Qu'est-ce qu'une fuite et comment mesurer le taux de fuite dans les systèmes de vide
En plus des systèmes de vide actuels et de leurs composants individuels (réservoir de vide, conduites, vannes, appareils de mesure, etc.), il existe de nombreux autres systèmes et produits dans les domaines de l'industrie et de la recherche qui doivent répondre à des exigences élevées en matière d'étanchéité ou de « scellage hermétique ». C'est notamment le cas des assemblages pour l'industrie automobile et la réfrigération.
Les déclarations générales souvent faites, telles que « pas de fuites détectables » ou « taux de fuite zéro », ne constituent pas une base adéquate pour les tests d'acceptation.
Tout ingénieur expérimenté connaît l'importance des spécifications d'acceptation bien formulées, qui indiqueront toujours le bon taux de fuite sous les bonnes conditions. Le taux de fuite acceptable est également déterminé par l'application elle-même.
Types de fuites
Voici la définition la plus simple du terme « fuite » : une fuite est une « ouverture » dans une paroi (séparation) ou une barrière par laquelle des solides, des liquides ou des gaz peuvent entrer ou sortir de manière indésirable.
En fonction du type de matériau ou du défaut d'assemblage, les types de fuite suivants sont différenciés :
- Fuites au niveau des raccords amovibles : brides, surfaces de contact rectifiées, couvercles
- Fuites au niveau des raccords permanents : soudures et joints de soudure, joints collés
- Fuites dues à la porosité : en particulier suite à une déformation mécanique (flexion !) ou un traitement thermique des matériaux polycristallins et des composants moulés
composants - Fuites thermiques : ouverture en cas de températures extrêmes (chaleur/froid), surtout au niveau des joints de soudure
- Fuites apparentes (virtuelles) : des quantités de gaz se dégagent des creux et des cavités à l'intérieur des pièces moulées, des trous borgnes et des joints (également en raison de l'évaporation des liquides)
- Fuites indirectes : fuites au niveau des conduites d'alimentation des systèmes de vide ou des fours (eau, air comprimé, saumure)
- « Fuites en série » : il s'agit de la fuite à l'extrémité de plusieurs « espaces raccordés en série », par exemple une fuite dans la section remplie d'huile du carter d'huile d'une pompe à palettes rotatives
- « Fuites à sens unique » : ces fuites permettent au gaz de passer dans un sens mais pas dans l'autre (très rare)
Une zone qui n'est pas étanche au gaz, mais dont la fuite n'est pas causée par la présence d'un défaut correspond à la définition suivante :
- Perméation : perméabilité naturelle du gaz à travers des matériaux tels que les flexibles en caoutchouc, les joints en élastomère, etc. (à moins que ces pièces ne soient devenues fragiles et donc « fuyantes »).
Taux de fuite, taille de la fuite (gaz) débit massique
Aucun dispositif ou système de vide ne peut être totalement étanche au vide et il n'en a pas besoin. Il est essentiel que le taux de fuite soit suffisamment faible pour que la pression de fonctionnement, l'équilibre gazeux et la pression finale requis dans le conteneur de vide ne soient pas affectés. Ainsi, les exigences concernant la perméabilité au gaz des dispositifs sont plus rigoureuses lorsque le niveau de pression requis est faible.
Afin de pouvoir enregistrer quantitativement les fuites, le concept de « taux de fuite » avec le symbole qL et l'unité mbar·l/s a été introduit.
Un taux de fuite de qL = 1 mbar·l/s est présent lorsque, dans un réservoir sous vide fermé d'un volume de 1 l, la pression augmente de 1 mbar par seconde ou, lorsque la pression chute de 1 mbar par seconde dans un conteneur avec une pression positive.
Le taux de fuite d'un réservoir indique la quantité de gaz qui s'échappe par les parois du réservoir. Il convient toutefois de noter que le taux de fuite dépend du type de gaz.
