Definiendo el tamaño de una fuga y métodos de detección de fugas

De la 4ª conferencia internacional de la sociedad Slovenia de pruebas no destructiva. " Aplicación de pruebas no destructivas modernas en Ingeniería" 24- 25 de Abril 1997. Ljubljana, Eslovenia.

Resumen

Existe una reciente necesidad por productos y tecnologías que requieren de un selle hermético en diferentes elementos como recipientes y tubos.

Cubiertas con mayor o menor grado de vacío tienen que asegurar un aislamiento entre la atmosfera externa y la presión interna. Algunos zonas típicas de fuga en sistemas sellados son: conexiones, empaques, soldaduras por arco o autógenas, materiales defectuosos entre otros. Los requerimientos de calidad en diferentes procesos, conducen frecuentemente a que los técnicos se enfrenten a diferentes normas en las pruebas de sellado. Cuando definimos si un elemento cumple con las normas, tenemos que estar familiarizados con los procedimientos que nos permiten determinar:

– Si hay una fuga o no.

– Determinar el tamaño de la fuga

– Determinar el lugar de la fuga

Para resolver estos problemas existen diferentes procedimientos y técnicas; pero no existe un método universal, diferentes pruebas de fugas son convenientes solo para ciertos tamaños o tipos de fugas y tecnologías. Nuestro articulo explica los diferentes tipos de fugas, su tamaño y las diferentes técnicas para detección. Palabras clave: Sellado fuga, gas de rastreo, deteccion de fugas con espectrofotómetro de masas para Helio, sellado hermético.

Introducción

La palabra fuga aparece en el ramo de recipientes herméticos y no solo tiene que ver con la tecnología de vacio, también este termino es usado por los ingenieros que trabajan con presiones elevadas. Una fuga implica una fisura, perforación o porosidad en la pared de la envolvente que contiene o separa diferentes liquidos o gases permitiendo el escape de un medio cerrado. La función básica de la deteccion de fugas es la localización y medición de la fuga en productos o sistemas sellados. En la mayoría de los casos, una prueba de fugas es un paso en el control de calidad para asegurar la integridad de in sistema y es usualmente una prueba no destructiva.

Algunos productos típicos en los cuales es necesario realizar una detección de fugas son: cámaras de vacío, televisores, tubos de rayos catódicos, componentes electrónicos sellados herméticamente, recipientes a presión, recipientes con aerosoles, recipientes con aislamiento al vacío (dewards), bombas, sistemas de refrigeración, plantas de químicos o nucleares, latas de bebidas, productos que incluyen fuelles metálicos, microscopios electrónicos, marca pasos etc.

A pesar de que con las tecnologías modernas es prácticamente imposible fabricar envolventes selladas o un sistema que garantice ser a prueba de fugas sin que sean probados. La pregunta clave es: ¿Cuál es la fuga máxima aceptable para obtener un rendimiento y vida del producto aceptable?

Podemos diferenciar dos tipos diferentes de fuentes de fugas:

Fugas causadas por defectos, en el contenedor. Por ejemplo una pared muy delgada en una botella de plástico, la cual puede dar lugar a fisuras microscópicas cuando la diferencia de presión es lo suficientemente grande, o en el caso de la industria de enlatado que el anillo para abertura falle, o una fundición porosa en una carcasa.

Fugas causadas por defectos en el ensamble, se deben usualmente a uniones o sellos imperfectos entre las diferentes partes que forman el artículo final. Estos artículos contienen piezas desarmables o unidas permanente mente por soldaduras de arco, autógena, uniones de vidrio con metal, cerámica con metal, aro sellos, empaques etc.

Materiales que permiten la difusión de gases o que son permeables en sus paredes.

Fuga virtual, es un tipo especial de fuga en la tecnología de vacío, la cual no significa que algo este entrando al sistema; pero que existe una fuente interna que genera gas o vapor.

