Industrielle Dichtheitsprüfung an Wellenbälgen und Kompensatoren

Was haben ein Luftballon und ein Wellenbalg gemeinsam? Beide müssen eine dichte Außenhaut haben, um ihre Funktion zu erfüllen.

Wellenbälge und Kompensatoren haben sich im industriellen Einsatz ein weites Anwendungsgebiet erobert. Anwendungsbeispiele sind Abgasleitungen im Kfz-Bereich und Druckschalter in der Kältetechnik (siehe Abbildung 1).

Die industrielle Leckprüfung solcher Bauteile muß sich am Anwendungsgebiet orientieren (siehe Infokasten 01 "Definition einer Leckrate"). Damit sind bereits einige Randbedingungen für die Leckprüfung vorgegeben:

1. Die Prüfung muß zerstörungsfrei sein. Damit ist der maximale Prüfdruck durch die Elastizitätsgrenze des Materials vorgegeben.
2. Die Prüfung muß den realen Einsatz des Prüflings mindestens simulieren, besser noch eine Sicherheitsgrenze beinhalten. Diese Forderung bestimmt die Druckrichtung und den Druck bei einer Berstdruckprüfung , die der eigentlichen Leckageprüfung oft vorgeschaltet ist.
3. Die Produktionsprozesse müssen mindestens qualitativ, besser noch quantitativ überprüfbar sein. Durch den Produktionsprozeß auftretende Veränderungen des Materials müssen meßbar sein.

Betrachten wir dazu exemplarisch das Schweißen von Metallbälgen. Das Anschweißen von Federbälgen und Wellschläuchen an Flansche oder Gehäuse mittels Laser-schweißen ist ein weit verbreiteter industrieller Prozeß. Das Laserschweißen erzeugt optisch homogene Schweißnähte, die eine visuelle Prüfung oft überstehen. Der Haupt-vorteil des Laserschweißens liegt in der kleinen Wärmeeinflußzone und den damit erhaltenen Materialeigenschaften selbst direkt neben der Schweißnaht. Speziell bei der Fertigung von Druckschaltern mit Federbälgen wird durch Laserschweißen die Lebens-dauer der Federbälge im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren deutlich erhöht. Die Druckschalter müssen mindestens zwei Millionen Schaltzyklen überstehen. Auch im Falles eines Versagens durch Bruch des Arbeitsbalgs müssen die Schalter dicht sein. Diese Anforderung wird oft durch Umhüllung der Arbeitswelle durch einen zweiten Wellenbalg erfüllt. Die aktive Fläche des zweiten Balgs ist deutlich größer als die der Arbeitswelle. Dadurch wird die geforderte Sicherheitsabschaltung auch bei einem Druckabfall auf einen Bruchteil des Arbeitsdrucks sichergestellt (siehe Infokasten 02 "Allgemeines Gasgesetz").

Die geforderte Funktion ist mit einer doppelwandigen Konstruktion also sichergestellt, wird jedoch mit einer Reihe von Nachteilen erkauft:

Die Doppelkonstruktion ist wesentlich steifer als eine Lösung mit nur einem Wellrohr.

Die Arbeitsrichtung verlangt die Hochdruckseite innen im Balg. Wellschläuche sind jedoch mechanisch belastbarer, wenn die Hochdruckseite außen liegt; sie also zusammengedrückt werden.

Werden diese Randbedingungen bereits in der Konstruktionsphase beachtet, entstehen durch Verwendung dünnwandiger Bälge und geeigneter Materialauswahl Kompensa-toren von hoher Flexibilität und langer Lebensdauer.

Abbildung 1: Kompensatoren

a: neues Design mit Einzel-Wellrohr

b: altes Design mit doppelwandigem Balg

Abbildung 1a ist ein Kompensator der Firma ALCO Controls/EMERSON ELECTRIC gezeigt, der unter Beachtung der oben genannten Designkriterien konstruiert wurde. Der Nachweis der überlegenen Langzeitstabilität dieser Konstruktion wurde durch eine Typprüfung erbracht, in deren Rahmen 7 Millionen Zyklen ohne einen einzigen Ausfall der Testschalter überstanden wurden. Dieser Wert setzt einen neuen Qualitätsstandard für die Haltbarkeit von Wellenbälgen. Nach erfolgreicher Typprüfung hat sich der Hersteller in der Serienprüfung für die Helium-Lecksuche entschieden und das Verfahren unter Berücksichtigung der speziellen Anforderungen des Prüflings in die Fertigung integriert (siehe Infokasten 03 "Aufbau des Prüfstandes").

