关于真空检漏技术的详细说明

2199 编辑：中冶有色技术网来源：巩华

2023-05-23 10:46:34

一个真空系统，经相当长时间抽气之后，仍然达不到预期的真空度，可能的原因有：抽气情况不良，即抽气系统本身的问题。放气，即真空系统或容器内部存在气体或气源。漏气，即真空系统或被抽容器存在漏孔或缝隙。至于漏气是检漏技术所要解决的问题，即准确检出漏孔并加以修补。常规检漏内容包括：用适当的方法判断真空系统中漏气问题是否存在。确定漏气率。找出泄漏部位，以便修补堵漏。

漏气判定

如何判断真空系统是否存在漏气，通常采用静态升压法，即把容器抽到一定压强后，关闭阀门将被抽容器与泵隔开，若容器漏气或材料放气，容器中的压强将随时间而上升。用真空计每隔一定时间计量一次容器中的压强，可得出压强/时间曲线。由于容器的漏气与出气情况不同，其曲线也不同

1.直线A

压强不随时间变化，说明系统即不漏气，也不放气。真空度上不去的原因是泵工作不良。

2.直线B

压强开始上升很快，而后上升速度渐渐减慢而趋于平衡，这说明容器没有漏气。真空度上不去的原因主要是放气的影响。因为放气速率随压强的升高和时间的延长而降低，故曲线渐趋向于平衡。

3.直线C

是一斜率为ΔP/Δt的直线。这说明只有漏气而没有放气。

4.曲线D

开始压强上升较快，而后渐渐减慢，最后变成斜率为ΔP/Δt的直线。这说明容器即有放气也有漏气。曲线D可以认为是B和C的叠加。如果出现曲线C和D的情况，则判定系统有漏气。

一个真空系统(或容器)要求做到绝对不漏气是不现实的，也是没有必要的，所以就要根据真空系统实际应用的具体条件，对漏率指标提出合理的要求，只要漏孔的漏率已足够小，使得平衡压强低于真空系统工作所需的压强，这些漏孔就是允许的。真空系统正常工作所能允许的最大漏气量，称最大允许漏率，简称允许漏率。此值不仅是设计真空系统的一项主要指标，也是检漏的依据。

如果已知允许的总气载，而没有具体指明究竟有多大，那么，在设计合理的前提下。最大允许漏率Q漏=0.1Q总，不同真空系统所允许的总漏率也不同。

1.动态系统

即边抽边工作的真空系统。通常的真空泵、真空设备都属于这一类。这种系统是利用一定抽速的泵来获得和维持真空，即使系统存在较大的漏孔也可以达到所要求的真空度，因此对气密性和放气的要求相应降低。显然，这种系统一旦与泵隔开，真空度会急剧下降。对于这种系统，容许的最大气载可以用气体流量恒定关系来获得。

当系统达到动态平衡时，单位时间进入系统空间的气量必然等于被泵抽走的气量。此时的平衡压强就是系统所能达到的极限压强P0，即Q=S有效·P，其中Q=Q放+Q漏。因此，所允许的最大气载Q总≤S有效·P。在结构材料合理的情况下，一般取Q漏0.1Q总≤0.1S有效·P。又因为S有效=(SP·C)(/SP+C)，式中SP、C分别为泵的抽速和导管的流导。将其代入计算得：Q漏≤[0.1P(0SP·C)](/SP+C)。

2.静态系统

密封容器达到一定真空度后与真空泵隔开。通常的电真空器件、真空容器都属于该类系统。

设器件封离真空系统的压强为P0，器件能够正常工作的最高压强为Pt，器件能保存和正常工作的时间为(t使用寿命)。那么，所允许的总气载(漏气和放气)是：Q总≤([Pt-P0)V]/t，其中V表示器件的体积。所允许的最大漏率为：Q漏=0.1Q总≤[0.1V(PtP0)]/t。

真空系统、容器或器件的器壁因材料本身缺陷或焊缝、机械连接处存在孔洞、裂纹或间隙等缺陷，外部大气通过这些缺陷进入系统内部，致使系统、容器或器件达不到预期的真空度，这种现象称为漏气。造成漏气的缺陷称为漏孔。漏孔尺寸微小、形状复杂，无法用几何尺寸表示，因此在真空技术中用漏率来表示漏孔的大小。漏率是指单位时间内漏入系统的气体量，其单位为帕·米3/秒(Pa·m3/sec)或托·升/秒(Torr·L/sec)。1Pa·m3/sec=7.5(Torr·L/sec)