Si la température du gaz T et la masse molaire M d'un gaz G sont connues, le débit massique du gaz peut être calculé à partir du taux de fuite qL à l'aide de l'équation d'état applicable aux gaz parfaits d'après la relation
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Unité : g/s.
avec :
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = Température du gaz en K
- M = masse molaire en g/mol
- Δm = masse en g
- Δt = intervalle de temps en s
La relation est utilisée :
a) pour déterminer la variation du débit massique Δm/Δt en fonction d'un taux de fuite connu de qL ; ou
b) pour déterminer le taux de fuite qL en fonction d'un débit massique de gaz connu Δm/Δt
Pour les systèmes à vide élevé, la règle générale suivante s'applique :
- qL(air) < 10-6 mbar l/s = le système est « très étanche »
- qL(air) < 10-5 mbar l/s = le système est « suffisamment étanche »
- qL(air) > 10-4 mbar l/s = le système fuit
Une fuite peut en fait être compensée par une pompe à vide d'une capacité suffisante, car ce qui suit s'applique à la pression finale (de fonctionnement) accessible Pult :
Pult = qL/Seff
avec :
- QL = taux de fuite en mbar l/s.
- Seff = vitesse de pompage effective de la pompe à vide au niveau du réservoir de vide en l/s.
Si Seff augmente suffisamment, il est toujours possible d'atteindre un résultat de pression finale (de fonctionnement) spécifié, indépendamment du taux de fuite qL.
Dans la pratique, cependant, l'augmentation souhaitée de Seff peut ne pas être réalisable pour des raisons économiques et de conception (coûts d'investissement élevés, espace requis important).
Si la pression finale souhaitée n'est pas atteinte dans un système de vide, deux causes sont généralement possibles :
1. la présence de fuites et/ou
2. la libération de gaz des parois du réservoir et le dégazage du joint.
Afin de différencier les deux causes, une analyse de la pression partielle à l'aide d'un spectromètre de masse ou le test d'augmentation de la pression en fonction du temps peuvent être utilisés. Etant donné qu'il est uniquement possible de déterminer l'existence d'une fuite et non sa position dans le système lors d'un test de montée de pression, il est recommandé d'utiliser un détecteur de fuite à l'hélium, qui permet également de localiser les fuites beaucoup plus rapidement.
Pour obtenir une vue d'ensemble de la corrélation entre la taille géométrique du trou et le débit associé , il est possible de travailler sur la base des estimations suivantes, grossières mais utiles :
Un orifice circulaire de diamètre D = 1 cm dans la paroi d'un réservoir à vide est fermé par une vanne. La pression atmosphérique (p = 1013 mbar) prévaut à l'extérieur, un vide à l'intérieur. Lorsque la vanne est ouverte, l'air circule à la vitesse du son (vs = 330 m/s) à travers la section transversale d'ouverture de A = π·(D2/4) ~ 0,79 cm2 dans le réservoir. La quantité d'air entrant dans le réservoir correspond à qL(air) = p·vs·A ~ 2,6·104 mbar l/s.
Si toutes les autres conditions restent égales et que l'hélium peut s'écouler dans l'orifice à la vitesse du son de 970 m/s, le taux de fuite d'hélium qL (hélium) est ~ 7,7·104 mbar l/s. Ainsi, le taux de fuite est nettement supérieur.
Cette « sensibilité » accrue à l'hélium est utilisée pour la détection des fuites et a conduit au développement et à la production massive de détecteurs de fuite à base d'hélium très sensibles.
La Fig. 1 montre la corrélation entre la taille de l'orifice et le taux de fuite d'air, avec la valeur approximative de qL (air) = 104 mbar l/s pour l'orifice de 1 cm.
Le tableau montre que lorsque le diamètre de l'orifice D est réduit à 1 µm = 0,001 mm (= réduction de D par un facteur 10000), le taux de fuite s'élève à 1,0·10-4 mbar l/s, une valeur qui, dans la technologie de vide, représente déjà une fuite importante (voir la règle de base ci-dessus).
Un taux de fuite de 1,0·10-12 mbar l/s correspond à un diamètre d'orifice de 1 angstrom (Å). Il s'agit de la limite de détection inférieure des détecteurs de fuite à l'hélium modernes.
Etant donné que les constantes de grille de nombreux solides correspondent à plusieurs Å et que le diamètre des petites molécules (H2, HE) est d'environ 1 Å, la perméation inhérente à travers les solides peut être enregistrée métrologiquement à l'aide de détecteurs de fuites à l'hélium. Cela a conduit au développement de fuites de test étalonnées avec des taux de fuites très faibles. Il s'agit d'un « manque d'étanchéité » mesurable, mais pas d'une « fuite » correspondant à un défaut du matériau ou de joint.