Warum Helium-Lecksuche? Herkömmliche Verfahren wie Farbeindringprüfung, Schnüffeln von Kältemitteln oder Blasentest erreichen nur einen Bruchteil der Empfindlichkeit der Helium-Leckprüfung und erzielen nicht deren Produktivität und Anpassung in die industrielle Serienfertigung(siehe Infokasten 04 Dynamisches Verfahren der Leckprüfung").

Die Vorteile der Helium-Leckprüfung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Größter dynamischer Bereich aller Dichtheitsprüfungen.

Höchste Nachweisempfindlichkeit.

Das Prüfgas ist ungiftig, farblos, geruchslos, nicht brennbar, kondensiert nicht und ist chemisch völlig inert. Der Prüfling wird weder verschmutzt noch durch Chemikalienangriff beschädigt. Niedriger Untergrund durch geringes natürliches Vorkommen von Helium (5 ppm in Luft).

• Helium ist beliebig mit anderen Gasen mischbar. Dadurch kann bei geringen Anforderungen an die Nachweisempfindlichkeit ein noch preiswerteres Prüfgas mit niedrigem Heliumgehalt eingesetzt werden.
• Helium ist massenspektrometrisch ohne Querempfindlichkeit nachweisbar
• Übersprechen oder Fehlmessungen durch andere Gase sind ausgeschlossen
• Helium ist im Gegensatz zu vielen Kältemitteln kein Treibhausgas
• Helium ist ein kommerziell erhältliches preiswertes Gas

Das Edelgas Helium ein preiswertes Gas? Helium ist sicherlich teurer als die in Druckabfallmethoden verwendeten Gase. Im betrachteten Einsatz bei der Firma ALCO Controls liegen die Gasverbrauchskosten für eine Prüfung jedoch nur bei 0,0003 Euro. Bei diesen geringen Kosten ist Helium-Recycling unwirtschaftlich. Die Wiedergewinnung des eingesetzten Heliums ist technisch zu 80 bis 90% möglich, erfordert jedoch hohe Investitionskosten, die sich nur bei Serienprüfungen mit hohem Gasverbrauch rechnen.

Kommerziell erhältliche Helium-Lecksuchgeräte [6] besitzen eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit und können Leckagen nachweisen, die 10.000 mal kleiner sind als die typischen Anforderungen an Kältemittel-Kreisläufe [1].

Abbildung 2+3

Meßzelle eines Lecksuchgeräts

Vakuumschema des ASM 142

Die hohen Empfindlichkeitsreserven erlauben bei der Einrichtung von Prüfplätzen Optimierungen in Bezug auf Betriebssicherheit durch Gegenstrom-Meßverfahren (siehe Infokasten 03 "Aufbau des Prüfstandes") oder Kosteneinsparung durch niedrige Heliumkonzentrationen (siehe Infokasten 05 "Umrechnung einer Flüssigkeitsleckrate in eine Gasleckrate").

Die Prüfplätze bei ALCO Controls evakuieren den niederdruckseitigen Raum der Prüflinge. Die Hochdruckseite wird nach vorheriger Evakuierung mit einem Helium/ Luft-Gemisch (5 %/ 95 %) bei einem Prüfdruck von 48 bar beaufschlagt. Damit werden die Druckkörper in der realen Arbeitsrichtung geprüft (siehe Infokasten 03 "Aufbau des Prüfstandes"). Die Ansprechzeit der Prüfung liegt bei ca. einer Sekunde. Diese kurze Ansprechzeit ist Voraussetzung für einen industriellen Serientest und wird im vorliegenden Fall durch Vorfüllung der Ventile mit dem Prüfgas realisiert. Durch eventuelle Leckagen austretendes Gas wird über das Vakuumsystem zum Lecksuchgerät geleitet und in einem Zeitfenster von nur 3 Sekunden pro Messung zuverlässig und quantitativ detektiert.

