НЕОН: Практика течеискания в газосветном производстве

Существует целый ряд вакуумных и газонаполненных приборов, работоспособность которых зависит от герметичности их оболочек и вакуумных характеристик технологических установок. Ключевой характеристикой является способность обеспечивать столь малое натекание внутрь объема, что им можно пренебречь в рабочих условиях. Это и называется герметичностью. Для каждого конкретного типа прибора уровень допустимого натекания индивидуален. Поэтому говорят о степени герметичности как количественной оценке вакуумных свойств установки или прибора.

Проверка объекта на герметичность призвана определить его качество. Операция поиска места течи (течеискание) позволяет определить место нарушения герметичности для последующего его устранения.

Для осуществления данных операций разработано большое количество приборов для отыскания течей (течеискателей), а также методов и способов оценки герметичности. При этом следует отметить, что отдельные методы течеискания могут быть реализованы с помощью различных приборов и даже без них и, соответственно, с помощью одного и того же прибора можно реализовать несколько методов. Под способом течеискания будем понимать конкретные технологические приемы или <стратегии> поиска течей и оценки герметичности.

Может возникнуть резонный вопрос: зачем, собственно, нужна такая методологическая и аппаратурная избыточность. Нельзя ли обойтись каким-то несложным универсальным методом, который реализуется одним недорогим и простым в эксплуатации течеискателем? Увы, таких приборов и методов не существует. Средства измерения и методики подбираются исходя из требований к герметичности объектов, интенсивности контрольных операций и экономических условий.

Если говорить о производстве неоновых ламп, то многие специалисты не видят особой необходимости в контроле герметичности и течеискании. Связано это с тем, что сама неоновая лампа и стандартное вакуумное оборудование выполнены из стекла. Для поиска течей в стеклянных системах существует прибор, который можно считать стандартным. Речь идет об искровом течеискателе.

Однако указанный прибор применим только для поиска течей по спаям стекла, но практически не позволяет оценивать степень герметичности вакуумного поста, особенно если он металлический. Кроме того, он плохо приспособлен к поиску течей в лопатках электродов и в металлических частях вакуумных постов (система подачи инертных газов).

Потребность в более совершенных методах и приборах возникает во время проведения пуско-наладочных и ремонтных работ. Их приобретение экономически оправданно только в том случае, когда организация специализируется на таких видах работ. Специалистам по производству неоновой продукции достаточно иметь некоторые общие представления о наиболее эффективных для данной области техники методах, приемах и аппаратных средствах течеискания. Этого вполне достаточно, чтобы в сложных случаях пригласить правильного специалиста для устранения возникших неисправностей.

Все многообразие методов течеискания можно условно разделить на две группы — по характеру и способу введения пробного вещества:

• методы опрессовки;
• вакуумметрические;
• люминесцентные;
• плазменные;
• искровой.

По способу контроля пробного вещества различают:

• газовые тепловые;
• манометрические;
• масс-спектрометрические;
• акустические;
• пузырьковые;
• сенсорные (полупроводниковые, пьезокварцевые, оптические и т.д.).

В качестве пробных веществ используют различные газы, газовую плазму, а также жидкости. Из газов наиболее широкое применение нашли гелий, аргон, галогеносодержащие газы, водород, воздух, в плазменных методах — неон, водород, галогеносодержащие газы, а из жидкостей — спирт, ацетон, эфиры.

В методах опрессовки пробный газ под давлением подается либо во внутреннюю полость обследуемого объекта, либо внутрь камеры, в которую его помещают. При этом газочувствительный датчик может находиться с внешней стороны объекта либо присоединяться к его внутренней полости. Способы измерения потоков проникающего через течи пробного газа могут быть самые разнообразные: от простейших — пузырьковых — до сложных — масс-спектрометрических.

Вакуумметрические методы основаны на измерении давления остаточной среды либо отдельных компонентов (пробных газов) в вакуумируемом объеме. В простейшем случае для этой цели служат различные манометрические датчики, которыми комплектуются стандартные вакуумметры: тепловые, ионизационные, магнитные электроразрядные, мембранно-емкостные. Чаще всего используют те, которые входят в состав обследуемого вакуумного поста. В более сложных случаях к вакуумной системе откачных постов подключают датчики, входящие в состав специальных приборов (течеискателей): гелиевые, водородные, галогенные, гелиевые масс-спектрометрические. Применение внешнего по отношению к проверяемому объекту прибора может быть оправдано только в том случае, если искомая течь меньше, чем чувствительность штатного средства измерения.