Corrélation entre le diamètre de l'orifice et le taux de fuite, estimation pour l'air
Fig. 1 : Corrélation entre le diamètre de l'orifice et le taux de fuite, estimation pour l'air
Corrélation entre les critères d'étanchéité et les taux de fuite
Les estimations ou mesures de la taille des atomes, des molécules, des virus, des bactéries, etc. ont souvent donné lieu à des termes courants tels que « étanche » ou « étanche aux bactéries ».
| Concept/critère | Commentaire | qL (mbar·l/s) | Taille des particules pertinente |
|---|---|---|---|
| Etanche* | Gouttelettes | < 10-2 | |
| Etanche à la vapeur | « Transpiration » | < 10-3 | |
| Etanche aux bactéries* (cocci) (en forme de tige) |
< 10-4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| Etanche à l'huile | < 10-5 | ||
| Etanche au virus* (vaccins, p. ex. pox) (petits virus, bactériophages) (viroïdes, ARN) |
< 10-6 < 10-8 < 10-10 |
||
| Etanche au gaz | < 10-7 | ||
| « Absolument étanche » | Technique | < 10-10 |
* Contrairement à la vapeur, il est nécessaire de faire la différence entre les solides hydrophiles et hydrophobes. Cela s'applique également aux bactéries et aux virus, car ils sont principalement transportés dans des solutions.
Nature et limites de détection des méthodes de détection des fuites fréquemment utilisées :
Fig. 2 : nature et limites de détection des méthodes de détection des fuites fréquemment utilisées.
Taux de fuite standard de l'hélium
Pour la définition sans équivoque d'une fuite, les pressions prévalant de chaque côté de la paroi (du réservoir) et la nature du matériau traversant cette paroi (viscosité, masse molaire) sont requises. Dans le cas où le test est effectué avec de l'hélium à une différence de pression de 1 bar entre la pression atmosphérique (externe) et le vide (p < 1 mbar, interne), ce qui est fréquemment observé en pratique, la désignation « taux de fuite standard de l'hélium » a été introduite dans la norme DIN EN 1330-8.
Pour indiquer le taux de rejet d'un test utilisant de l'hélium dans des conditions d'hélium standard, il est nécessaire de convertir les conditions réelles de test d'utilisation en conditions d'hélium standard. Voici quelques exemples de conversion :
Fig. 3 : exemples de conversion de taux de fuite en taux de fuite d'hélium standard
Formules de conversion
Concernant la conversion de la pression et du type de gaz (viscosité, masse molaire), il convient de noter que différentes formules s'appliquent au flux laminaire visqueux et moléculaire. La limite entre ces zones est très difficile à déterminer. A titre d'exemple, on peut supposer ce qui suit : aux taux de fuite
qL > 10–4 mbar·l/s flux visqueux laminaire
et aux taux de fuite
qL < 10–6 mbar·l/s débit moléculaire
Dans la plage intermédiaire, le fabricant (qui est responsable en vertu des conditions de garantie) doit déterminer les valeurs sans prendre aucun risque.
Ici, les indices « I » et « II » font référence à l'un ou l'autre rapport de pression et les indices « 1 » et « 2 » font référence à l'intérieur et à l'extérieur du point de fuite, respectivement. Pour une utilisation raisonnable des formules, la pression p1 doit toujours être la pression la plus élevée (p1 > p2).
Tableau 2 : formules pour la conversion de la pression et du type de gaz
p = pression, q = débit de gaz (taux de fuite), η = viscosité, M = masse molaire
| Débit | Viscosité laminaire | Moléculaire |
| Pression | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Type de gaz | q GazA · η GazA = q GazB · η GazB | q GazA·(M GazA)1/2 = q GazB·(M GazB)1/2 |
Termes et définitions
Lors de la recherche de fuites, il est généralement nécessaire de faire la distinction entre deux tâches : (1) localiser les fuites et (2) mesurer le taux de fuite.
