O que é um vazamento e como medir a taxa de vazamento nos sistemas de vácuo
Além dos sistemas de vácuo reais e seus componentes individuais (vaso de vácuo, linhas, válvulas, dispositivos de medição etc.) existem vários outros sistemas e produtos nos campos da indústria e da pesquisa com altos requisitos de estanqueidade ou a chamada “vedação hermética”. Isso inclui, em particular, montagens para o setor automotivo e de refrigeração.
Declarações generalizadas feitas com frequência, como "nenhum vazamento detectável" ou "taxa de vazamento zero", não representam uma base adequada para os testes de aceitação.
Todo engenheiro experiente sabe que as especificações de aceitação adequadamente formuladas indicarão uma determinada taxa de vazamento sob condições definidas. A taxa de vazamento aceitável também é determinada pela própria aplicação.
Tipos de vazamentos
A definição mais simples para o termo “vazamento” é: um vazamento é uma “abertura” em uma parede ou barreira (de separação) pela qual sólidos, líquidos ou gases podem entrar ou sair de forma indesejada.
Dependendo do tipo de material ou falha de junção, os seguintes tipos de vazamento são diferenciados:
- Vazamentos em conexões destacáveis: flanges, superfícies de contato com o terra, tampas
- Vazamentos em conexões permanentes: juntas de soldas e emendas de solda, juntas coladas
- Vazamentos devido à porosidade: particularmente após deformação mecânica (curvatura!) ou processamento térmico de materiais policristalinos e
componentes - Vazamentos térmicos: abertura até carga de temperatura extrema (calor/frio), principalmente nas juntas de solda
- Vazamentos aparentes (virtuais): quantidades de gás serão liberadas de depressões e cavidades dentro de peças fundidas, furos cegos e juntas (também devido à evaporação de líquidos).
- Vazamentos indiretos: vazamentos nas linhas de fornecimento em sistemas de vácuo ou fornos (água, ar comprimido, salmoura)
- "Vazamentos em série": esse é o vazamento no final de vários "espaços conectados em série", por exemplo, um vazamento na seção cheia de óleo do cárter em uma bomba de palheta rotativa
- "Vazamentos unidirecionais": permitem que o gás passe em uma direção, mas são estanques na outra direção (muito raramente)
Uma área que não é estanque a gás, mas que não apresenta vazamentos no sentido de que existe um defeito, seria a seguinte:
- Permeação: permeabilidade natural de gás através de materiais como mangueiras de borracha, vedações de elastômero etc. (a menos que essas peças tenham se tornado quebradiças e, portanto, "com vazamento").
Taxa de vazamento, fluxo de massa do tamanho do vazamento (gás)
Nenhum dispositivo ou sistema a vácuo pode ser absolutamente à prova de vácuo e, na verdade, não precisa ser. O essencial é que a taxa de vazamento seja baixa o suficiente para que a pressão operacional necessária, o equilíbrio do gás e a pressão final no contêiner de vácuo não sejam influenciados. Portanto, os requisitos relativos à estanqueidade do gás de um aparelho são mais rigorosos quanto menor for o nível de pressão exigido.
Para poder registrar quantitativamente os vazamentos, foi introduzido o conceito de “taxa de vazamento” com o símbolo qL e a unidade mbar·l/s.
Uma taxa de vazamento de qL = 1 mbar·l/s está presente quando, em um recipiente fechado e evacuado com volume de 1 l, a pressão aumenta em 1 mbar por segundo ou, quando há pressão positiva no contêiner, a pressão cai 1 mbar por segundo.
A taxa de vazamento de um recipiente indica a quantidade de fluxo de gás que escapa pelas paredes do reservatório. Deve-se observar, entretanto, que a taxa de vazamento de um vazamento depende do tipo de gás.
