¿Qué son las fugas y cómo se mide el índice de fuga en sistemas de vacío?
Además de los propios sistemas de vacío y los distintos componentes empleados para diseñarlos (cámaras de vacío, conducciones, válvulas, conexiones [de brida] extraíbles, instrumentos de medición, etc.), hay otros muchos sistemas y productos en el sector industrial y las actividades investigadoras que deben cumplir con disposiciones estrictas en materia de fugas o a la hora de conformar una junta "hermética" o "estanca". Entre estos hay numerosos conjuntos y procesos de los sectores de la automoción y la refrigeración en particular, pero también en otros muchos rubros industriales. En estos casos, la presión de trabajo suele superar la presión ambiental, en los que "herméticamente sellado" se define únicamente como "ausencia (relativa) de fugas". Las generalizaciones que a menudo se hacen (p. ej., "fugas indetectables" o "índice de fuga cero") no son representación adecuada para las pruebas de admisibilidad. Todo ingeniero experimentado ya sabe que las especificaciones de admisibilidad correctamente dispuestas indican un determinado índice de fuga (véase a continuación) en ciertas condiciones. Si este índice de fuga es admisible viene asimismo determinado por la propia aplicación correspondiente.
Tipos de fugas
Se distingue entre las fugas que se indican a continuación, según las características del material o la avería en el punto de unión:
- Fugas en uniones desmontables: bridas, superficies de contacto con el suelo, cubiertas
- Fugas en uniones permanentes: cordones de soldadura, juntas encoladas
- Fugas debidas a porosidad: en particular posteriores a una deformación mecánica (dobladura) o a un procesamiento térmico de sustancias policristalinas y componentes colados
- Fugas térmicas (reversibles): apertura a temperaturas extremas (calor/frío), sobre todo en las juntas soldadas
- Fugas aparentes (virtuales): cantidades de gas liberadas de huecos y cavidades internos de piezas coladas, orificios y uniones ciegos (también como consecuencia de la evaporación de líquidos)
- Fugas indirectas: fugas en las líneas de suministro de los sistemas de vacío u hornos (agua, aire comprimido, salmuera)
- "Fugas en serie": son las fugas que se producen al final de varios "espacios conectados en serie", p. ej., las fugas en la sección llena de aceite del cárter de aceite de una bomba de paletas rotativas.
- "Fugas unidireccionales": permiten que el gas circule en un sentido, pero no en el otro (muy raramente). Una zona no estanca a los gases, pero también "libre de fugas" en el sentido en el que hay un defecto es aquella en la que se produce
- permeación (permeabilidad natural) de los gases por materiales como mangueras de goma, juntas de elastómero, etc. (salvo si estos componentes se han vuelto frágiles y, como tal, propensas a fugas).
Cálculo de la tasa de fuga, el tamaño de la fuga y el flujo de masa
No hay ningún dispositivo ni sistema de vacío capaz de ser totalmente estanco para el vacío ni tampoco es necesario que lo sea. El requisito más sencillo es que el índice de fuga sea lo suficientemente bajo como para que la presión de funcionamiento necesaria, el equilibrio de gases y la presión final del recipiente de vacío no se vean influenciados. Los requisitos en materia de estanquidad de gases del aparato son más estrictos cuanto menor es el valor de presión necesario. Para poder registrar fugas de forma cuantitativa, se introdujo el concepto de "índice de fuga" con el símbolo QL, cuya unidad de medida es el mbar · l/s o el cm3/s (STP). Un índice de fuga de QL = 1 mbar · l/s es el que se produce en un depósito cerrado y evacuado de 1 l de volumen si la presión incrementa 1 mbar por segundo o, si la presión del recipiente es positiva, si se produce una caída de presión de 1 mbar. El índice de fuga QL se define como una medida de la posibilidad de que se produzcan fugas suele indicarse con la unidad de mbar · l/s. Valiéndose de la Ecuación de estado (1.7), es posible calcular el valor de QL si se indican la temperatura T y el tipo de gas M, mediante registro cuantitativo de un caudal másico (p. ej., en g/s como unidad de medida). La relación pertinente es, por consiguiente, la siguiente:
(1.7)
(5.1)
donde R = 83,14 mbar · l/mol · K, T = temperatura en grados K; M = masa molar en g/mol; Δm de la masa en g; Δt es el periodo temporal en segundos. Seguidamente, se usa la Ecuación 5.1 con los siguientes fines:
a) calcular el flujo de masa Δm / Δt a un caudal de gas conocido pV de Δp · V/Δt (en este contexto, véase la página sobre la prueba de aumento de presión); o
b) calcular el caudal de gas de fuga pV de flujo de masa conocido (véase el siguiente ejemplo).
