چرا تشخیص نشتی برای پمپ وکیوم بسیار مهم است؟

اهمیت تشخیص نشتی برای سیستم خلاء شما

اگر سیستم خلاء یا پمپ وکیوم دارید، به یک آشکارساز نشتی هلیوم نیاز دارید. شما هزینه زیادی را صرف پمپ‌های خلاء، لوله‌کشی، سخت‌افزار و گیج‌ها می‌کنید، اما اگر نشتی داشته باشید، سیستم شما به طور مؤثر کار نمی‌کند و پول خود را دور می‌ریزید.

تشخیص نشتی وکیوم گامی مهم است که نباید در طول استفاده از سیستم خلاء خود از آن صرف نظر کنید. تشخیص نشتی برای اطمینان از عملکرد مؤثر سیستم و عملکرد کامل آن بسیار مهم است. در ادامه با سی ان سی صنعت همراه باشید :

چرا باید نشتی‌ها را در سیستم خلاء خود تشخیص دهید؟

چرا باید نشتی‌ها را در سیستم خلاء خود تشخیص دهید؟ با توجه به داده های لیبولد موارد زیر در این خصوص بسیار مهم است :

1. حفاظت از پرسنل و محیط زیست: نشتی در تجهیزات یا سیستم‌های فشار بالا می‌تواند منجر به آلودگی محیط زیست با مواد مضر (مایعات یا گازهای سمی) شود.
2. تضمین کیفیت محصول: یک محصول می‌تواند از نظر کیفیت و قابلیت اطمینان به دلیل از دست دادن مواد یا نفوذ ماده یا گاز خارجی با تجاوز از معیارهای طراحی قبولی/رد، تحت تأثیر منفی قرار گیرد.
3. نگهداری و آمادگی عملیاتی ماشین‌آلات یا سیستم‌های تولیدی: میزان نشتی غیرقابل قبول، آمادگی عملیاتی یا حتی ایمنی ماشین‌آلات و سیستم‌ها را به خطر می‌اندازد، اثربخشی آنها را کاهش می‌دهد، جریان فرآیند را مختل می‌کند و منجر به محصول نهایی معیوب می‌شود.

چهار سوال مهم در مورد تشخیص نشتی پمپ وکیوم

چهار سوال مهم در مورد تشخیص نشتی پمپ وکیوم

علاوه بر پمپ وکیوم و اجزای جداگانه آنها (مخزن خلاء، خطوط لوله، شیرها، دستگاه‌های اندازه‌گیری و غیره)، سیستم‌ها و محصولات متعدد دیگری در زمینه‌های صنعت و تحقیقات با الزامات بالا در مورد آب‌بندی یا به اصطلاح “آب‌بندی هرمتیک” وجود دارند. این موارد، به ویژه شامل مجموعه‌هایی برای صنعت خودرو و تبرید می‌شود.

اظهارات کلی که اغلب گفته می‌شود، مانند “بدون نشتی قابل تشخیص” یا “میزان نشت صفر”، مبنای کافی برای آزمایش پذیرش نیستند.

هر مهندس باتجربه می‌داند که مشخصات پذیرش به درستی تدوین شده، میزان نشت خاصی را در شرایط تعریف شده نشان می‌دهد. اینکه کدام میزان نشت قابل قبول است نیز توسط خود کاربرد تعیین می‌شود.

انواع نشتی پمپ خلاء

ساده‌ترین تعریف برای اصطلاح «نشت» این است: نشتی عبارت است از «روزنه» در یک دیوار یا مانع (جداکننده) که از طریق آن جامدات، مایعات یا گازها می‌توانند به طور نامطلوب وارد یا خارج شوند.

بسته به نوع ماده یا نقص اتصال، انواع نشتی زیر متمایز می‌شوند:

