Badania szczelności metodą helową metodą wodorową nowości, możliwości,itp

Transkrypt

1 Badania szczelności metodą helową metodą wodorową nowości, możliwości,itp VAK-POL & GAZ sp. z o.o. ul. Czeremchowa Wrocław Zygmunt Kamola Tel. (22) Kamola@vakpol.com Mądralin 3 Politechnika Warszawska MEiL ITC

2 1910 Joseph J. Thomson pierwszy spektrometr 2010 współczesna wersja 2

3 1947 Publikacja Projekt Manhattan

4 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów

5 NIESZCZELNOŚĆ STANDARDOWA Standard leak q PV P 1 Discharge Leak channel P 0 Inlet Direction of flow Wall P1 = 1000 mbar P0 = 0 mbar 100 % hel 20 deg C [293 K]

6 METODY WYKRYWANIA NIESZCZELNOŚCI Metoda Czułość mbarl/s 1. Penetranty 10 ³ (10 4 ) 2.Ultradźwięki 10 ³ 3.Próba wodna 10 2 (10-3 ) 4.Bańki mydlane; 10 ³ NEKAL TEST; BUBLE-TEST 5.SENSORY naj. generacji detektory, półprzewodniki WODÓR 10 ³ FREONY (halogeny) AMONIAK 5x SF SPEKTROMETRY mas 10.HELOWY specjalizowany spektrometr RADIOIZOTOPY Kr

7 KRYTERIA WYBORU metody i techniki wg PN-EN 1779

8

9 PN-EN 1977 METODA GAZU ZNAKUJĄCEGO

10 PRZYKŁADY NIESZCZELNOŚCI 1.Różnica ciśnień = 1 bar ŚREDNICA OTWORU NIESZCZELNOŚĆ 10-2 m = 10 mm 10 4 mbarl/s 10-3 m = 1 mm 10 2 mbarl/s 10-4 m = 0, 1 mm 10 0 mbarl/s 10-5 m = 0,01 mm 10-2 mbarl/s 10-6 m =0,001 mm 10-4 mbarl/s m = 1 Angstrem mbarl/s

11 Poziom nieszczelności dla różnych systemów Element lub system Max. dopuszczalna nieszczelność mbarl/s Chemiczne procesy 100 do 10-1 Uszczelnienie butelki 10-5 do 10-6 CO 2 Uwagi Duże przepływy Układy próżniowe 10-2 do 10-7 Ciągłe pompowanie Elementy elektroniki 10-7 do 10-8 Implanty do 10-9 wszczepiane Elementy człowiekowi Zamknięte elementy próżniowe 10-8 do lub lampy Np. Telewizory rentgenowskie

12 SZCZELNOŚĆ Metoda Wasserdicht (Tropfen) WODNA(KROPLE) helowa w badaniach szczelności obiektów TEST PECHERZYKOWY BUBBLE TEST mbar l / s 10-2 Dampfdicht (Schwitzen) PARA Bakteriendicht BAKTERIA Benzin- und öldicht BENZYNA ; OLEJ Virendicht WIRUS KRIOGENIKA 10-8 "Absolut" (techn.) dicht TECHNICZNA SZCZELNOŚĆ Prezentacja Gazoprojekt

13

14 Spektrometr przeciwprądowy Spektrometr współprądowy P cz He Pompa turbo P cz He Pompa turbo Kierunek pompowania

15 SPEKTROMETR MASOWY HELOWY lata 70 15

16 Pomiar próżni Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów Pompa turbo obr/min spektrometr Magnes stały Zasilacz pompy 16

17

18 1 Wskaźnik graficzny 2 Gaz 3 Wartość

19 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów KALIBRACJA PRZYRZĄDU

20

21 Niebieski : surowy sygnał z przed-wzmacniacza (szum) Czerwony : wyjście sygnału po obróbce algorytmem I-CAL 21

22 UL1000 : I-CAL Konsekwencja funkcji : Zero 1x10-5 1x10-5 1x10-5 1x10-5 1x10-6 1x10-6 1x10-6 1x10-6 1x10-7 1x10-7 1x10-7 1x10-7 1x10-8 1x10-8 1x10-8 1x10-8 ULTRA 1x10-9 1x10-9 1x10-9 1x10-9 1x x x x10-10 UL200/UL500 GROSS 1x x10-11 FINE 1x

23 Jaki jest rozkład nieszczelności?

24 Ecotec E3000 Multi-Gas Leak detekcja charakterystycznej masy gazu

25 Relative sensitivity Improved Reliability of Leak Detection The cross sensitivity problem R600a Cyclopentane amu

26 Relative sensitivity Improved Reliability of Leak Detection The cross sensitivity problem R600a Isopentane amu

27 Improved Reliability of Leak Detection - Improved monitoring functions ECO-Check built-in reference leak Calibration for all masses between 40 and 105 amu