Se a temperatura do gás T e a massa molar M de um gás G forem conhecidas, o fluxo de massa do gás pode ser calculado a partir da taxa de vazamento qL usando a equação de estado para gases ideais por meio da relação
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Unidade: g/s
com:
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = temperatura do gás em K
- M = massa molar em g/mol
- Δm = massa em g
- Δt = intervalo de tempo em s
A relação é usada:
a) para determinar o fluxo de massa Δm/Δt a uma taxa de vazamento conhecida de qL ou
b) para determinar a taxa de vazamento qL em um fluxo de massa de gás conhecido Δm/Δt
Para sistemas de alto vácuo, aplica-se a seguinte regra geral:
- qL(ar) < 10-6 mbar·l/s = sistema "muito estanque"
- qL(ar) < 10-5 mbar·l/s = sistema "suficientemente estanque"
- qL(ar) > 10-4 mbar·l/s = o sistema está "com vazamentos"
Um vazamento pode, de fato, ser compensado por uma bomba de vácuo com capacidade suficiente, uma vez que as seguintes condições se aplicam à pressão final Pult alcançável (de funcionamento):
Pult = qL/Seff
com:
- QL = taxa de vazamento em mbar·l/s
- Seff = velocidade efetiva de bombeamento da bomba de vácuo no recipiente de vácuo em l/s
Se Seff for aumentado o suficiente, é sempre possível atingir uma pressão final (operacional) especificada, pult, independentemente da taxa de vazamento qL.
Na prática, no entanto, um aumento desejado de Seff pode não ser possível devido a razões econômicas e de projeto (altos custos de investimento, grande necessidade de espaço).
Se a pressão final desejada não for atingida em um sistema de vácuo, geralmente há duas causas para isso:
1. a presença de vazamentos e/ou
2. a liberação de gases das paredes do recipiente e a desgaseificação da vedação.
Para diferenciar as duas causas, pode ser usada uma análise de pressão parcial com um espectrômetro de massa ou o teste de aumento de pressão relacionado ao tempo. Como só é possível determinar a existência de um vazamento, e não sua posição no sistema, ao usar o teste de aumento de pressão, recomenda-se usar um detector de vazamento de hélio, com o qual os vazamentos também podem ser localizados de forma significativamente mais rápida.
Para obter uma visão geral da correlação entre o tamanho geométrico do furo e a taxa de vazamento associada, é possível operar com base na seguinte estimativa aproximada:
Um furo circular com um diâmetro D = 1 cm na parede de um recipiente a vácuo é fechado com uma válvula. A pressão atmosférica (p = 1013 mbar) prevalece do lado de fora e há vácuo no interior. Quando a válvula é aberta, o ar flui na velocidade do som (vs = 330 m/s) através da seção transversal de abertura de A = π·(D2/4) aproximadamente 0,79 cm2 para dentro do recipiente. A quantidade de ar que flui para dentro do recipiente é qL(ar) = p·xs·A aproximadamente 2,6·104 mbar·l/s.
Se todas as outras condições forem mantidas idênticas e for permitido que o hélio flua para o furo em sua velocidade de som de 970 m/s, a taxa de vazamento de hélio qL (hélio) será de aproximadamente 7,7·104 mbar·l/s, portanto, a taxa de vazamento será significativamente maior.
Essa maior "sensibilidade" do hélio é usada na detecção de vazamentos e resultou no desenvolvimento e na produção em massa de detectores de vazamento altamente sensíveis baseados em hélio.
A Fig. 1 mostra a correlação entre o tamanho do furo e a taxa de vazamento para o ar, com o valor aproximado de qL (ar) = 104 mbar·l/s para o "furo de 1 cm".
A tabela mostra que, quando o diâmetro do furo D é reduzido para 1 µm = 0,001 mm (= redução de D pelo fator 10000) , a taxa de vazamento será de 1,0·10-4 mbar·l/s, um valor que, na tecnologia de vácuo, já representa um grande vazamento (consulte a regra geral acima).
Uma taxa de vazamento de 1,0·10-12 mbar·l/s corresponde ao diâmetro do furo de 1 angstrom (Å); esse é o limite inferior de detecção dos modernos detectores de vazamento de hélio.