Люминесцентный метод основан на свечении люминофоров, проникающих в поры материалов при их нанесении на обследуемые поверхности. Метод обладает достаточно высокой чувствительностью,   однако   имеет   ограниченную   область применения — открытые поверхности и швы трубопроводов.

Плазменные методы — относительно новое и перспективное направление в течеискании. Работа течеискателей плазменного типа основана на изменении параметров возбуждаемой в газовой среде плазмы при проникновении в прибор пробного вещества. В России выпускаются вакуумметры указанного типа: ТПЗ — с внешней откачной системой и ТП4 — со встроенной откачной системой. К сожалению, в качестве пробного газа в этих приборах используют: элегаз (SF6), фреоны и другие электроотрицательные газы. Эти газы мало подходят для контроля герметичности откачных постов газосветного производства.

Искровой метод отыскания течей основан на проникновении внутрь стеклянного объема (откачанного до определенного давления) искры, возникающей при соприкосновении электрода высоковольтного трансформатора к дефектному месту. В статье <Техническая эксплуатация откачных постов> подробно описывался принцип действия искрового течеискателя и факторы, ограничивающие его использование. Однако следует сделать одно замечание. При заполнении стеклянной оболочки инертным газом с помощью искрового течеискателя можно возбудить в ней высокочастотный газовый разряд, по цвету которого судят о наличии примесей в газовой среде. То есть с помощью искрового течеискателя можно реализовать плазменный метод с визуальным контролем герметичности по цвету разряда. Используя капельный метод нанесения пробной жидкости на место предполагаемого дефекта, можно по изменению цвета разряда найти место течи даже в металлических частях установки. Причем чувствительность этого способа выше, чем в случае стандартного искрового метода.

Рассмотрим методы, которые реализуются с помощью стандартной для газосветного производства измерительной аппаратуры (вакуумметры, искровой течеискатель), а также недорогие портативные течеискатели для проведения пусконаладочных работ.

Информация об остальных методах и приборах будет носить справочный характер.

Таблица 1. Основные методы течеискания

На основе данных таблицы 1 можно сделать следующие выводы.

Во-первых, доступные для газосветного производства методы и средства течеискания (искровой, метод теплового преобразователя и пузырьковый) позволяют довольно грубо оценивать герметичность вакуумных постов и ламп и определять течи на уровне 10 в -4 — 10 в -7. Причем достижение предельной чувствительности напрямую зависит от навыков проведения контрольных операций. Малые и сверхмалые (диффузионные) течи этими методами определить невозможно, поэтому пусконаладочные и ремонтные работы следует вести с привлечением более чувствительных методов и приборов.

Во-вторых, наиболее перспективными по сумме параметров (цена+качество+мобильность) следует считать: гелиеметрические, ультразвуковые, плазменные и сенсорные методы. Их целесообразно использовать при пусконаладочных и ремонтных работах.

В-третьих, остальные методы, вследствие их сложности и высокой цены, использовать в газосветном производстве нерентабельно.

Проверка вакуумных постов на герметичность чаще всего осуществляется с помощью одного из вариантов вакуумметрического метода с использованием штатного манометрического преобразования.

Сущность метода проста. Вакуумная система откачивается до равновесного остаточного давления р-1, которое замеряется датчиком вакуумметра. Если значение р-1, совпадает с предельным значением остаточного давления рпр= (2-5)10 в -3 мм рт. ст., характерным для большинства форвакуумных насосов, то вакуумную систему поста в первом приближении можно считать герметичной. Если р1>рпр, то это можно объяснить тремя причинами: неисправностью вакуумного насоса, газовыделением с внутренних поверхностей вакуумной системы и проникновением в систему атмосферного воздуха (негерметичность). Чтобы свести к минимуму влияние первых двух причин на измерения, во время откачки форвакуумный насос необходимо перевести в режим газобалласта. При этом масло насоса освобождается от водяного конденсата. Затем вакуумная система поста тщательно промывается инертным газом (чаще всего неоном) для уменьшения потока газовыделения. После проведения этих подготовительных операций вакуумную систему отсекают от насоса на некоторое время ∆t, в течение которого непрерывно или периодически измеряют давление и строят график p=f(t), который часто называют кривой натекания (рис. 1).