• نشت در اتصالات جداشدنی: فلنج‌ها، سطوح اتصال زمین، پوشش‌ها
• نشت در اتصالات دائمی: درزهای لحیم و جوشکاری، اتصالات چسبی
• نشت ناشی از تخلخل: به ویژه پس از تغییر شکل مکانیکی (خم شدن!) یا پردازش حرارتی مواد پلی کریستالی و قطعات ریخته‌گری
• نشت حرارتی: باز شدن در بارگذاری دمای شدید (گرما/سرما)، به ویژه در اتصالات لحیم‌کاری
• نشت ظاهری (مجازی): نشت: مقادیری گاز از حفره‌ها و فرورفتگی‌های داخل قطعات ریخته‌گری شده، سوراخ‌های کور و اتصالات (همچنین به دلیل تبخیر مایعات) آزاد می‌شود.
• نشتی‌های غیرمستقیم: نشتی خطوط تغذیه در سیستم‌های خلاء یا کوره‌ها (آب، هوای فشرده، آب نمک)
• «نشتی‌های سریالی»: این نشتی در انتهای چندین «فضای متصل به صورت سری» است، به عنوان مثال نشتی در قسمت پر از روغن در مخزن روغن در یک پمپ پره ای چرخشی.
• «نشتی‌های یک طرفه»: این نشتی‌ها به گاز اجازه عبور در یک جهت را می‌دهند اما در جهت دیگر مسدود هستند (بسیار نادر).
• ناحیه‌ای که گازبند نیست اما به این معنا که نقصی وجود دارد، نشتی ندارد، عبارت است از:
• نفوذ: نفوذپذیری طبیعی گاز از طریق موادی مانند شلنگ‌های لاستیکی، درزگیرهای الاستومر و غیره (مگر اینکه این قطعات شکننده شده و در نتیجه “نشت” کنند).

جدول انواع نشتی پمپ وکیوم

جدول انواع نشتی پمپ وکیوم

نرخ نشت پمپ وکیوم ، اندازه نشت (گاز) جریان جرمی

هیچ دستگاه یا سیستم خلاء هرگز نمی‌تواند کاملاً خلاء را مسدود کند و در واقع نیازی به این کار نیست. نکته ساده و اساسی این است که نرخ نشت باید به اندازه‌ای پایین باشد که فشار عملیاتی مورد نیاز، تعادل گاز و فشار نهایی در محفظه خلاء تحت تأثیر قرار نگیرد. از این رو، الزامات مربوط به گازبندی یک دستگاه، هرچه سطح فشار مورد نیاز پایین‌تر باشد، سختگیرانه‌تر است.

برای اینکه بتوان نشتی‌ها را به صورت کمی ثبت کرد، مفهوم “نرخ نشت” با نماد qL و واحد mbar·l/s معرفی شد.

نرخ نشت qL = 1 mbar·l/s زمانی وجود دارد که در یک مخزن بسته و تخلیه شده با حجم 1 لیتر، فشار 1 میلی بار در ثانیه افزایش یابد یا در جایی که فشار مثبت در مخزن وجود دارد، فشار 1 میلی بار در ثانیه کاهش یابد.

نرخ نشت یک مخزن، میزان جریان گازی را که از دیواره‌های مخزن خارج می‌شود، نشان می‌دهد. با این حال، باید توجه داشت که نرخ نشتی برای یک نشتی به نوع گاز بستگی دارد.

اگر دمای گاز T و جرم مولی M یک گاز G مشخص باشد، جریان جرمی گاز را می‌توان از نرخ نشتی qL با استفاده از معادله حالت برای گازهای ایده‌آل از طریق رابطه زیر محاسبه کرد:

with:

• R = 83.14 (mbar·l) / (mol·K)
• T = Gas temperature in K
• M = Molar mass in g/mol
• Δm = Mass in g
• Δt = Time span in s

این رابطه به شرح زیر استفاده می‌شود:

الف) برای تعیین دبی جرمی Δm/Δt در نرخ نشتی معلوم qL یا
ب) برای تعیین دبی نشتی qL در دبی جرمی گاز معلوم Δm/Δt

برای سیستم‌های خلاء بالا، قانون سرانگشتی زیر اعمال می‌شود:

 

qL(هوا) < 10-6 mbar·l/s = سیستم “بسیار سفت” است.
qL(هوا) < 10-5 mbar·l/s = سیستم “به اندازه کافی سفت” است.
qL(هوا) > 10-4 mbar·l/s = سیستم “نشتی” است.

در واقع، نشتی را می‌توان با یک پمپ خلاء با ظرفیت کافی جبران کرد، زیرا موارد زیر در مورد فشار نهایی (عملیاتی) قابل دستیابی Pult صدق می‌کند:

Pult = qL/Seff

با:

QL = نرخ نشتی بر حسب میلی بار · لیتر بر ثانیه
Seff = سرعت پمپاژ مؤثر پمپ خلاء در مخزن خلاء بر حسب لیتر بر ثانیه

اگر Seff به اندازه کافی افزایش یابد، بنابراین همیشه می‌توان به یک فشار نهایی (عملیاتی) مشخص، مستقل از میزان نشتی qL، دست یافت.

