3. В конце XX века в связи с повышением требований к чистоте вакуумных процессов течеискатели начали оснащаться не только масляными золотниковыми, но и так называемыми «сухими» или иначе «безмасляными» форвакуумными насосами различных типов: когтевыми, роторными, винтовыми, спиральными.

• Насос глубокого вакуума.

1. Характеристики насосов глубокого вакуума лимитируют чувствительность приборов. Упомянутая ранее пониженная чувствительность шнифферов и универсальных приборов, работающих в режиме шниффера, обусловлены тем, что масс-спектрометр работает с повышенным количеством посторонних молекул, которые неизбежно влияют на уровень фоновых шумов прибора. Аналогичная картина наблюдается на входном порте прибора.
2. До изобретения в конце XX века турбомолекулярных насосов в качестве насоса второй ступени в течеискателях использовались масляные пароструйные насосы. Технические особенности таких насосов ограничивают глубину создаваемого вакуума парциальным давлением паров используемого вакуумного масла, а чувствительность прибора фоновым шумом от паров масла. Типичная предельная чувствительность приборов с пароструйными насосами достигала 10⁻⁹ Вт.
3. все современные течеискатели оснащаются турбомолекулярными насосами, что позволяет достичь чувствительности приборов на уровне 10⁻¹² Вт.

• Система управляемых вентилей и трубопроводов предназначена для защиты работающего масс-спектрометра от прорыва атмосферного давления внутрь прибора.

1. Под действием кислорода воздуха перегорает катод.
2. Турбомолекулярные насосы не способны работать при давлениях свыше 0,1 атм и разрушаются с разлётом лопаток при прорыве атмосферного давления на вход насоса.
3. Управление вентилями включает в себя наборы емкостных датчиков давления.
4. Выхлоп форвакуумных насосов, особенно безмасляных насосов следует защищать от попадания гелия, поскольку он вызывает появление ложного сигнала.

Фреоновые течеискатели

Фреоновые течеискатели используются для поиска течей на любом оборудовании, но проигрывают 3—4 порядка в чувствительности гелиевым масс-спектрометрическим течеискателям. Принцип действия фреоновых течеискателей основан на адсорбции тестового газа на поверхности датчика. В связи с этим при детектировании больших течей фреоновые течеискатели могут сорбировать слишком много фреона и потребуются специальные процедуры для релаксации датчика. С другой стороны работа на атмосферном давлении и простота датчика позволяют создавать ручные портативные течеискатели с чувствительностью до 10⁻⁷ Вт.

Ультразвуковые течеискатели

Ультразвуковой течеискатель представляет собой комбинацию трёх приборов: генератора ультразвука с системой передачи звуковых колебаний на контактный щуп; контактного приёмника ультразвуковых колебаний; компьютерного или аналогового блока для оценки запаздывания и частотных искажений ультразвукового сигнала. Конструктивно ультразвуковой течеискатель близок к ультразвуковому дефектоскопу. Чувствительности ультразвуковых течеискателей могут достигать 10⁻⁸ Вт (по данным на 2001 г.) Существенным плюсом ультразвуковых течеискателей является относительная простота реализации течеискания, отсутствие необходимости в использовании тестового вещества. Существенным минусом метода являются повышенные требования к квалификации оператора, чувствительность метода к наличию посторонних шумов, в том числе шума протекающей по тестируемой системе жидкости или хладагента по рубашке охлаждения.

Ультрафиолетовые детекторы

Чаще всего детектирование ультрафиолетовых тестовых маркеров осуществляется путём визуального осмотра в мягком ультрафиолетовом свете. Чувствительность метода сопоставима с чувствительностью гидравлических испытаний и обмыливанием, однако светящиеся в ультрафиолете точки более заметны, чем мелкие выходящие пузырьки и тем более мелкие капли воды или точечные отложения солей жёсткости.

Аэродвери

Аэродвери — специализированные манометрические течеискатели, предназначенные для проведения натурных испытаний воздухопроницаемости ограждающих конструкций здания.

Другие типы

• Датчик загазованности
• Детектор утечки воды
• Масс-спектрометр
• Индикатор шума

Литература

• ГОСТ 28517-90 Контроль неразрушающий. Масс-спектрометрический метод течеискания (рус.). — 1990.
• Розанов Л.Н. Вакуумная техника (рус.). — 1990. Архивная копия от 31 января 2012 на Wayback Machine
• Клочков А.В., Тагиров М.С. Основы гелиевого течеискания : учебно-методическое пособие (рус.). — 2013.
• Клочков А.В., Тагиров М.С. Современные методы течеискания : учебно-методическое пособие (рус.). — 2013.