В зависимости от вида кривой различают следующие случаи:

• давление в течение времени ∆t не меняется (кривая 1), это означает, что насос неисправен. В простейшем случае следует сменить масло.
• изменение  давления  носит  характер,   близкий к логарифмическому (кривая 2), это говорит о загрязнении системы либо о том, что величина возможной течи менее 10 в -6 Пам3/с;
• давление в конце опыта натекания продолжает изменяться с постоянной скоростью (кривая 3). Это говорит о том, что система негерметична.

Необходимо, однако, сделать некоторые замечания.

Во-первых, чувствительность манометрического датчика сильно зависит от начального значения опыта натекания р1. Чем ниже это давление, тем точнее оценка герметичности.

Во-вторых, каждый тип манометрического датчика имеет свой диапазон измеряемых давлений. Термопарные датчики (используются в вакуумных постах фирм EGL, DACO, Tecnolux) работают в достаточно узком диапазоне давлений от 10 в -3 до 0,7 мм рт. ст. Это не позволяет оценивать герметичность при грубых течах. Гораздо лучшие результаты показывают датчики сопротивления — например, отечественный ПМТ-6М, который работает с вакуумметром 13ВТЗ.

В этом случае диапазон измеряемых давлений 10 в -3 — 20 мм рт. ст. Это дает возможность использовать метод натекания при наличии грубой течи.

Повышение чувствительности метода натекания возможно только при применении высоковакуумных датчиков, которыми могут быть оснащены посты, снабженные диффузионными насосами. В этом случае целесообразно использовать вакуумметры типа ВИТ-2, ВИТ-3, которые состоят из низковакуумной и высоковакуумной частей.

После выявления общей негерметичности вакуумной системы поста переходят ко второму этапу — поиску мест течей. Места грубых течей в стеклянных установках определяют обычным искровым течеискателем. Если это не удалось сделать, тогда необходимо воспользоваться альтернативными методами, например методом пробного вещества. Причем давление в системе измеряется при постоянной откачке. В места предполагаемых течей подается пробное вещество. В случае его проникновения в систему наблюдается изменение давления. Величина и направление изменения давления индивидуальны для каждого пробного вещества. Это свойство преобразователей называется селективностью.

Допустим, при использовании датчика сопротивления после подачи вещества (спирта) вначале наблюдается небольшое изменение показаний датчика в сторону больших давлений, затем значение выходного сигнала вакуумметра резко снижается, а после полного испарения спирта значение выходного сигнала возвращается к прежним значениям.

Пробные вещества следует подбирать в зависимости от типа преобразователя и величины предполагаемой течи. Так, жидкие пробные вещества лучше всего использовать, если размер течи не менее 10 в -5 Пам3/с. В этом случае чувствительность наивысшая. При использовании высоковакуумного ионизационного датчика пробные жидкости следует при?менять с большой осторожностью, поскольку проникновение органических молекул в вакуумную систему может привести к отравлению катода ионизационной лампы. У датчиков магнитных электроразрядных вакуумметров этого недостатка нет. Однако при измерении давления этими приборами наблюдается откачка газов, что сказывается на результатах измерения давления.

Если метод манометрического преобразователя не дал положительного результата, а общее натекание в систему продолжает наблюдаться, то необходимо воспользоваться более чувствительным методом, к примеру плазменным. Рассмотрим один из возможных вариантов, который не требует дорогостоящего специализированного оборудования.

В качестве датчика, реагирующего на проникновение пробного вещества в объем установки, предлагается использовать обычную неоновую лампу, электрические характеристики которой (напряжение горения и динамическое сопротивление) зависят от состояния газовой среды. Известно, что минимальная чувствительность по молекулярным газам составляет 10 в -3 мм рт. ст. При использовании органических жидкостей: спирта, эфира, ацетона она повышается еще на порядок. Таким образом, методика поиска течи сводится к следующим операциям. К вакуумному посту присоединяют контрольную неоновую лампу, откачивают, обезгаживают и заполняют ее неоном. С помощью газосветного трансформатора в ней возбуждают разряд переменного либо постоянного тока, а затем измеряют напряжение горения на лампе и динамическое сопротивление. Затем осуществляют подачу пробной жидкости в место предполагаемой течи. Проникновение паров жидкости индицируется в виде резкого возрастания напряжения горения или в виде изменения величины динамического сопротивления. Этот метод может быть успешно применен к любой части вакуумного поста, как стеклянной, так и металлической, что делает его универсальным.