Die große Typenvielfalt der produzierten Ventile und Druckschalter zwingt ALCO Controls zu einer großen Variabilität der Meßaufnahmen. Mit dem hausinternen Prüfmittelbau wurden Adapter, Halterungen und Rundschalttische entwickelt, die den Anforderungen an schnellen Werkzeugwechsel und Systemdichtigkeit vollauf genügen.

Abbildung 4

Aufnahme von Prüflingen am Prüfplatz

Externe Anbieter von Helium-Prüfsystemen konnten den ALCO-Neuentwicklungen nicht flexibel genug folgen. Die Anpassung der Prüfplätze an die räumlichen Gegebenheiten der Fertigung wurde ebenfalls in den eigenen Werkstätten optimal gelöst. Als Meßsystem entschied sich ALCO Controls für das „stand-alone“ Lecksuchgerät ASM 142 von adixen.

Abbildung 5

Lecksuchgerät ASM 142

Die Einbindung in die Anlagensteuerung fand unter Ausnutzung der integrierten Selbst-diagnosefunktionen des Lecksuchgeräts statt, um neben komfortablen Betrieb die Einbindung in das QS-System des Betreibers optimal zu unterstützen. Im Servicefall kann ein Standardaustausch des Lecksuchgeräts innerhalb von 15 Minuten durchgeführt werden, was im Vergleich zu anderen Servicekonzepten zu minimalem Analgenstillstand führt.

In Zusammenarbeit mit adixen entwickelte ALCO Controls die Helium-Lecksuche zum betriebsinternen Standard für die Dichtheitsprüfung, der die Prüfschärfe aller bisher eingesetzten Verfahren bei weitem übertrifft. In mittlerweile vier Betriebsjahren wurden insgesamt 12 Prüfplätze gebaut. Dazu Karl Everts, Leiter der Abteilung Produktions-technik bei ALCO Controls: „Ich sehe die Zukunft für die Helium-Lecksuche in unserem Hause sehr positiv. Die Kombination von Betriebssicherheit, Nachweissicherheit, niedrigen Verbrauchskosten, geringem Wartungsbedarf und Flexibilität sichert der Methode ihre Zukunft – und unserem Betriebsmittelbau die Arbeitsplätze. Schließlich fertigen wir nicht nur für den Eigenbedarf am Standort Aurich, sondern für sämtliche europäischen Standorte des Firmenverbunds EMERSON ELECTRIC / Copeland. Bei der Entwicklung und dem Prüfmittelbau ist die Verwendung eigener ALCO Controls-Komponenten, also Ventilen und Druckschaltern, ideal. Damit haben wir bei den Komponenten die volle Kontrolle über Fertigung, Betrieb, Ersatzteilhaltung und Investitionskosten. Und beim Herzstück der Anlage, dem Helium-Lecksuchgerät hat sich die Zusammenarbeit mit adixen bestens bewährt.“

Der Verfasser dankt Herrn Everts für die Unterstützung bei der Materialsammlung, Erstellung der Zeichnungen, für die Fotos und die Freigabe der Materialien durch ALCO-Controls, Aurich.

[1] R. Birndt, J. Schenk; Stand und Probleme der Lecksuche / Dichtheitsprüfung in der Kältetechnik, DIE KÄLTE und Klimatechnik, 10/1995, p. 714 ff

[2] Wutz, Adam, Walcher "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik" VIEWEG Braunschweig, 4. Aufl. 1988

[3] Kerspe et al. "Vakuumtechnik in der industriellen Praxis",

Expert Ehningen, 2. Aufl. 1993

[4] Christen "Chemie", Diesterweg Frankfurt/Main, 11. Aufl. 1978

[5] Gerthsen, Kneser, Vogel "PHYSIK", Springer Berlin 1977

[6] ALCATEL Vacuum Technology France, Informationsschrift 791527

"Multipurpose Leak Detector, ASM 142 series", Annecy 10/2001

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