Uma vez que as constantes de grade para muitos sólidos chegam a vários Å e o diâmetro de moléculas menores (H2, HE) é de cerca de 1 Å, a permeação inerente através de sólidos pode ser registrada metrologicamente usando detectores de vazamento de hélio. Isso levou ao desenvolvimento de vazamentos de teste calibrados com taxas de vazamento muito pequenas. Essa é uma "falta de estanqueidade" mensurável, mas não um "vazamento" no sentido de ser um defeito no material ou na junta.
Correlação entre o diâmetro do furo e a taxa de vazamento, estimativa para o ar
Fig. 1: Correlação entre o diâmetro do furo e a taxa de vazamento, estimativa para o ar
Correlação entre critérios de estanqueidade e taxas de vazamento
As estimativas ou medições dos tamanhos de átomos, moléculas, vírus, bactérias etc. muitas vezes deram origem a termos cotidianos, como “à prova d'água” ou “à prova de bactérias”.
| Conceito / critério | Comentário | qL (mbar·l/s) | Tamanho de partícula relevante |
|---|---|---|---|
| À prova d'água* | Gotículas | < 10-2 | |
| À prova de vapor | "Transpiração" | < 10-3 | |
| À prova de bactérias (cocos) (em forma de haste) |
< 10-4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| À prova de óleo | < 10-5 | ||
| À prova de vírus (vacinas, por exemplo, pox) (Vírus menores, bacteriófagos) (viroides, RNA) |
< 10-6 < 10-8 < 10-10 |
||
| À prova de gás | < 10-7 | ||
| "Absolutamente estanque" | Técnico | < 10-10 |
* Ao contrário do vapor, é necessário diferenciar entre sólidos hidrofílicos e hidrofóbicos. Isso também se aplica a bactérias e vírus, pois são transportados principalmente em soluções.
Natureza e limites de detecção dos métodos de detecção de vazamento usados com frequência:
Fig. 2: os limites de natureza e detecção dos métodos de detecção de vazamento usados com frequência.
Taxa de vazamento padrão de hélio
Para a definição inequívoca de um vazamento, são necessárias as pressões predominantes em ambos os lados da parede (do recipiente) e a natureza do meio que passa por essa parede (viscosidade, massa molar). Para o caso em que o teste é realizado com hélio em uma diferença de pressão de 1 bar entre a pressão atmosférica (externa) e o vácuo (p < 1 mbar, interna), que é frequentemente encontrado na prática, a designação “taxa de vazamento padrão de hélio” foi introduzida na norma DIN EN 1330-8.
Para indicar a taxa de rejeição de um teste usando hélio sob condições padrão de hélio, é necessário primeiro converter as condições reais de teste de uso para condições padrão de hélio. Alguns exemplos de tais conversões são mostrados aqui:
Fig. 3: Exemplos de conversão de taxas de vazamento para taxas de vazamento padrão de hélio
Fórmulas de conversão
Com relação à conversão da pressão e do tipo de gás (viscosidade, massa molar), deve-se observar que fórmulas diferentes se aplicam ao fluxo laminar viscoso e molecular. É muito difícil determinar o limite entre essas áreas. Como diretriz, pode-se presumir o seguinte: em taxas de vazamento
qL > 10–4 mbar·l/s fluxo viscoso laminar
e em taxas de vazamento
qL < 10–6 mbar·l/s fluxo molecular
Na faixa intermediária, o fabricante (que é responsável de acordo com os termos da garantia) deve assumir valores seguros.
Aqui, os índices “I” e “II” referem-se a uma ou outra razão de pressão e os índices “1” e “2” referem-se ao interior e ao exterior do ponto de vazamento, respectivamente. Para um uso sensato das fórmulas, a pressão p1 deve ser sempre a mais alta ( p1 > p2 ).
Tabela 2: Fórmulas para a conversão de pressão e tipo de gás
p = pressão, q = fluxo de gás (taxa de vazamento), η = viscosidade, M = massa molar
| Fluxo | Viscoso laminar | Molecular |
| Pressão | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Tipo de gás | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
Termos e definições
Ao procurar por vazamentos, geralmente é preciso distinguir entre duas tarefas: (1) localizar vazamentos e (2) medir a taxa de vazamento.