On distingue en outre, en fonction du sens d'écoulement du fluide, les méthodes suivantes :
a. la méthode du vide (parfois appelée « fuite de l'extérieur vers l'intérieur »), où le sens d'écoulement va vers l'intérieur de l'échantillon testé (la pression à l'intérieur de l'échantillon étant inférieure à la pression ambiante), et
b. la méthode sous pression positive (souvent appelée « fuite interne-externe »), où le sens d'écoulement va de l'intérieur de l'échantillon testé vers l'extérieur (la pression à l'intérieur de l'objet de test étant supérieure à la pression ambiante).
Dans la mesure du possible, les échantillons testés doivent être examinés dans une configuration correspondant à leur application ultérieure, c'est-à-dire que la méthode sous vide doit être utilisée pour les composants pour les applications sous vide et la méthode sous pression positive pour les pièces qui seront pressurisées à l'intérieur.
Lors de la mesure des taux de fuite, nous faisons la différence entre l'enregistrement des éléments suivants :
a. fuites individuelles (mesure locale), Fig. 4b et 4d ci-dessous
et
b. total de toutes les fuites dans l'objet de test (mesure intégrale), Fig. 4a et 4c ci-dessous.
Le taux de fuite le plus faible qui n'est plus tolérable conformément aux spécifications d'acceptation est appelé taux de fuite de rejet. Son calcul est basé sur le fait que l'échantillon testé ne peut pas présenter de défaillance pendant sa période d'utilisation prévue en raison de fuites, et ceci avec un certain degré de certitude.
Souvent, ce n'est pas le taux de fuite de l'échantillon testé dans des conditions de fonctionnement normales qui est déterminé, mais plutôt le taux de débit d'un gaz de test dans des conditions similaires. Les valeurs de mesure obtenues doivent être converties pour correspondre à la situation d'application réelle concernant les pressions à l'intérieur et à l'extérieur de l'échantillon testé et le type de gaz (ou liquide) manipulé.
Lorsqu'un vide est présent à l'intérieur de l'échantillon testé (p < 1 mbar) avec pression atmosphérique à l'extérieur et que de l'hélium est utilisé comme gaz de test, il s'agit de conditions d'hélium standard. Des conditions d'hélium standard sont toujours présentes lors de la détection de fuites avec de l’hélium pour un système de vide lorsque le système est connecté à un détecteur de fuites, si le système est pompé à p < 1 mbar et s'il est pulvérisé avec de l'hélium (technique de pulvérisation) (voir Fig. 4b).
Si l'échantillon testé est évacué uniquement par le détecteur de fuite, on peut dire que le détecteur de fuites fonctionne en mode à débit direct du détecteur de fuites (LD). Si l'échantillon testé est lui-même un système de vide complet avec sa propre pompe à vide et si le détecteur de fuites fonctionne en parallèle des pompes du système, il s'agit alors d'un mode à débit partiel du détecteur de fuite. On fait également référence au mode à débit partiel lorsque l'on utilise une pompe auxiliaire distincte parallèlement au détecteur de fuites.
Lors de l'utilisation de la méthode sous pression positive, il est parfois impossible de mesurer directement le taux de fuite alors qu'il peut être détecté dans une enveloppe qui entoure l'échantillon testé. Pour effectuer la mesure, il est possible de connecter cette enveloppe au détecteur de fuites ou d'accumuler (= augmenter la concentration) du gaz de test à l'intérieur de l'enveloppe (voir Fig. 4c). Le test de bombardement est une version spécifique du test d'accumulation.
Avec la technique du renifleur, une autre variante de la technique sous pression positive, le gaz (de test) émis par les fuites est collecté (extrait) par un appareil spécial et acheminé vers le détecteur de fuites (voir Fig. 4d). Cette procédure peut être effectuée en utilisant de l'hélium, de l'hydrogène, des réfrigérants ou du SF6 comme gaz de test.
Options d'utilisation d'un détecteur de fuite de vide basées sur la méthode de vide (a, b) et sur la méthode de pression positive (c, d)
Fig. 4 : options d'utilisation d'un détecteur de fuite sous vide basées sur la méthode de vide (a, b) et sur la méthode de pression positive (c, d)
| Méthode de vide = Vide à l'intérieur du spécimen | Méthode de pression positive = gaz de test sous pression à l'intérieur de l'échantillon |
| a : test de l'enceinte (détection de fuite intégrée) | c : test de l'enceinte (détection de fuite intégrée) |
| b : technique de pulvérisation (détection de fuite locale) | d : technique du renifleur (détection de fuite locale) |
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