9.2. Течеискание
Течеискание предназначено для контроля герметичности изделий. Течь – это сквозной канал или пористый участок изделия или его элементов, нарушающий их герметичность.
Негерметичность может объясняться также и проницаемостью основного материала с ненарушенной структурой. Но проницаемость, как свойство материала, должно учитываться и исключаться при выборе материалов и видов соединений. Проницаемость имеет избирательный характер и проявляет себя лишь по отношению к определенным проникающим веществам, в то время как сквозь течи могут проходить все проникающие вещества.
Методы течеискания основаны на применении различных пробных веществ (газов или жидкостей), фиксируемых после проникновения их сквозь течи визуально или с помощью приборов-течеискателей.
Ввиду невозможности прямого измерения линейных размеров сквозных дефектов из-за их извилистости и малых размеров и с целью однозначности их количественной характеристики течи условно характеризуют потоком воздуха, проходящего сквозь них в единицу времени из атмосферы в вакуум при 18С.
Следует заметить, что абсолютная герметичность недостижима и неконтролируема. Герметичными считаются конструкции, если перетекание сквозь них проникающих веществ достаточно мало, чтобы его влиянием можно было пренебречь в условиях эксплуатации изделия или хранения вещества.
Если герметизация осуществляется ради сохранения вещества, заполняющего изделие, то предельно допустимый поток qдоп вещества, перетекающего сквозь течь, рассчитывается по формуле:
qдоп = Qдоп / t , (9.1)
где Qдоп – предельно допустимое к потере количество вещества за время t.
Если же герметизация осуществляется для поддержания требуемого давления Р вещества, заполняющего изделие, то предельно допустимый поток вещества, перетекающего сквозь течь, определяется как:
qдоп = Р V / t , (9.2)
где Р - допустимое изменение давления газовой среды в объеме V изолированной полости за время t.
В системе СИ потоки измеряют в м3Па/c (или Вт). Физический смысл этой единицы в том, что она характеризует количество газа при данной температуре как произведением его давления на занимаемый объем, так и энергией, запасенной в нем.
В зависимости от задач контроля герметичности, геометрических характеристик изделий и имеющегося оборудования различают и используют различные схемы контроля (рис. 9.2): схемы с созданием внутреннего (а, в) или внешнего (б, г) избыточного давления (опрессовка), интегральную схему (а, б) – для установления факта герметичности или негерметичности изделия, и локальную схему (в, г) – для обнаружения участка и места течи.
Рис. 9.2. Схемы течеискания: а, б – интегральная; в, г - локальная; а, в – с созданием внутреннего избыточного давления; б, г – внешнего избыточного давления
При течеискании крупногабаритных изделий предварительно устанавливают факт негерметичности, а затем уже выявляют места течей. Известны следующие основные методы течеискания.
Метод керосиновой пробы (капиллярный) основан на явлении капиллярного проникновения пенетранта в дефекты и регистрации контраста на фоне поверхности контролируемого объекта. Керосин обладает высокой проникающей способностью благодаря тому, что он низковязок и хорошо растворяет пленки жира и пробки в несплошностях. В качестве адсорбирующего покрытия используют меловую обмазку. Признаком дефекта являются желтые пятна керосина на меловом фоне. Для лучшей выявляемости дефектов в керосин добавляют красители. Для повышения чувствительности и производительности контроля производят вакуумирование изделия со стороны обмазки и применяют вибрацию. Метод керосиновой пробы применяют при контроле топливных элементов конструкций летательных аппаратов (баков, емкостей, трубопроводов и др.). Чувствительность метода достигает 104 Вт.
Гидравлический метод основан на создании в контролируемом объекте избыточного давления жидкости и регистрации мест течи (отпотевания) на наружной поверхности объекта. Применяют также индикацию течей с помощью фильтровальной бумаги. Чувствительность метода – до 105 Вт. При контроле изделий гидравлический метод часто совмещают с методом керосиновой пробы.