Ejemplo del caso b) anterior:
Un sistema de refrigeración que usa freón (R 12) presenta pérdidas de 1 g de freón anual (a 25 °C o 77 °F). ¿Cuál es el caudal del gas de fuga QL? Según la Ecuación 5.1 para una M (R12) = 121 g/mol:
De este modo, la pérdida de freón alcanza un QL = 6,5 · 10–6 mbar · l/s. Conforme a la "regla de oro" para sistemas de alto vacío indicada a continuación, se considera que el sistema de refrigeración de este ejemplo tiene una estanquidad muy alta. En las Tablas VIIa y VIIb del Capítulo 9 figuran conversiones adicionales de QL.
Tabla VIIa: Conversión de unidades de caudal (Qpv); unidades (índice de fugas)
Tabla VIIb: Conversión de unidades de caudal (QpV); unidades (índice de fugas)
Índice de fuga total <10-6 mbar · l/s: el equipo es muy estanco
Índice de fuga total de 10-5 mbar · l/s: el equipo es lo suficientemente estanco
Índice de fuga total > 10-4 mbar · l/s: el equipo tiene fugas
De hecho, es posible "superar la capacidad" de una fuga con una bomba de capacidad suficiente, ya que se cumple lo siguiente (por ejemplo, a una presión final ptérmino e ignorando el gas liberado de las superficies interiores):
(5.2)
(QL: el índice de fuga; Sef: la velocidad de bombeo efectiva en el depósito de presión)
Si Sef no es lo suficientemente elevada, es posible, con independencia del valor de índice de fuga (QL), conseguir siempre un valor de presión final predeterminada de ptérmino. No obstante, en la práctica, un incremento infinito de Sef contraviene las limitaciones económicas y de diseño (por ejemplo, el espacio que necesita el sistema).
Si no fuera posible alcanzar la presión final deseada en un dispositivo, a menudo cabe citar dos causas: la presencia de fugas o el escape de gas de las paredes del recipiente y los selladores.
Para diferenciar estas dos causas, podemos valernos de un análisis de presiones parciales mediante un espectrómetro de masas o el método de aumento de presión. Dado que el método de aumento de presión solo demuestra la presencia de fugas sin indicar su ubicación en el dispositivo, se recomienda usar un detector de fugas de helio, que suele permitir detectar fugas en mucho menos tiempo.
Para determinar de forma la correlación entre el tamaño geométrico del orificio y el índice de fuga correspondiente, es posible partir de la siguiente base aproximada: un orificio redondo de 1 cm de diámetro presente en la pared de un depósito se cierra mediante una válvula de compuerta. La presión exterior es la atmosférica; dentro, hay vacío. Si la válvula se abre de repente, todas las moléculas de aire presentes en una "bombona" de 1 cm (0,39 pulgadas) de diámetro y 330 m (1082 pies) de altura "caería" en el orificio en un lapso de 1 segundo a la velocidad del sonido (330 m/s). La cantidad por segundo que entra en el depósito será de 1013 mbar multiplicados por el volumen de la "bombona" (véase la Fig. 5.1). De este modo, para un orificio de 1 cm de diámetro, el QL (del aire) es de 2,6 · 104 mbar · l/s. De la misma forma, si todas las demás condiciones se mantienen sin cambios y se hace pasar helio por el orificio a su velocidad del sonido de 970 m/s, el QL (del helio) será de 7,7 · 10+4 mbar · l/s, o un valor de corriente de gas de fuga pV que supera este valor en un factor de 970 / 330 = 2,94. Esta mayor "sensibilidad" al helio se aprovecha en las actividades prácticas de la detección de fugas y ha dado pie al desarrollo y la producción en masa de detectores de fugas de helio altamente sensibles (véase la página sobre detectores de fugas con espectrómetros de masas).