28 Improved Reliability of Leak Detection - Detect leaks at larger distance from leak 100% 90% 80% 70% Leak rate [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Protec P3000XL Protec P3000 Protec Vacuum leak detector with sniffer line Polynomisch (Protec P3000) Distance from front side of tube joint [mm] Polynomisch (Protec P3000XL) *Results strongly depend on cross winds Polynomisch (Protec) Polynomisch (Vacuum leak detector with sniffer line)

29 Folia T-Guard Zbiornik napełniony helem %? Powietrze atm Wentylator

30 możliwość automatyzacji pomiaru 30 Dlaczego REWOLUCJA? brak próżni prosta komora pomiarowa gaz nośny - powietrze atmosferyczne obiekt po próbie suchy, nie potrzeba żadnych dodatkowych zabiegów przed dalszym montażem zastępuje kłopotliwe metody wodne pomiar szczelności a nie ocena bardzo duża powtarzalność pomiaru duża czułość metody [ 2 x10exp-6 mbarl/s ]

31 Stanowisko laboratoryjno-demonstracyjne 31 T-Guard Plastikowy pojemnik z obiektem Pompa membranowa

32 Principle of Operation Wise Technology TM Sensor Zasada działania : Separacja helu z powietrza przez membranę SiO 2 Detekcja helu poprzez pomiar przyrostu ciśnienia w zamkniętej objętości Podgrzewana siatka Materiał siatki grzejnej Hel azot (air) Wnętrze sensora Kwarcowa membrana 32

33 The new generation in Helium Leak Detectors for Semiconductor Applications

34 34 Pozycja T-Guard w badaniach szczelności T-GUARD Zmiana ciśnienia ; kąpiel wodna < 10exp-6 mbarl/s > 10exp-6 mbarl/s

35 Wodór jako gaz nośny Tańszy niż hel Gaz rozprasza się bardzo szybko Łatwość zastosowania Przenosi się szybko przez ziemię, asfalt, Możliwość detekcji prawie przy ciśnienu atmosferycznym a... Czujnik Sensistor detektuje tylko wodór! 35

36 Sensistor Technology: MOSFET with metal hydride gate. Measures presence of hydrogen atoms inside sensor. unikalna selektywność Other techniques measure some quality of or effect of the gas limited selectivity. Small size (diameter: 5 mm, length 15 mm) Too slow for absolute measurements. Detector Basics: Reakcja na zmiany w koncentracji wodoru. Nie ma przepływu przez sondę łatwość pomiaru ale sygnał zależny od odległości do źródła nieszczelności 36

37 37 Basic sensor characteristics Sensitivity 0,1 ppm in Detection Mode 0,5 ppm in Analysis Mode Saturation Level ~2000 ppm in Detection Mode ~5000 ppm in Analysis Mode Speed (instrument) Reaction time s (faster for high concentrations) Response time t 100 = 1 3 s (faster for high concentrations) Recovery time: 1 10 s (faster for high concentrations) Template - January 2008

38 AEROSPACE / Fuel leaks Todays method: Guesswork, soap, penetrants, (helium) Drawbacks: time consuming, unpredictable, lots of re-work, easy to miss leaks How to use H2: fill gas by backtracing - locate leak Special circumstance: Maybe Ex-environment NB! Local regulations! Benefits: fast and dry method, finds leaks without visual access, only need 1 operator, easy to verify repair, Customers: Airbus National Air Guard Lufthansa Technik Eurocopter

39 AEROSPACE / advice Go for Maintenance (MRO) fuel leaks Maintenance cooling systems Manufacturing fuel systems small aircraft Template - January 2008

40 40 Konsekwencja dryftu sygnału : Sensistor sensor nie mierzy koncentracji absolutnej! Detektor mierzy różnicę : Pomiar tła [ z dala od źródła nieszczelności ] Przesunąć sensor w obszar pomiaru. Detektor prezentuje wynik na podstawie zmiany pomiędzy tłem a danym punktem Template - January 2008

41 PROCESS H 2 cooled Todays method: soap / helium Template - January 2008 generators Drawbacks: messy helium is very difficult for small AND large leaks, easily contaminates the search area How to use H2: OK to use 100%H2, fill gas - locate leak Special circumstance: Can be an Ex environment! Benefits: simple method to apply in a demanding environment, fast to pin-point even with a high background Customers: OKG (Nuclear power plant) Gösgen-Däniken Kernkraftwerk Leibstadt

42 Szczególnie trudnym i kosztownym jest żądanie by obiekt : [tak czasami formułują niektórzy warunki dla swoich obiektów ] Nie miał żadnych wykrywalnych nieszczelności Żadnych mierzalnych nieszczelności Brak nieszczelności ZERO nieszczelności Taka specyfikacja stwarza dla badającego szczelność operatora duże zakłopotanie! SZCZELNOŚĆ UŻYTKOWA - wprowadza norma PN-EN 1779

43 technische Dichtheit durchgesetzt: Dicht ist, was so dicht ist, wie es sein soll. Techniczna szczelność : Szczelne jest, co tak jest szczelne, jak powinno być. SZCZELNOŚĆ UŻYTKOWA