При люмогидравлическом методе контроля в пробное вещество, например, керосин, добавляют люминофор и проводят осмотр наружной поверхности изделия в ультрафиолетовом свете. Для лучшей выявляемости дефектов на поверхность наносят также индикаторное покрытие, в состав которого входят люминесцентное вещество и сорбент (крахмал), который удерживает воду в течение длительного времени. Чувствительность метода – до 105 Вт, а при опрессовке – до 107 Вт.
Пузырьковый метод основан на регистрации локальных течей по появлению пузырьков газа при погружении изделия в водяную ванну и подаче газа под избыточным давлением в изделие. Чувствительность метода зависит от испытательного давления и достигает 2106 Вт. При создании вакуума над жидкостью чувствительность увеличивается в 2-2,5 раза за счет роста размеров пузырьков. Если размеры изделия велики, то его наружную поверхность покрывают пенообразующим веществом. Для открытых изделий с односторонним подходом к соединениям применяют переносные вакуумные камеры-присоски с иллюминатором, устанавливаемые на контролируемый участок соединения с предварительным покрытием шва пенообразным веществом.
Манометрический метод основан на регистрации изменения давления внутри изделия с помощью датчиков давления за определенный промежуток времени. Этот метод применяют в двух вариантах: компрессионном, предусматривающем заполнение изделия до давления выше атмосферного (рабочего), и вакуумном, когда изделие вакуумируется. В качестве пробного вещества используются жидкости или газы. Чувствительность компрессионного способа составляет 103 104 Вт, а вакуумного - до 106 Вт.
Химический метод основан на индикации течей при химическом взаимодействии пробного вещества с индикаторным слоем, нанесенным на наружную поверхность шва. В качестве пробного вещества используют воздушно-аммиачную смесь или углекислый газ, а в качестве индикатора - бумажные или марлевые ленты, смоченные фенолфталеином, или пасту. Места течей фиксируются в виде черных или фиолетовых пятен на ленте или бесцветных пятен на малиновом фоне пасты. Чувствительность метода достигает 109 Вт. Этот метод часто совмещают с пневматическими испытаниями.
Радиационный метод контроля основан на регистрации малых количеств радиоактивных жидкостей и газов по испускаемому ими ионизирующему излучению. Регистрацию ведут с помощью газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков с чувствительность до 1013 Вт.
Галоидный и масс-спектрометрический методы относятся к газоаналитическим методам течеискания.
В галоидном методе в качестве пробного газа используют фреон-12. Действие галоидных течеискателей основано на явлении резкого увеличения эмиссии положительных ионов с анода в преобразователе в присутствии галоидных элементов фтора. С применением галоидных течеискателей возможно проведение как атмосферных (способ щупа), так и вакуумных испытаний (способ обдува). При атмосферных испытаниях изделие заполняют газом под избыточным давлением, а щупом с атмосферным преобразователем производят контроль наружной поверхности шва. При вакуумном варианте контроля вакуумный преобразователь соединяют с контролируемым изделием, а шов обдувают струей пробного газа. Чувствительность способа щупа достигает 1013 Вт, а способа обдува - 1013 Вт.
В масс-спектрометрическом методе контроля пробным веществом является летучий газ - гелий, молекулы которого имеют малый размер (~ 0,2 нм) и, следовательно, обладают хорошей способностью проникать сквозь мельчайшие несплошности. Индикация течей производится масс-спектрометрическим анализатором путем разделения ионов различных газов по отношению их массы к заряду. Различают способы контроля щупа и обдувом, а также с использованием вакуумной камеры. Наивысшая чувствительность (до 1013 Вт) достигается при использовании вакуумной камеры, когда изделие устанавливается внутрь камеры (интегральный контроль). Менее чувствительны способы обдува (1010 Вт) и щупа (109 Вт), но они более производительны и экономичны, и ими обеспечивается локализация течей.
Выбор метода течеискания зависит в основном от класса герметичности испытуемых объектов, который в свою очередь определяется уровнем требований к их герметичности, устанавливаемым НТД. В соответствии с этим все методы течеискания разделены на 5 классов (табл. 9.1).
Т а б л и ц а 9.1