Fig. 5.1: La correlación entre el índice de fuga y el tamaño del orificio
En la Figura 5.1 se indica la correlación entre el índice de fuga y el tamaño del orificio para el aire, con un valor aproximado de QL (del aire) de 10+4 mbar · l/s para el "orificio de 1 cm". En la tabla se observa que si el diámetro del orificio se reduce a 1 μm (0,001 mm), el índice de fuga pasa a ser de 10-4 mbar · l/s, un valor que en el ámbito de la tecnología de vacío ya supone una fuga considerable (véase la "regla de oro" que se ha indicado anteriormente). Un índice de fuga de 10-12 mbar · l/s corresponde a un diámetro de orificio de 1 Å, esto es, el límite de detección inferior de los actuales detectores de fugas de helio. Puesto que las constantes de rejilla de muchos sólidos son del orden de varios Å y el diámetro de las moléculas y átomos de menor tamaño (el H2, el He) es de aproximadamente 1 Å, es posible registrar metodológicamente la permeación inherente de sólidos mediante detectores de fugas de helio. Este hecho ha permitido desarrollar fugas de referencia calibradas con índices de fuga muy bajos (véase la página sobre la calibración de detectores de fugas). Se trata de una "falta de estanquidad" mensurable, pero no de una "fuga" en el sentido de un defecto del material o la unión. Los cálculos estimados de mediciones de los tamaños de átomos, moléculas, virus, bacterias, etc., han dado pie a la aparición de términos de uso habitual como "hermético", "estanco" y "hermético a las bacterias"; véase la Tabla 5.1.
En la Figura 5.2 se recopilan las características y los límites de detección de algunos métodos de detección de fugas empleados habitualmente.
Tabla 5.1: Cálculo estimado de los índices de fuga límite. A diferencia del vapor, es necesario diferenciar entre sólidos hidrófilos e hidrófobos. También debe hacerse para bacterias y virus, ya que su método de transporte más habitual son las soluciones.
Fig. 5.2: Rangos de índices de fuga de diversos procesos y dispositivos de detección de fugas
El índice de fuga normal del helio
Para definir de forma inequívoca una fuga se dispone, en primer lugar, de especificaciones relativas a la presión existente en cualquier lado de la división y, en segundo, de las características de la sustancia que atraviesa dicha separación (la viscosidad) o de su masa molar. Se ha adquirido la costumbre de usar la designación "índice de fuga normal del helio" (He Std) para designar una situación que suele encontrarse en la práctica, en la que las comprobaciones se llevan a cabo con helio a una diferencia de presión de 1 bar entre la presión atmosférica (externa) y el vacío situado dentro de un sistema (interno, p < 1 mbar). Para indicar la tasa de rechazo de una prueba con helio en condiciones normales de helio, antes es necesario convertir las condiciones reales de uso en las condiciones normales del helio (véase el apartado sobre ecuaciones de conversión que aparece más adelante). En la Figura 5.3 se muestran algunos ejemplos de estas conversiones.
Fig. 5.3: Ejemplos de conversión a índices de fuga normales de helio
Ecuaciones de conversión
Al calcular las relaciones de presión y los tipos de gas (viscosidad), es necesario tener en cuenta que se deben usar distintas ecuaciones para la circulación laminar y la molecular; resulta muy complicado determinar la separación de estas zonas. A modo de directriz, puede presuponerse que se trata de circulación laminar a índices de fuga QL > 10-5 mbar · l/s y de circulación molecular a índices de fuga de QL < 10-7 mbar · l/s. En el rango intermedio, el fabricante (que es responsable conforme a las disposiciones de la garantía) debe presuponer valores con prudencia. Las ecuaciones se indican en la Tabla 5.2.