با این حال، در عمل، افزایش مطلوب Seff ممکن است به دلایل اقتصادی و طراحی (هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری، نیاز به فضای زیاد) قابل تحقق نباشد.

اگر فشار نهایی مطلوب در یک سیستم خلاء حاصل نشود

برای تمایز قائل شدن بین این دو علت، می‌توان از آنالیز فشار جزئی با طیف‌سنج جرمی یا آزمایش افزایش فشار وابسته به زمان استفاده کرد. از آنجایی که هنگام استفاده از آزمایش افزایش فشار، فقط می‌توان وجود نشتی و نه موقعیت آن در سیستم را تعیین کرد، توصیه می‌شود از یک آشکارساز نشت هلیوم استفاده شود که با آن می‌توان نشتی‌ها را نیز به طور قابل توجهی سریع‌تر محلی‌سازی کرد.

برای دستیابی به یک نمای کلی از همبستگی بین اندازه هندسی سوراخ و میزان نشتی مرتبط، می‌توان بر اساس تخمین تقریبی زیر عمل کرد:

یک سوراخ دایره‌ای با قطر D = 1 سانتی‌متر در دیواره یک مخزن خلاء با یک شیر بسته شده است. فشار اتمسفر (p = 1013 میلی‌بار) در بیرون و خلاء در داخل غالب است. هنگامی که شیر باز می‌شود، هوا با سرعت صوت (vs = 330 متر بر ثانیه) از طریق سطح مقطع باز A = π·(D2/4) ~ 0.79 سانتی‌متر مربع به داخل مخزن جریان می‌یابد. مقدار هوای ورودی به مخزن برابر است با qL(air) = p·vs·A ~ 2.6·104 mbar·l/s.

اگر سایر شرایط یکسان نگه داشته شوند و هلیوم با سرعت صوت ۹۷۰ متر بر ثانیه به داخل سوراخ جریان یابد، نرخ نشت هلیوم qL (هلیوم) ~ ۷.۷·۱۰۴ mbar·l/s خواهد بود، بنابراین نرخ نشت به طور قابل توجهی بالاتر است.

این «حساسیت» بیشتر برای هلیوم در تشخیص نشتی استفاده می‌شود و منجر به توسعه و تولید انبوه آشکارسازهای نشتی بسیار حساس مبتنی بر هلیوم شده است.

در شکل 1، همبستگی بین اندازه سوراخ و نرخ نشتی برای هوا نشان داده شده است، با مقدار تقریبی qL (هوا) = 104 میلی بار بر لیتر بر ثانیه برای «سوراخ 1 سانتی‌متری».

جدول نشان می‌دهد که وقتی قطر سوراخ D به 1 میکرومتر = 0.001 میلی‌متر کاهش یابد (= کاهش D با ضریب 10000)، نرخ نشتی به 1.0·10-4 میلی بار بر لیتر بر ثانیه خواهد رسید، مقداری که در فناوری خلاء از قبل نشان دهنده یک نشتی بزرگ است (به قانون سرانگشتی بالا مراجعه کنید).

نرخ نشتی 1.0·10-12 میلی بار بر لیتر بر ثانیه مربوط به قطر سوراخ 1 آنگستروم (Å) است؛ این حد پایین تشخیص برای آشکارسازهای نشتی هلیوم مدرن است.

از آنجایی که ثابت‌های شبکه برای بسیاری از جامدات به چندین آنگستروم می‌رسد و قطر مولکول‌های کوچکتر (H2، He) حدود ۱ آنگستروم است، نفوذ ذاتی از طریق جامدات را می‌توان با استفاده از آشکارسازهای نشت هلیوم به صورت مترولوژیکی ثبت کرد. این امر منجر به توسعه نشت‌های آزمایشی کالیبره شده با نرخ نشت بسیار کم شده است. این یک “عدم سفتی” قابل اندازه‌گیری است اما “نشت” به معنای نقص در ماده یا اتصال نیست.

ارتباط بین معیارهای آب‌بندی و میزان نشتی پمپ وکیوم

ارتباط بین معیارهای آب‌بندی و میزان نشتی پمپ وکیوم

تخمین‌ها یا اندازه‌گیری‌های اندازه اتم‌ها، مولکول‌ها، ویروس‌ها، باکتری‌ها و غیره اغلب باعث ایجاد اصطلاحات روزمره‌ای مانند «آب‌بندی» یا «باکتری‌بندی» شده است.

