Helium-Leckageprüfung an langen dünnen Rohrleitungen

Einleitung

Die Helium-Leckageprüfung ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode, die sehr hohe Empfindlichkeit und breiten dynamischen Bereich bietet. Als eine mit Prüfgas arbeitende Methode ist die Helium-Lecksuche den Gesetzmäßigkeiten der Strömungsmechanik unterworfen. Hohe innere Strömungswiderstände von einzelnen Prüflingen können die Leistungsfähigkeit der Helium-Lecksuche stark beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für lange und dünne Gasleitungen, wie sie zum Beispiel beim Bau von Gasversorgungen oder gewickelten Wärmetauschern eingesetzt werden.

Lecksuche durch Ansprühen mit Helium

Nach Anschluss und Evakuieren des Prüflings werden die äußeren Flächen über eine fein dosierbare Handpistole mit Helium besprüht. Helium dringt durch Leckagen in den Prüfling ein und kann zum Nachweisgerät transportiert werden (siehe Abbildung 1). Moderne Lecksucher kombinieren die erforderlichen Vakuumpumpen und das Analysengerät – ein magnetisches Sektorfeldmassenspektrometer - in einem kompakten Gehäuse.

Abbildung 1: Helium-Sprühtest

Die Ansprechzeit bei der Messung ist bestimmt durch das Volumen des Prüflings sowie das effektive Saugvermögen des Testaufbaus für das Prüfgas Helium (siehe Infokasten 01).

Das effektive Saugvermögen für Helium setzt sich zusammen aus dem Helium-Saugvermögen des eingesetzten Lecksuchers sowie den Strömungswiderständen des Prüflings und der Leitungsbauteile zur Verbindung zwischen Lecksuchgerät und Prüfling (siehe Infokasten 02).

Marktübliche Helium-Lecksuchgeräte erreichen ihre maximale Empfindlichkeit im sogenannten Feinleckmodus bei einem vergleichsweise niedrigen Einlassdruck im Bereich von 0,01 mbar.

Wird ein Prüfling von Luftdruck auf einen prüffähigen Druck abgepumpt, wird gleichzeitig das in einer natürlichen Konzentration von 5 ppm in Luft vorliegende Helium mitevakuiert. Je niedriger der Druck im Prüfling wird, umso niedriger ist normalerweise auch das Helium-Untergrundsignal. Vor diesem Hintergrund erscheint es also auch als sinnvoll, für möglichst empfindliche Messungen jeden Prüfling auf möglichst niedrige Drücke abzupumpen. Werden lange, dünne Rohrleitungen bis zum Enddruck des Helium-Lecksuchgeräts abgepumpt, herrscht im Inneren des Rohrs Molekularströmung vor und der Leitwert des Prüflings kann nicht mehr vernachlässigt werden. Dies gilt grundsätzlich für alle Prüflinge, bei denen kleine Durchmesser über große Längen gepumpt werden müssen (siehe Infokasten 03).

Im molekularen Strömungsbereich ist der Strömungswiderstand des Rohres viel höher als im laminaren Strömungsbereich, der bei hohen Drücken vorliegt (siehe Infokasten 04).

Molekularer Strömungsbereich macht sich bei der Helium-Leckagemessung von dünnen Bauteilen durch eine sehr viel längere Ansprechzeit bemerkbar (siehe Infokasten 01). Zusätzlich sinkt die maximale Signalintensität durch eine sehr breite Geschwindigkeitsverteilung der Gasmoleküle.

Sprühtest mit Trägergas

Um bei leitwertlimitierten Bauteilen wie Rohrleitungen kurze Ansprechzeiten sowie hohe Empfindlichkeit zu erzielen, wird die Prüfung am besten im laminaren Strömungsbereich durchgeführt. Durch Spülen der Gasleitung mit einem Trägergas wird eventuell durch Leckagen eintretendes Prüfgas zügig durch den Prüfling zum Messgerät transportiert. Ein typischer Testaufbau ist in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2: Helium-Sprühtest mit Trägergas