Tamaño de la fuga y medición de la taza de fuga

La forma de la fuente de fuga (grietas, fisuras, porosidad, danos, etc.) son muy diferentes, desconocidas y no uniformes, por esta razón es imposible medir su tamaño, o geometría, excepto claro; en el caso de una fuente artificial de fuga empleada para calibración. ¿Cómo definir entonces el tamaño de la fuga? Un método ampliamente aceptado es el observar las variaciones de presión y temperatura de un gas o líquido que es inyectado. Así la taza de fuga se puede definir de dos maneras:

• En términos de la cantidad, por ejemplo 3 g de refrigerante R-12 en 2 años, o 65 ml de aceite por año a 60 °C y presión atmosférica.

• En términos de perdida de vacío, por ejemplo un incremento en la presión de 2 mbar en 1 hora o 3×10-7 mBar l/S (usando un método de detección de Helio).

Cada uno de los ejemplos mencionados da una manera legítima de describir una taza de fuga; pero las unidades aceptadas generalmente es la última porque es fácil de entender la detección de fugas de Helio, su eficiencia es el resultado de una competencia reñida en el desarrollo de instrumentos de medición de fugas en los últimos 15 -20 anos.

El experimento básico para determinar la fuga en un sistema hermético (método de incremento de la presión) es representado en la figura 1. El recipiente o sistema con un volumen conocido (V0) se conecta a través de una válvula a una bomba de vacío. Después de evacuar el sistema la válvula deberá de ser cerrada y entonces se registra la presión por un periodo de tiempo razonablemente largo Existen varias posibilidades: (a) el sistema esta sellado y limpio; (b) sellado, pero no limpio; (c) una fuga ideal; (d) no sellado ni limpio; por ejemplo fugas y desgasificación.

Como veremos en cualquier caso (a excepción del recipiente sellado), tendremos un aumento de la presión. Usando la pendiente de la curva el tamaño de la fuga se puede determinar empleando la siguiente formula.

Las unidades de fuga serán por ejemplo mBar l/S

Esta sencilla prueba nos ayuda a describir el procedimiento de identificación de fugas. Una prueba similar se puede realizar presurizando el sistema (y midiendo la perdida de presión); pero da solamente información referente a la fuga y por esta razón no es usada frecuentemente.

La taza de fuga Q no solo depende de las dimensiones geométricas (diámetro, longitud) de la fuente de fuga, también dependen de las propiedades físicas del gas (o liquido), como viscosidad, peso molecular y la diferencia de presión. Por ejemplo en condiciones similares helio fluye 2.7 veces más rápido que el aire. Por esta razón existirán diferentes resultados dependiendo del medio utilizado para medir la fuga, por lo que se deberá especificar qué gas fue empleado en la prueba.

La tasa máxima de fuga para un determinado producto depende de la naturaleza del producto. Como el costo de la detección de fuga (y fabricación de estructuras herméticas) se incrementa de manera inversamente proporcional a la taza de fuga, esto nos lleva a un aumento del costo de producción debido a la innecesaria detección de fugas. Algunos ejemplos de las fugas tolerables en diferentes elementos y sistemas se muestran en la tabla 1. Podemos observar un amplio intervalo de tamaños: de grandes con decimas de mBar l/S en sistemas con poco vacío, a millonésimas o más pequeños en sistemas electrónicos sellados. En este punto es posible decir que no existen productos ideales sin fugas, solo se puede especificar que tengan una fuga menor que cierto valor especificado.

Métodos de detección

Se conocen varias técnicas de detección. Su sensibilidad se muestra en la figura 2. Debido a sus ventajas nos fijaremos nuestra atención en la técnica de espectrofotometría de masas para detectar helio; pero primero presentaremos una corta descripción de las otras.

Métodos de incremento de presión. Pueden realizarse con un líquido o gas con el cual se llena el elemento a ser probado. Usualmente se emplea agua potable. Observando el exterior de la superficie las áreas húmedas delataran las fugas grandes y pequeñas hasta aproximadamente 1 mBar l/S. En las pruebas con un gas los recipientes se someten a presión de algunos bars (depende del material y su espesor) y se sumerge en agua, usando exista una fuga escaparan burbujas de gas, de esta manera se pueden detectar fugas de hasta 1×10-3 mBar l/S. Si el recipiente es muy grande para ser sumergido, las superficies a probar se humedecen con una solución de jabon, este método permite detectar fugas de hasta 10-5 mBar l/S y se puede aplicar a sistemas grandes.

