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, лёгкости, 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.
где — величина (интенсивность) течи (в англоязычной литературе употребляется термин «leak rate» — скорость, степень течи) — замкнутый тестируемый объём; — конечное и начальное давление; — 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: выявление негерметичности; локализацию течи; 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.