44 44

45 TECHNIKI BADAŃ 1. POMIAR 2. LOKALIZACJA 3. MONITOROWANIE

46 LEAKAGE TESTING TECHNIQUES TECHNIKI BADANIA SZCZELNOŚCI POMIAR możliwość podniesienia czułości - test statyczny [ akumulacyjny] Możliwość pomiaru : 10exp-15 [Pam3/s ] 10exp-14 [mbarl/s] Współczesne przyrządy : Czułość 10exp-13 [Pam3/s] 10exp-12 [mbarl/s] Możliwość podniesienia czułości metody Ograniczeniem jest czas pomiaru Mierzymy przyrost koncentracji gazu w czasie 46

47 Metoda hel helowa w badaniach szczelności obiektów Badany obiekt 1 w komorze próżniowej 5 METODA INTEGRALNA PRÓŻNIOWA - obiekt jest napełniony helem a wokół obiektu jest wytworzona próżnia

48 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów Odmiana integralnej metody próżniowej - obiekt jest w próżni a hel doprowadzony jest np. pod folię lub do komory

49 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów hel Metoda lokalna ciśnieniowa - obiekt 1 napełniony helem o ciśnieniu p ; Sonda 7 służy do miejscowej detekcji gazu - tylko szacunkowy pomiar nieszczelności całkowitej

50 LEAKAGE TESTING TECHNIQUES TECHNIKI BADANIA SZCZELNOŚCI POMIAR - test dynamiczny 50

51 ZASADA POMIARU QE =QS + QLD Partial flow system for the detection of large leaks of test objects S LD S PFP S LD SLD S PFP 51

52 Dobór miejsca podłączenia wykrywacza nieszczelności Where connect leak detector? czułość Czas reakcji 52

53 Czas reakcji response time Vacuum mode 53

54 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów KONTROLA SZCZELNOŚCI UKLADU CHŁODZENIA W ELEKTROWNI ATOMOWEJ

55 Kontrola szczelności rurociągów w MOBIL OIL COMPANY

56

57 DLACZEGO HEL?

58 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów HEL jako GAZ PRÓBNY HEL jest idealnym gazem w technice sprawdzania nieszczelności ponieważ : jest nietrujący jest niepalny nie tworzy mieszanin eksplozyjnych jest korzystny dla środowiska,obojętny, nie wchodzi w reakcję z innymi substancjami, nie zmienia własności fizyko-chemicznych powierzchni kontaktowych, możliwość stosowania go praktycznie w nieograniczonym zakresie temperatur i ciśnień nie kondensuje się w całym zakresie technicznych zastosowań jest stabilny temperaturowo umożliwia to spawanie obiektów pracujących w wysokich temperaturach

59 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów w powietrzu jest go niewiele, tylko 5 ppm,a więc daje to wyjątkowo niskie tło przy sprawdzaniu metodą nadciśnieniową po wodorze jest gazem o najmniejszej cząstce, co dodatkowo umożliwia wykrywanie najmniejszych nieszczelności ; hel łatwo penetruje najdrobniejsze pory materiału jest łatwy do oddzielenia w spektrometrze masowym (wodór masa 2 hel 4, następny gaz > 10 ) ; nie wymaga specjalistycznych spektrometrów - spektrometry dla helu są proste w budowie ; uzyskuje się czułość 10 exp-12 mbarl/s ; (dla porównania : jedna z najczulszych metod,tj. użycie radioaktywnego kryptonu Kr 85 daje czułość rzędu 10 exp 13 mbarl/s

60 Metoda helowa w badaniach szczelności obiektów nie wykazuje czułości krzyżowej z innymi gazami ; dlatego możliwe jest osiąganie najwyższej czułości w technice wykrywania nieszczelności bardzo precyzyjnie można zlokalizować miejsce nieszczelności łatwość kalibracji na obiekcie i przyrządu [dokładność wzorca ±0,2x10-8 mbarl/s ] jest stosunkowo tani

61 Decision Flowchart Connector? yes q L <1E-4 mbarl/s? yes Way of testing? no no Way of testing? Low volume High volume Bombing Sniffing Accumulation integral Vacuum test local Sniffing He H 2 H 2 or He He He

62 Dziękuję za uwagę. W razie pytań proszę o kontakt: Zygmunt Kamola kamola@vakpol.com TUEV Akademia Polska Korbielów marzec

63 ŚREDNICA MOLEKUŁY Molekuła Średnia droga swobodna cm x [ 1 mbar 25 0 C ] Średnica molekuły cm x10-8 H 2 9,31 2,75 He 14,72 2,18 Ne 10,45 2,60 A 5,31 3,67 O 2 5,40 3,64 CO 2 3,34 4,65 H 2 O 3,37 4,68 CH 4 4,15 4,19 Propan 1,82 6,32

64 WYMAGANIA SZCZELNOŚCI Z uawgi na zapewnienie ciągłości pracy systemu USA 19. LISTOPADA 1965

65