Detectores de fugas de halógenos. Se emplea un detector (10-3 mBar l/S). se requiere que el sistema sea presurizad con un gas que contiene un haluro organico, como uno de los freones. El exterior del sistema es entonces examinado con un instrumento que detecta trazar de halógeno (Figura 3). Este método se basa en un incremento de la emisión de iones sodio o potasio debidos a la presencia súbita de halógenos. La corriente de iones es una medida del tamaño de la fuga Los detctores de halógeno también se pueden emplear conectándolos a un recipiente al cual se le hace vacio yposteriormente se rocia con freon, de esta manera su sensibilidad puede ser de hasta 5×10-7 mBar l/S y se emplean en bajo, medio y alto vacio.

Los liquidos penetrantes es una técnica empleada para encontrar fisuras en metales y defectos en soldaduras. Emplea un liquido de baja viscosidad que fácilmente migra hacia la superficie. Este liquido se aplican en un lado donde se sospecha existe una fuga, y después de un tiempo migra hacia el otro lado atraves del metal. La prueba es sencilla, de bajo costo, deja un registro y su sensibilidad puede ser tan alta como 10-6 mBar l/S .

La detección acústica de fugas emplea sonido o ultrasonido generado por el gas a medida que se expande por un orificio. Despues de presurizar un sistema con gas, las fugas son detectadas desde el exterior con un micrófono muy sensible (aproximadamente 40,000 Hz). Detección acústica de fugas es ampliamente empleada en la prueba de líneas de alta presión, ductos etc. Requiere poca instrumentación, es sencilla y rápida; pero está limitada a 10-3 mBar l/S .

Deteccion de Radioisotopos estees solamente útil para probar la hermiticidad de componentes, estos se colocan en una cámara la cual es evacuada y posteriormente llenada con un gas radioactivo de rastreo (usualmente Kripton 85), el cual se defiende a través de las grietas en el componente, posteriormente se remueve el compuesto radioactivo, el gas radioactivo atrapado en el elemento a probar se expande nuevamente y su radioactividad es registrada por un sensor. Los instrumentos para medir este tipo de fugas son muy caros; pero permiten medir flujos de hasta 10-11 mBar l/S.

Espectrofotometros de masas empleados como detectores de fugas. Son el método mas sensible para detectar fugas en elementos estáticos en sistemas de vacio. Estan ajustados para identificar un elemento de un peso molecular definido, usualmente helio porque tiene un volumen atomico pequeño lo cual le permite difundirse fácilmente a través de las fuentes de fuga, la diferencia relativa en concentracions en las atmosferas separadas por el medio a probar dan una gran sensibilidad, la presión parcial de helio en el aire es aproximadamente de 4×10-3 mBar.

Otro gas que puede ser útil para detectar fugas es el hidrogeno; pero este es peligroso y la atmosfera en un sistema al vacio siempre contiene este gas. Existen otros espectrofotómetros ajustados a otros gases por ejemplo argón.

Detección de fugas empleando espectrofotómetro de masas para helio

Los sistemas de detección de fugas con helio funcionan como sigue: El helio se introduce en la pieza que se quiere probar conectada al detector de fugas, el helio viaja a través de la fuga y llega al detector, su presion parcial es detectada y medida, el resultado es expresado como un flujo en el instrumento.

La parte principal del dispositivo es un espectofotometro de masa, un sensor para las diferentes masas de los gases. A presiones muy bajas (o vacio) las moleculas de los gases se transforman en inoes por el impacto de electrones, separando las partículas ionizadas por la relación de su masa carga (q/m) es posible medir la presión parcial de los diferentes gases presentes, en nuestro caso Helio. Durante la detección de fugas con helio, los espectrofotómetros de masa de sector magnético son los preferidos para esta aplicación. La bomba de vacio necesaria para la operación esta incluida en algunos equipos o puede ser adicional con la conexión adecuada.