真空检漏技术就是用适当的方法判断真空系统、容器或器件是否漏气、确定漏孔位置及漏率大小的一门技术，相应的仪器称为检漏仪。在真空系统、容器、器件制造过程中借助真空检漏技术确定它们的真空气密性、探查漏孔的位置，以便采取措施将漏孔封闭从而使系统、容器、器件中的真空状态得以维持。

漏率的大小需进行校准后方能确定。一般采用比较法，即将被检漏孔与标准漏孔在检漏仪上进行比较，就可得出被检漏孔的漏率。检测真空系统或其零部件的漏孔的方法。对一定的容器进行足够长时间的抽气后，容器压力不再变化，这时的抽气量必定与容器的漏气量和放气量之和相等，即puSe=qL+q0，式中pu为容器的极限压力，Se为容器排气口处的有效抽气速率，qL和q0分别为容器的漏气量和放气量。如放气量少到可以不计，则平衡式变为puSe=qL，或pu=qL/Se。这说明容器的极限压力由漏气量与有效抽气速率的比值决定。如抽气速率一定(常数)，要得到低的极限压力便应降低漏气量，检漏便是关键的措施。

漏孔就是真空容器的孔洞和孔隙。容器内外的压力差会使气体通过漏孔从容器的一侧通向大气侧。漏孔一般很微小，实际上不能测出漏孔的具体大小，所以漏孔大小都用漏率(在规定的条件下气体流过漏孔的流量)来表示。漏孔两侧存在着压力差，即可利用气体流动引起的效应来检漏。为便于检漏和易于检测出漏孔的位置，一般尽可能缩小检测的面积范围，所以先侧重于对零部件的检漏。零部件经过严格的检漏，组装后就可避免漏气。

真空检测常用的有气压检漏、氨敏纸检漏、荧光检漏、高频火花检漏、放电管检漏和仪器检漏等多种方法。

标准漏孔指在温度为23±7、露点低于-25的干燥空气中，保持漏孔一端压强为100千帕±5%，另一端压强低于1千帕的状态下,经过校准后确定漏率的漏孔。常用标准漏孔有玻璃毛细管漏孔、薄膜渗氦漏孔、玻璃-白金丝漏孔、金属压扁漏孔、多孔金属或陶瓷漏孔和放射性漏孔等。

气压检漏

被检零部件内腔充以气体(一般为空气)，充气压力的高低视零部件的强度而定，一般为(2～4)×105帕。用皂液涂于零部件可疑表面处，有气泡出现处便是漏孔位置。用这种方法最小可检漏率为5×10-3帕·升/秒的漏孔。此外，还可将充气的零部件浸在清净的水槽中，气泡形成处便是漏孔位置。用水槽显示漏孔，方便可靠，并能同时全部显示出漏孔位置。如气泡小、成泡速度均匀、气泡持续时间长，则为1.3×10-2～13帕·升/秒漏率的漏孔。如气泡大、成泡持续时间短，则为13～103帕·升/秒漏率的漏孔。

氨敏纸检漏

将被检零部件内腔抽空后，充入压力为(1.5～2)×105帕的氨气，在可疑表面处贴上溴酚蓝的试纸或试布，用透明胶纸封住，试纸或试布上有蓝斑点出现，即是漏孔的位置。用这种方法可检漏率为7×10-4～106帕·升/秒的漏孔。

荧光检漏

将被检的零部件浸入荧光粉的有色溶液(二氯乙烯或四氯化碳)中，经一定时间后取出烘干，漏孔处留有荧光粉，在器壁另一面用紫外线照射，发光处即为漏孔位置。

高频火花检漏这种方法仅适用于玻璃真空系统。先将系统抽成真空，高频火花检漏仪的火花端沿着玻璃表面移动，火花集中成束形成亮点处即是漏孔位置。

放电管检漏

将放电管接到系统上，并将系统抽成中真空，在高频电压作用下系统中残存气体(空气)产生紫红色或玫瑰色辉光放电。若在系统可疑表面处涂上丙酮、汽油、酒精或其他易挥发的碳氢化合物，有蓝色放电颜色出现之处便是漏孔位置。