Além disso, distinguimos, com base na direção do fluxo do fluido, entre o:
a. método de vácuo (às vezes conhecido como "vazamento de fora para dentro"), em que a direção do fluxo é para dentro do objeto de teste; a pressão no interior do objeto de teste é menor do que a pressão ambiente e o
b. método de pressão positiva (geralmente chamado de “vazamento de dentro para fora”), em que o fluxo ocorre de dentro para fora do objeto de teste; a pressão dentro do objeto de teste é maior do que a pressão ambiente.
Sempre que possível, os objetos de teste devem ser examinados em uma configuração correspondente à sua aplicação posterior – componentes para aplicações a vácuo usando o método de vácuo e o método de pressão positiva para peças que serão pressurizadas na parte interna.
Ao medir as taxas de vazamento, diferenciamos entre o registrar:
a. vazamentos individuais (medição local), Fig. 4b e 4d abaixo,
e registrar
b. o total de todos os vazamentos no objeto de teste (medição integral), Fig. 4a e 4c abaixo.
A menor taxa de vazamento que não é mais tolerável de acordo com as especificações de aceitação é conhecida como a taxa de rejeição de vazamento. Seu cálculo é baseado na condição de que o objeto de teste não falhe durante seu período de utilização planejado devido a falhas causadas por vazamentos, e isso a um certo grau de certeza.
Em geral, não é a taxa de vazamento do objeto de teste em condições normais de operação que é determinada, mas sim a taxa de produção de um gás de teste em condições semelhantes. Os valores de medição obtidos devem ser convertidos para corresponder à situação real da aplicação em relação às pressões dentro e fora do objeto de teste e ao tipo de gás (ou líquido) que está sendo manuseado.
Quando há vácuo no interior do objeto de teste (p < 1 mbar), pressão atmosférica no exterior e hélio é usado como gás de teste, estamos nos referindo às condições padrão do hélio. As condições padrão de hélio estão sempre presentes durante a detecção de vazamento de hélio para um sistema de vácuo quando o sistema está conectado a um detector de vazamento, se o sistema for bombeado para p inferior a 1 mbar e se for pulverizado com hélio (técnica de pulverização) (consulte a Fig. 4b).
Se o objeto de teste for evacuado somente pelo detector de vazamento, então se diria que o detector de vazamento está operando no modo de fluxo direto do detector de vazamento (LD). Se o objeto de teste for um sistema de vácuo completo com sua própria bomba de vácuo e se o detector de vazamento for operado em paralelo com as bombas do sistema, então se fala em modo de fluxo parcial do detector de vazamento. Também se refere ao modo de fluxo parcial quando a bomba auxiliar separada é usada em paralelo ao detector de vazamento.
Ao usar o método de pressão positiva, às vezes é impraticável ou, de fato, impossível medir a taxa de vazamento diretamente, embora ela certamente possa ser detectada em um envelope que envolve a amostra de teste. A medição pode ser feita ligando esse envelope ao detector de vazamento ou pelo acúmulo (= aumento da concentração) do gás de teste dentro do envelope (consulte a Fig. 4c). O teste de bombardeio é uma versão especial do teste de acúmulo.
Na chamada técnica de sniffer, outra variação da técnica de pressão positiva, o gás (de teste) proveniente de vazamentos é coletado (extraído) por um aparelho especial e enviado ao detector de vazamentos (consulte Fig. 4d). Esse procedimento pode ser realizado usando hélio, hidrogênio, refrigerantes ou SF6 como gás de teste.
Opções de uso para um detector de vazamentos de vácuo com base no método de vácuo (a, b) e com base no método de pressão positiva (c, d)
Fig. 4: Opções de uso para um detector de vazamento de vácuo com base no método de vácuo (a, b) e com base no método de pressão positiva (c, d)
| Método de vácuo = vácuo dentro da amostra | Método de pressão positiva = gás de teste pressurizado dentro da amostra |
| a: Teste do compartimento (detecção de vazamento integral) | c: Teste do compartimento (detecção de vazamento integral) |
| b: Técnica de pulverização (detecção de vazamento local) | d: Técnica de sniffer (detecção de vazamento local) |
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