Классы герметичности и природа течей

Определение геометрических размеров течи — как правило, неразрешимая задача: течь представляет собой канал совершенно неопределённой формы. Поэтому в технике течеискания о наличии течей судят по количеству газа или жидкости, протекающему через них в единицу времени.

Поток течи

Для изделия объёмом V при изменении давления ΔP за время Δt поток определяется по формуле:

Поток Q = 1 Па·м³/с наблюдается, когда в закрытом вакуумированном изделии объёмом 1 м³ давление повышается на 1 Па в секунду. Соотношение определено при разнице давлений между стенками изделия в одну атмосферу для воздуха, проникающего внутрь при нормальных условиях (25 °C). Тем же соотношением описывается скорость утечки рабочего газа из заполненного изделия.

Сквозная течь или дегазация?

Для сквозных течей характерно постоянное изменение давления за равные промежутки времени — вплоть до стабилизации на уровне атмосферного давления. Это позволяет отличить реальную сквозную течь от натекания, связанного с дегазацией внутренней поверхности:

• сквозной дефект — вакуум ухудшается постоянно, с одинаковой скоростью, до атмосферного давления;
• дегазация поверхностей — вакуум ухудшается с переменной скоростью: сначала быстро, затем стабилизируется на уровне, не дошедшем до атмосферного;
• оба случая могут существовать в одном объекте контроля одновременно.

Предел чувствительности и газопроницаемость

Поток 5·10⁻¹³ Па·м³/с соответствует эффективному диаметру отверстия около 1 ангстрема (Å) — это нижний предел обнаружения современных гелиевых течеискателей. Поскольку постоянные решётки многих твёрдых тел составляют несколько Å, а диаметр самых мелких молекул (H₂, He) — около 1 Å, гелиевым течеискателем можно измерять газовую проницаемость сквозь твёрдые тела. На малых потоках речь идёт уже не о сквозных дефектах, а о проницаемости материалов.

Даже на пороговой чувствительности 5·10⁻¹³ Па·м³/с регистрируются не отдельные атомы: этому потоку соответствует порядка 100 миллионов атомов гелия в секунду. Течеискание всегда оперирует статистически большими количествами газа.

Статистика обнаруживаемых течей

На графике — два характерных распределения обнаруживаемых течей по величине потока. Пик в районе 10⁻⁵ Па·м³/с — сквозные утечки, самые частые дефекты конструкции. В диапазоне 10⁻¹³–10⁻⁹ Па·м³/с основную роль играет газопроницаемость: материал не удерживает рабочий газ из-за своей структуры, а не из-за дефектов.

Поэтому на этапе проектирования важно учитывать газовую проницаемость материалов в отношении конкретных рабочих газов; измерить её позволяют квадрупольные масс-спектрометры.

Классы герметичности

Требования к герметичности определяет разработчик и указывает в конструкторской документации в виде класса герметичности. Класс определяет группу методов контроля, пороговая чувствительность которых находится в заданном диапазоне, и количественно характеризует допустимую течь объекта.

Изделие соответствует классу, если установка с чувствительностью в пределах этого класса не обнаружила поток, превышающий его верхнюю границу. В различных отраслях классы могут иметь другую мантиссу (например, 6,7 — как в ГОСТ Р 50.05.01-2018), но общее число классов, как правило, остаётся равным пяти.

Массовый расход газа

Массовый расход при известной интенсивности утечки определяется из уравнения состояния идеального газа:

Единицы измерения потока

В вакуумной технике используется множество внесистемных единиц. Современные приборы обычно позволяют выбрать удобную для предприятия единицу индикации; для унификации мы рекомендуем систему СИ (Па·м³/с). Таблица поможет избежать ошибок при сопоставлении данных разных приборов и стандартов:

Пример: 1·10⁻¹² мбар·л/с = 1·10⁻¹³ Па·м³/с — предел современных гелиевых течеискателей. Подробнее о пересчёте — в статье «Па·м³/с и мбар·л/с».