真空计检漏

根据相对真空计(热导真空计和电离真空计等)的读数检漏的方法。真空计的工作压力范围就是检漏适用的压力范围。检漏时在可疑处喷吹示漏气体氢、氧、二氧化碳、乙烷或用棉花涂以乙醚、丙酮、甲醇等。示漏气体进入系统后会引起真空计读数的突然变化。热导真空计可检漏率为10-3帕·升/秒的漏孔;电离真空计可检漏率为10-4～10-5帕·升/秒的漏孔。卤素检漏仪检漏。铂阳极筒和不锈钢阴极筒构成一个间热式二极规管。当加热丝将铂阳极加热到 1027～1223K时，铂发出的正离子在负电场下到达阴极形成电流。在卤素气体的催化作用下，正离子的发射急剧增加。卤素检漏仪就是利用这样的效应制成的。检漏时将规管接到系统中，并将系统抽到9～2帕真空，有喷枪把卤素气体(常用氟利昂R12)喷向被检零部件可疑表面处，引起离子流值急剧增加处即是漏孔位置。或与此相反将高于大气压力的卤素气体压入系统内，探测枪在被检零部件外表移动，卤素气体逸出处引起离子流值急剧增加，此处即为漏孔位置。用这种方法可检最小漏率为10-3～10-4帕·升/秒的漏气。氦质谱检漏最常用的一种检漏法。用氦气作为示漏气体，以磁偏转质谱计作为检漏工具，工作原理与真空质谱计相同，差别仅在于氦质谱检漏仪使用的磁场和加速电压基本上是固定的，因为它只检测氦离子。另外，为了提高离子流的输出，适当牺牲分辨能力以降低对测量放大器的要求，所以这种检漏仪具有结构简单、灵敏度高、性能稳定、操作方便等优点。氦质谱检漏仪的主要技术指标有：①灵敏度，又称最小可检漏率，单位为帕·米3/秒;②反应时间与清除时间，单位为秒;③工作压强与极限压强，单位为帕。

氦质谱检漏方法

根据被检漏的零件的具体情况采用不同的方法。真空容器或器件常用喷吹法、氦室法和累积法。喷吹法是用喷枪对可疑部分喷氦气，找出漏孔的位置，但效率较低;氦室法可对大容器检漏，将可疑部分用氦室罩上充入氦气,可以找到漏孔的大致范围,但漏孔位置不能精确确定。氦室法检漏效率较高。对于微小漏孔，可采用累积法，即先用氦室对可疑部分充入氦气，再将检漏仪节流阀关闭，积累一定时间，打开节流阀，观察离子流的变化。这样，检漏灵敏度可提高1～2个数量级。其他方法还有吸收法、背压法等。对于容积大、放气量大、漏率大的容器可采用反流检漏法，即将被检容器接在真空系统的扩散泵和机械泵之间，利用扩散泵的反流作用，使氦气反流到质谱室而进行检漏。

氦质谱检漏仪是根据质谱学原理，用氦气作探索气体制成的气密性检测仪器.其质谱原理如图所示。

氦质谱检漏仪的质谱学原理

灯丝发射出来的电子在电离室内来回的振荡，与电离室内气体和经被检件漏孔进入电离室的氦气相互碰撞使其电离成正离子，这些离子在加速电场作用下进入磁场，由于洛伦兹力作用产生偏转，形成圆弧形轨道，轨道半径

式中R ——离于偏转轨道半径(cm)

B ——磁场强度(T)

——离子的质(量)/(电)荷比(正整数)

U ——离子加速电压(V)

由上式可知，当R、B为定值时，改变加速电压可使不同质量的离子通过磁场和接收缝到达接收极而被检测。

真空系统要求获得并保持真空状态，如果存在严重的漏气则是系统的重大缺陷，那么就需要进行相关的真空检漏。

透气和漏气的本质不同。透气是气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过和逸出的过程，任何材料都有一定的渗透率。漏气是由于材料本身的缺陷或封口部不良，导致气体分子从高压侧流向低压侧的现象。还有一种情况是常温下不发生漏气，但温度变化时由热膨胀系数的差异也可能导致漏气。图1是影响系统真空度的气体来源示意图。