Helium-Sprühtest mit und ohne Trägergas - ein Vergleich

Abbildung 3 zeigt den typischen Ablauf einer Helium-Leckageprüfung. Nach der Autokalibrierung des Lecksuchgeräts vom Typ ASMGraph wird ein quaderförmiger Behälter mit einem Volumen von 1 Liter abgepumpt. Bei Erreichen eines Untergrundsignals von 1,0 · 10^-9 mbar · l/s wird die Untergrundunterdrückung des Lecksuchgeräts aktiviert und das Absperrventil zu einem Kalibrierleck mit einem Wert von 1,0 · 10^-7 mbar · l/s geöffnet. Das Leckratensignal zeigt einen Anstieg innerhalb von weniger als 2 Sekunden. Theoretisch ergibt sich eine Ansprechzeit τ63% von einer Sekunde. Die zeitliche Auflösung der eingesetzten Software (adixen ASMView) liegt bei einer Sekunde. Das zwischen dem Diffusionselement des Testlecks und dem Absperrventil eingeschlossene Helium führt zu Überschwingen bis zu einem Wert von maximal 1,9 · 10^-5 mbar · l/s. Dieses Verhalten ist typisch für nicht differentiell gepumpte Testlecks. Bei Einsatz von Kalibrierlecks mit größeren Leckwerten kann das Überschwingen sogar zum Ansprechen der internen Schutzschaltungen der Lecksuchgeräte führen. Daher werden Kalibrierlecks in den meisten kommerziellen Lecksuchanlagen differentiell gepumpt oder in den meisten marktüblichen Lecksuchgeräten über ein Dreiwegeventil angeschlossen.

Der nominelle Wert des Testlecks (+/- 10%) hat sich innerhalb von 13 Sekunden nach Öffnen des Absperrventils eingestellt. Wird das Ventil wieder geschlossen, ist das Heliumsignal nach nicht einmal 9 Sekunden wieder vollständig abgebaut. Nach Beendigung des Tests wird nochmals eine Autokalibrierung durchgeführt. Die mit Lecksucher und zugehöriger Software erzeugten Graphen erlauben eine einwandfreie Dokumentation als Basis für die Qualitätssicherung.

Abbildung 3: Leckageprüfung an einem quaderförmigen Behälter mit Testleck (aus dem Lecksuchgerät ASMGraph heruntergeladene Bitmapgrafik des Touch-Screen-Displays)

Abbildung 4 zeigt die Ansprechzeit des oben beschriebenen Behälters im Vergleich zu einem Rohrstück mit einer Länge von 7 Metern und einem Innendurchmesser von 4 mm. Mit dem Quader wird innerhalb von rund einer Minute ein Untergrundsignal von 10^-9 mbar · l/s erreicht. Aus der Gasleitung kann der Rest-Heliumgehalt der Luft wegen des hohen Strömungswiderstands der Rohrleitung nur sehr langsam abgepumpt werden und das Untergrundsignal stabilisiert sich bei einem Wert von 5 · 10^-8 mbar · l/s. Das Untergrundsignal bei der Messung an der dünnen Gasleitung ist also um einen Faktor 50 höher als bei einer Messung an einem strömungsgünstigen Bauteil. Um ein identisches Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzielen, wird demzufolge an der Gasleitung ein Testleck mit einem Wert von 5 · 10^-6 mbar · l/s eingesetzt.

Abbildung 4: Ansprech- und Erholzeiten eines Volumens von 1 Liter im Vergleich zu zwei Leitungen 6x 1 mm, Länge 7 Meter und 20 Meter

Mit dem Quader wird das Prüfgas augenblicklich angezeigt. Der Anstieg mit der Gasleitung ist annähernd so schnell. Das Signalmaximum wird aber erst nach 15 Sekunden erreicht (Quader 2,5 Sekunden) und das Signal stabilisiert sich erst nach dreieinhalb Minuten (Quader 13 Sekunden) (siehe Infokasten 05).

Wird die Gasleitung auf 20 Meter verlängert, verlängert sich die Zeit bis zum ersten Beobachten eines Heliumsignals auf 80 Sekunden! Auch nach mehr als 8 Minuten wird keine Stabilisierung auf den nominellen Leckagewert beobachtet. Dabei bleibt der gemessene Wert um mehr als einen Faktor 50 unter dem des eingesetzten Testlecks (siehe Infokasten 06).