Como la presión necesaria para que el espectrofotómetro de masas funcione adecuadamente no poder ser obteniada siempre con un tiempo de bombeo razonable, se han desarrollado varios tipos de quipos con diferente rendimientos. La configuración mas común incluye un flujo total de Helio que es alimentado al sensor, un ejemplo de este tipo de configuración se muestra en la figura 4.

En el sistema presentado el vacío se mantiene con una bomba de difusión en combinación con una bomba mecánica. Una trampa fría condensa los vapores de aceite o agua. Una bomba de bajo vacío actúa sobre el puerto de muestreo (que está conectado a la muestra a ser probada) un juego de válvulas dirige el flujo al sistema de vacío del espectrofotómetro, el helio que es asperjado en la superficie de muestreo tienen ahora una vía hacia es espectrofotómetro de masa donde será detectado. Después de realizar la medición el espectrofotómetro es aislado por una válvula que cierra y el puerto de muestreo se ventea, de esta manera el equipo está listo para la siguiente muestra.

Como se usa el helio en un detector de fugas? Existen básicamente cuatro técnicas para encontrar fugas dos del exterior al interior y dos del interior al exterior. (figura 5).

En las tenicas mas comunes "de afuera hacia adentro", la muestra a ser probada es conectada al detector y evacuada (Figura 5a), entonces la superficie se prueba con una corriente de helio. El detector de fugsda una señal acústica o visual (con la ubicación exacta) y datos sobre la magnitud de la fuga.

La segunda técnica (Fig. 5b) consiste en evacuar una pieza en el interior de un capuchón frecuentemente de plástico es inundada con helio, de esta manera es posible identificar rápidamente si la muestra fuga o no y establecer la taza de fuga. Esta técnica es muy útil en la fabricación de piezas que tienen que ser aceptadas o rechazadas.

En las técnicas de configuracion inversa, "de
adentro hacia afuera" la muestra es presurizada con He. En este caso el
detector es equipado con una sonda que puede ser usada de dos maneras representadas
en las figuras 5c y 5d. En el arreglo (c) la pieza a ser probada el detector
se pasa alrededor de los sitios con fugas potenciales, en este método
la sensibilidad es de 1×10-6 mBar l/S, no es tan sensible como las otras porque
el helio de la atmosfera entra constantemente al detector.

El arreglo (d) permite muestrear un gran numero de muestras de manera simultanea. Es frecuentemente llamado técnica de bombeo por que las piezas previamente presurizadas se colocan en un recipiente de donde el helio fluirá a través de las piezas que fugan. Todas las piezas son entonces expuestas a un detector conectado al recipiente cerrado.

Las técnicas mencionadas son los principales métodos para determinar si existen fugas, localizarlas. Cada técnica tiene sus propias ventajas y limitaciones, a la vez que cada una tienen sus propias variaciones.

Conclusión

Investigadores, técnicos, científicos etc. quienes
requiren elementos, recipientes sellados herméticamente, vacio o simplemente
sellos efectivos, tienen que estar familiarizados con la localización
y medición de fugas. En Eslovenia existen actualmente algunos grupos
(principalmente facultades e institutos) lo cuales tienen el conocimiento. Existen
también algunas tecnologías que permiten la detección de
fugas en líneas de producción en un 100% de control de calidad;
pero en general la ingeniería e igualmente importante las organizaciones
de proyectos en este campo son casi desconocidas. Deseando nuestro progreso
hacia un país más desarrollado, esta situación debe cambiar.
El departamento de elementos y sistemas al vacío del instituto tecnológico
de electrónica y vacío (IEVT) está entre otros permanentemente
ocupado en pruebas de hermeticidad, detección de fugas debido a sus propias
necesidades y como servicio a clientes. En cooperación con la sociedad
Eslovena de vacío, preparamos cada ano cursos educativos sobre las técnicas
de vacío donde ensenamos teoría y práctica, por esta razón
hemos preparado este documento informativo sobre los conocimientos elementales
de fugas y su detección.

Autor:

Andrej Pregej, Marjan Drab,

IEVT, Teslova 30, Ljubljana

Miran Mozetic,

ITPO, Teslova 30, Ljubljana

Enviado por:

Mauricio Gonzalez