مفهوم / معیار	توضیح	qL (mbar·l/s)	اندازه ذرات مربوطه
Water-tight*	Droplets	< 10–2
Vapor-tight	“Sweating”	< 10–3
Bacteria-tight* (cocci) (rod-shaped)		< 10–4	∅ ≈ 1 μm ∅ ≈ 0.5 – 1 μm, 2 – 10 μm long
Oil-tight		< 10–5
Virus-tight* (vaccines e.g. pox) (smallest viruses, bacteriophages) (viroids, RNA)		< 10–6 < 10–8 < 10–10
Gas-tight		< 10–7
“Absolutely tight”	Technical	< 10–10

برخلاف بخار، لازم است بین جامدات آب‌دوست و آب‌گریز تمایز قائل شویم. این امر در مورد باکتری‌ها و ویروس‌ها نیز صدق می‌کند زیرا آنها عمدتاً در محلول‌ها منتقل می‌شوند.

نرخ نشت استاندارد هلیوم

برای تعریف قطعی نشت، فشارهای حاکم بر دو طرف دیواره (مخزن) و ماهیت محیط عبوری از آن دیواره (ویسکوزیته، جرم مولی) مورد نیاز است. برای حالتی که آزمایش با هلیوم با اختلاف فشار ۱ بار از فشار اتمسفر (خارجی) تا خلاء (p < ۱ میلی بار، داخلی) انجام می‌شود که اغلب در عمل یافت می‌شود، عنوان «نرخ نشت استاندارد هلیوم» در استاندارد DIN EN ۱۳۳۰-۸ معرفی شده است.

برای نشان دادن نرخ رد آزمایش با استفاده از هلیوم تحت شرایط استاندارد هلیوم، ابتدا لازم است شرایط آزمایش واقعی استفاده به شرایط استاندارد هلیوم تبدیل شود. چند نمونه از چنین تبدیل‌هایی در اینجا نشان داده شده است:

فرمول‌های تبدیل در مورد تبدیل فشار و نوع گاز (ویسکوزیته، جرم مولی)، باید توجه داشت که فرمول‌های متفاوتی برای جریان ویسکوز لمینار و جریان مولکولی اعمال می‌شود. مرز بین این دو ناحیه بسیار دشوار است. به عنوان یک راهنما، می‌توان فرض کرد که در نرخ‌های نشتی:

• qL > 10⁻⁴ mbar·l/s: جریان ویسکوز لمینار
• qL < 10⁻⁶ mbar·l/s: جریان مولکولی

در محدوده میانی، سازنده (که تحت شرایط ضمانت مسئول است) باید مقادیر را در سمت ایمن در نظر بگیرد.

در اینجا، اندیس‌های “I” و “II” به نسبت فشارهای مختلف و اندیس‌های “1” و “2” به ترتیب به داخل و خارج نقطه نشتی اشاره دارند. برای استفاده منطقی از فرمول‌ها، فشار p1 همیشه باید فشار بالاتر باشد (p1 > p2).

جدول 2: فرمول‌های تبدیل فشار و نوع گاز p = فشار، q = جریان گاز (نرخ نشتی)، η = ویسکوزیته، M = جرم مولی

اصطلاحات و تعاریف هنگام جستجوی نشتی، معمولاً باید بین دو وظیفه تمایز قائل شد:

1. مکان‌یابی نشتی‌ها
2. اندازه‌گیری نرخ نشتی

همچنین، بر اساس جهت جریان سیال، تمایز قائل می‌شویم بین: الف. روش خلأ (گاهی به عنوان “نشتی از بیرون به داخل” شناخته می‌شود)، که در آن جریان به سمت داخل شیء آزمایشی است؛ فشار داخل شیء آزمایشی کمتر از فشار محیط است. ب. روش فشار مثبت (اغلب به عنوان “نشتی از داخل به بیرون” شناخته می‌شود)، که در آن جریان از داخل شیء آزمایشی به سمت بیرون است؛ فشار داخل شیء آزمایشی بیشتر از فشار محیط است.

اشیاء آزمایشی باید تا حد امکان در شرایطی متناسب با کاربرد بعدی خود بررسی شوند، یعنی اجزای مورد استفاده در کاربردهای خلأ با روش خلأ و اجزای تحت فشار داخلی با روش فشار مثبت بررسی شوند.

هنگام اندازه‌گیری نرخ نشتی، بین ثبت موارد زیر تمایز قائل می‌شویم: الف. نشتی‌های منفرد (اندازه‌گیری محلی)، شکل‌های 4b و 4d در زیر، ب. مجموع تمام نشتی‌ها در شیء آزمایشی (اندازه‌گیری یکپارچه)، شکل‌های 4a و 4c در زیر.