Die Erholzeit nach Schließen des Ventils zum Testleck beträgt 9 Sekunden mit dem Quader und gut viereinhalb Minuten mit der 7 m-Gasleitung. Mit der 20 m-Gasleitung wurde das Experiment nach 25 Minuten ohne Ergebnis abgebrochen (siehe Infokasten 07).

Abbildung 5 zeigt die selben Prüflinge mit Trägergasmessung im selben Maßstab. Bei allen folgenden Messungen wird ein Testleck mit einem Wert von 1,0 · 10^-7 mbar · l/s eingesetzt. Der Trägergasstrom wird so eingestellt, dass das eingesetzte Lecksuchgerät vom Typ adixen ASM 142 gerade die Druckschwelle für den NORMAL-Testmodus von 0,5 mbar erreicht. Kein anderes Helium-Lecksuchgerät der Einstiegsklasse kann hochempfindliche Messungen bei einem derart hohen Einlassdruck durchführen, der etwa um einen Faktor 50 über dem von Mitbewerbergeräten liegt. Der Leitwert der 20m-Leitung liegt bei 0,5 mbar etwa um einen Faktor 5 höher als bei 0,01 mbar. Dies bedeutet beim Einsatz von Trägergas auch deutlich kürzere Messzeiten!

Es ist klar zu sehen, dass die Ansprechzeit im Vergleich zu Messungen ohne Trägergas stark verkürzt und das erhaltene Signal wesentlich schärfer ist.

Abbildung 5: Ansprech- und Erholzeiten zweier Leitungen 6x 1 mm, Länge 7 m und 20 m mit Trägergas

Anstiegs- und Erholzeiten sind kurz und erlauben eine eindeutige IO/NIO-Aussage. Der Einsatz des Testlecks bedeutet nicht nur eine in-situ Kalibrierung der Leckrate, sondern auch eine Messung des maximalen Zeitbedarfs für die Messung. Der Vergleich zwischen den Ansprechzeiten bei der Kalibrierung und der eigentlichen Messung über die Länge des Prüflings erlaubt die Lokalisation der Leckage.

Damit ist klar gezeigt, dass der Einsatz von Trägergas Voraussetzung ist für effektive, quantifizierbare und reproduzierbare Messungen an leitwertlimitierten Bauteilen.

Die erreichbare Nachweisgrenze hängt in erster Linie vom Helium-Restgehalt des eingesetzten Trägergases und dem geforderten Signal-zu-Rausch-Verhältnis ab. Der Helium-Restgehalt in Stickstoff mit einer Standard-Reinheit von 99,8% (Stickstoff 2.8) erzeugt ein Untergrundsignal von 3,8 · 10^-6 mbar · l/s. Auch mit Untergrundunterdrückung misslingt damit der Nachweis einer Leckage im Bereich von 5 · 10^-8 mbar · l/s. Der Helium-Restgehalt von Stickstoff 5.0 erzeugt ein Untergrundsignal von ca. 1 · 10^-9 mbar · l/s. Damit können wesentlich kleinere Leckagen nachgewiesen werden. Der Einsatz eines inerten Trägergases erlaubt auch die Lecksuche an Gasleitungen für toxische, reaktive, explosible oder brennbare Medien während der Erstinstallation oder nach Wartungsarbeiten.

Für die Standardanwendung der beschriebenen Lecksuchmethode bietet adixen die Modelle ASM 142 und ASM Graph mit leistungsfähiger integrierter Drehschieberpumpe an. Die konkurrenzlos hohe Schaltschwelle zwischen Grobleck- und Normalmodus bietet maximale Flexibilität bei der Auswahl von Prüfdruck und Empfindlichkeit. Für anspruchvolle Anwendungen, in denen ölfreie Lecksuchsysteme vorgeschrieben sind, können die Modelle ASM Graph D+ oder ASM 182 TD+ eingesetzt werden (siehe Infokasten 08).

Das leistungsfähige Softwarepaket ASMView kann zur Messwertdokumentation eingesetzt werden. Dieses Softwarepaket steuert alle aktuellen adixen-Lecksucher und kann kostenlos von der adixen web site heruntergeladen werden.

Autor: Rudolf KONWITSCHNY, Alcatel Hochvakuum Technik GmbH, Wertheim

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