图1 影响系统真空度的气体来源示意图

严格地讲，任何真空系统都有漏气现象存在，漏气是绝对的。针对不同的真空系统，可以容许有一定的漏率。目前的真空技术，可以确保超高真空系统的容许漏率≤1.33×10 -11 Pa.m3/s。

真空检漏已经成为真空系统制作和使用中不可缺少的环节。真空检漏的方法多种多样，最具代表性的氦质谱检漏和四极质谱仪残留气体分析。

选择检漏方法的原则

(1)主要根据被检漏设备的允许漏率为依据，由于一个设备的允许漏率是很多漏孔漏率的综合，为找到一个单个漏孔，所选择的检漏方法的检漏灵敏度就要高于允许漏率1～2个数量级。如一个设备的允许漏率为10-11W，而必须选用的检漏灵敏度为10-12～10-13W;

(2)根据具体被检对象，所用方法简便易行、经济实用。

真空检漏操作技巧

要想迅速找到漏孔，需要相当丰富的经验和技巧。虽说真空检漏没有一定的操作规程，但还是大体上按下述程序和办法操作比较好。

1)对于正在加工制造过程中的真空容器或装装置来说，最好采用气泡检漏法。

气泡检漏法是在被检件内充入一定压力的示漏气体后放到液体中，气体通过漏孔进入周围的液体形成气泡，气泡形成的地方就是漏孔所在的位置，根据气泡形成速率、气泡的大小，以及所用气体D液体的物理性质，可以大致估算出漏孔漏率。

在用肉眼观察时，一般会出现3种情况：第一种是出现的气泡小，形成速率均匀，气泡持续时间长，其漏率范围大约为10-5～10-2Pa·m3·S-1;第二种情况是现随机的大小气泡混合现象，其漏率范围约为10-2～10-1Pa·m3·S-1;第三种情况是气泡大，形成速率快，持续时间短，漏率范围大约为10-1～1Pa·m3·S-1。

2)对于正在使用过程中的真空容器或装置来说，似乎没有损坏什么，但发现压强急剧上升时，首先用点着的真空规和作为漏液体的酒精或丙酮，检查认为容易损坏的地方。

(3)若尽管做了上述种种努力还是找不到漏孔，则要用罩子(积分法)或压强上升法来判断是否漏气。

所谓罩子法，用乙烯塑料袋(罩子)把整个装置罩起来，再把氦气充人袋中，也就是将整个真空容器浸在氦中进行检漏的方法。

所谓压强上升法，在充分抽气之后，关闭主阀、粗抽阀和漏气阀，用B-A电离真空规测定器内压强上升的变化情况来判断有无漏气的一种方法。这种压强上升的变化通常如图1的实线所示。

它是漏气所产生的压强上升部分和材料放气所产生的压强上升部分之和，最终现为与时间成正比的直线上升。当曲线呈现上述这种状态时，表明装置漏气。

因为，没有漏仅有材料放气，曲线应呈现饱和状态;没有材料放气只有漏气时，一开始就是一条与时间成正比的直线。

一旦操作熟练了，则不仅可以分析残余气体，而且还可大致判断是否有漏(注意02峰和Ar峰，如有02峰，首先可以认为是漏气;即使看不到02峰，只要Ar峰比正常的大讦多，也可认为装置有漏)。用罩子法检查可以节省时间，因此，为了判断是否漏气，最好采用罩子法。

若装置有漏，而漏孔并非装置内压强的限制因素，那么，不探漏，经烘烤后也可以进一步善真空度。

4)检漏。要找到漏气的地方，不外乎对可能漏气的地方逐个地进行检查。其注意事项列举如下：

①用比大气轻的气体氦作示漏气体时，应从装置的上方开始(从下方开始检查时，由于氦气上升从上方漏孔处漏人，会误认为喷吹处有漏)，如果用比较重的气体丁烷、丙烷和酒精(液体)等，则从装置的下方开始。

②如果找到了一个漏孔，就用乙烯塑料带(一种不能透过示漏气体的物质)贴上，暂时将漏孔堵住，以免误认为是下一次检查时的漏孔，然后再继续检查。

③要是全部检查完了，就再一次用罩子法复查一下，看看是不是还有漏孔(因为漏气的地方已用乙烯塑料袋堵住，所以在已经找到的漏孔之外，如果没有再发现漏孔的话，就可以确认为不漏气了)。假如判断为不漏气，就可着手进行修理。