کوچک‌ترین نرخ نشتی که بر اساس مشخصات پذیرش دیگر قابل تحمل نیست، به عنوان نرخ نشتی رد شناخته می‌شود. محاسبه آن بر اساس این شرط است که شیء آزمایشی در طول دوره استفاده برنامه‌ریزی‌شده خود به دلیل نقص ناشی از نشتی‌ها با درجه اطمینان مشخصی دچار خرابی نشود.

اغلب، نرخ نشتی برای شیء آزمایشی تحت شرایط عملیاتی عادی تعیین نمی‌شود، بلکه نرخ جریان عبوری یک گاز آزمایشی تحت شرایط مشابه اندازه‌گیری می‌شود. مقادیر اندازه‌گیری‌شده باید برای مطابقت با شرایط کاربرد واقعی در مورد فشارهای داخل و خارج شیء آزمایشی و نوع گاز (یا مایع) مورد استفاده تبدیل شوند.

وقتی خلأ داخل شیء آزمایشی (p < 1 mbar)، فشار اتمسفری در خارج، و هلیوم به عنوان گاز آزمایشی استفاده می‌شود، به آن شرایط استاندارد هلیوم گفته می‌شود. شرایط استاندارد هلیوم همیشه در تشخیص نشتی هلیوم برای یک سیستم خلأ وجود دارد، زمانی که سیستم به یک نشت‌یاب متصل است، اگر سیستم تا فشار کمتر از 1 mbar پمپ شود و اگر هلیوم روی آن پاشیده شود (تکنیک پاشش) (شکل 4b را ببینید).

اگر شیء آزمایشی صرفاً توسط نشت‌یاب تخلیه شود، گفته می‌شود که نشت‌یاب در حالت جریان مستقیم (LD) کار می‌کند. اگر شیء آزمایشی خود یک سیستم خلأ کامل با پمپ خلأ خاص خود باشد و نشت‌یاب به صورت موازی با پمپ‌های سیستم کار کند، به آن حالت جریان جزئی نشت‌یاب گفته می‌شود. همچنین زمانی که یک پمپ کمکی جداگانه به صورت موازی با نشت‌یاب استفاده می‌شود، به حالت جریان جزئی اشاره دارد.

در روش فشار مثبت، گاهی اوقات اندازه‌گیری مستقیم نرخ نشتی غیرعملی یا حتی غیرممکن است، اما می‌توان آن را در یک پوشش که شیء آزمایشی را احاطه کرده است، حس کرد. این اندازه‌گیری می‌تواند با اتصال آن پوشش به نشت‌یاب یا با تجمع (افزایش غلظت) گاز آزمایشی داخل پوشش انجام شود (شکل 4c را ببینید). آزمایش بمباران نسخه خاصی از آزمایش تجمع است.

در تکنیک اسنیفر، که نوع دیگری از روش فشار مثبت است، گاز (آزمایشی) خارج‌شده از نشتی‌ها توسط یک دستگاه خاص جمع‌آوری (استخراج) شده و به نشت‌یاب منتقل می‌شود (شکل 4d را ببینید). این روش می‌تواند با استفاده از هلیوم، هیدروژن، مبردها یا SF6 به عنوان گاز آزمایشی انجام شود.

گزینه‌های استفاده برای نشت‌یاب خلأ بر اساس روش خلأ (a, b) و روش فشار مثبت (c, d) شکل 4: گزینه‌های استفاده برای نشت‌یاب خلأ بر اساس روش خلأ (a, b) و روش فشار مثبت (c, d)

• روش خلأ = خلأ داخل نمونه
  • a: آزمایش پوشش (تشخیص نشتی یکپارچه)
  • b: تکنیک پاشش (تشخیص نشتی محلی)
• روش فشار مثبت = گاز آزمایشی تحت فشار داخل نمونه
  • c: آزمایش پوشش (تشخیص نشتی یکپارچه)
  • d: تکنیک اسنیفر (تشخیص نشتی محلی)

جدول نرخ نشت و میزان خرابی پمپ های وکیوم

جدول نرخ نشت و میزان خرابی پمپ های وکیوم

توجه: مقادیر تقریبی بر اساس داده‌های استاندارد صنعتی هستند و ممکن است بسته به مدل و شرایط عملیاتی تغییر کنند.