Все вышеизложенное может быть с успехом использовано и для металлических постов либо металлических частей стеклянных вакуумных систем. Кроме того, существует целый ряд методов, которые применимы только для металлических систем. Наиболее простым является пузырьковый метод. Он применяется при испытаниях на герметичность как отдельных элементов, так и систем в целом. Испытания проводят в следующем порядке. Испытуемый объект заполняют воздухом или пробным газом под избыточным давлением, затем наносят (мягкой кистью либо распылителем) на отдельные части его поверхности специальный раствор, называемый индикатором течи (ИТ). При этом наличие течи определяют по пузырькам, появляющимся на смоченной индикатором поверхности. При наличии больших дефектов (> 10 в -4 Пам3/с) пузырьки появляются сразу после нанесения индикатора. В случае малых течей это может произойти спустя 20 минут. Порог чувствительности определяется значением избыточного давления газа, его проникающей способностью, а также свойствами индикатора. В качестве пузырьковых индикаторов течи используют либо мыльные растворы, либо специальные пенно-пленочные индикаторы, разработанные на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ). В нашей стране подобные растворы впервые появились более 30 лет назад в космической промышленности, где используются до сих пор для контроля топливных баков ракет и пневмосистем. С их помощью удалось достичь порога чувствительности 10 в -7 Пам3/с. Простейшие ИТ (мыльные растворы) изготавливают на основе пенообразующих веществ: мыла либо экстракта лакричного солодкового корня. В одном литре воды необходимо растворить 50 г мыла либо 15 г экстракта. В таблице 2 представлены рецептуры некоторых пузырьковых индикаторов на основе полимерных пенообразующих веществ.

Таблица 2. Составы индикаторов течи

Если к изделиям не предъявляются требования по коррозионному воздействию, то в рецептуру состава 1 можно не вводить хромпик.

Поверхность изделия перед нанесением ИТ следует тщательно очистить и обезжирить. При нанесении ИТ следует избегать образования пены или пузырьков. В труднодоступные места ИТ наносится распылителем либо с помощью иглы.

Если уровень течей < 120 в -7 Пам3/с, что может иметь место в высоковакуумных постах, то необходимо применять специализированные течеискатели. Наиболее пригодными для поиска течей в металлических системах являются сенсорные гелиевые течеискатели, например GAS CHECK 3000 (США) или РЕГЕЛ-2 (Россия). Это миниатюрные переносные цифровые приборы, обладающие высокой обнаружительной способностью. Сердцем приборов является сенсор, определяющий изменение теплопроводности газа, содержащегося в воздухе, который с помощью вентилятора всасывается через сопло или гибкую насадку в камеру, где находится сам сенсор. Методически работа с прибором осуществляется следующим образом. Исследуемый объект заполняется гелием до избыточного давления, затем, перемещая щуп с гибкой насадкой по поверхности объекта, регистрируют изменение сигнала сенсора. Максимум сигнала указывает на место течи. К сожалению, стоимость указанных приборов не позволяет оснащать ими все неоновые цеха. Однако, учитывая тенденцию к усложнению вакуумного оборудования газосветного производства, можно прогнозировать увеличение потребности в подобных приборах на предприятиях, специализирующихся на пусконаладочных и ремонтных работах.

В конце статьи хотелось бы особо подчеркнуть, что не только чувствительность методов и приборов является гарантом успешного поиска и устранения течей в вакуумных постах и неоновых лампах. Огромную роль играют методические навыки работника, осуществляющего эти операции. Обслуживание и мелкий ремонт современных высоковакуумных постов-полуавтоматов требует от работника знаний и навыков течеискания. Профессиональный поиск и устранение течей гарантирует снижение производственных потерь и повышение качества неоновой продукции. Поэтому руководители должны с пониманием относиться к проблеме повышения квалификации работников газосветного производства.

автор Марков В.
журнал «Вывески Реклама OUTDOOR» №2 2005 год