Los índices I y II hacen referencia a una relación de presiones o a la otra, y los índices 1 y 2, al interior y el exterior del punto de fuga, respectivamente.
Tabla 5.2: Formulas de conversión para cambios de presión y tipo de gas
Términos y definiciones
A la hora de detectar fugas, suele ser necesario distinguir entre dos tareas:
- detección de fugas, y
- medición del índice de fuga.
Además, en función del sentido de circulación del fluido se distingue entre los siguientes métodos:
a. el método de vacío ("fuga de fuera adentro") cuyo sentido de circulación se dirige a la muestra de prueba (la presión dentro de la muestra es inferior a la ambiente);
b. el método de presión positiva ("fuga de dentro afuera"), en el que el fluido sale afuera desde el interior de la muestra de prueba (la presión interna de la muestra es superior a la ambiente).
Siempre que sea posible, debe aplicarse el método que corresponda a la última aplicación de las muestras para llevar a cabo el análisis pertinente (esto es, el método de vacío para componentes de aplicaciones de vacío y el de presión positiva para aquellos componentes que queden presurizados de forma interna). A la hora de medir los índices de fuga, distinguimos entre los siguientes tipos de registro:
a. el de las fugas localizadas (medición local): diagramas b y d de la Figura 5.4;
b. el total de todas las fugas de la muestra de prueba (medición integral): diagramas a y c de la Figura 5.4.
Fig. 5.4: Técnicas y terminología de las pruebas de fugas.
a: detección integral de fugas; vacío dentro de la muestra
b: detección local de fugas; vacío dentro de la muestra
c: detección integral de fugas (enriquecimiento de gases de prueba dentro del alojamiento); gas de prueba presurizado dentro de la muestra
d: detección local de fugas; gas de prueba presurizado dentro de la muestra
El índice de fugas que deja de ser admisible de conformidad con las especificaciones de admisibilidad se denomina "tasa de rechazo". Se calcula conforme a la condición de que la muestra del ensayo no pueda fallar durante su periodo de aprovechamiento previsto como consecuencia de averías derivadas de fugas, con un determinado grado de certeza. A menudo lo que se calcula no es el índice de fugas, sino el índice de caudal de un gas de prueba (principalmente helio) en condiciones de prueba. Los valores así obtenidos deben convertirse a la situación de aplicación real en lo que respecta a las presiones interior y exterior a la muestra de prueba y al tipo de gas (o líquido) empleado.
Si hay vacío dentro de la muestra de prueba (p < 1 mbar), presión atmosférica en el exterior y se usa helio a modo de gas de prueba, se habla de condiciones normales de helio. Siempre se producen condiciones normales de helio durante la detección de fugas de helio en sistemas de alto vacío que estén conectados a un detector de fugas y pulverizados con helio (técnica de pulverización). Si la muestra se evacúa únicamente mediante el detector de fugas, se diría que el detector de fugas funciona en modo de flujo directo. Si la propia muestra es un sistema de vacío completo con su propia bomba de vacío y si el detector de fugas se utiliza en paralelo con las bombas del sistema, se habla de modo de flujo parcial. Se habla también de modo de circulación parcial si se hace uso de una bomba auxiliar independiente en paralelo al detector de fugas.
Si se utiliza el método de presión positiva, a veces resulta poco práctico o directamente imposible medir el índice de fuga directamente; no obstante, sí que es posible hacerlo en una envoltura que recubre la muestra de prueba. Esta medición puede llevarse a cabo conectando dicha envoltura al detector de fugas, o bien mediante acumulación (por incremento de la concentración) del gas de prueba dentro de la envoltura. La "prueba de bombeo" es una versión especial de la de acumulación (véase la página sobre pruebas integrales e industriales). En la denominada "técnica de 'sniffer'" (otra variante de la técnica de presión positiva), el gas (de prueba) que sale por las fugas se acumula (esto es, se extrae) por medio de un dispositivo especial y se introduce en el detector de fugas. Este procedimiento puede llevarse a cabo tanto con helio como con refrigerantes o SF6 a modo de gas de prueba.
Fundamentos de la tecnología de vacío
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
