7.1 Allgemeines

7.1.1 Lecks und deren Nachweis

In der zerstörungsfreien Prüfung wird ein Leck definiert als ein Loch, ein poröser Bereich, ein gasdurchlässiger Bereich oder eine andere Struktur in der Wand eines Prüfobjektes, durch welche aufgrund einer Druck- oder Konzentrationsdifferenz Gas von einer Seite der Wand auf die andere gelangen kann [33]. Einfacher ausgedrückt handelt es sich dabei um kleine Löcher, durch die Gase oder Flüssigkeiten von der Seite des höheren Druckes zur Seite des niedrigeren Druckes strömen. Die Geometrie der Löcher ist dabei unbekannt. Der Prüfer weiß also nicht, ob es sich beim Leck um ein kreisrundes Rohr mit glatten Wänden handelt oder ob der Leckkanal z. B. die Form eines Risses oder Spalts aufweist. Nur für ideale Geometrien können Annahmen getroffen und Berechnungen durchgeführt werden. Nachdem die reale Geometrie eines Leckkanals meist unbekannt ist, können hier berechnete Werte nur als Obergrenze für eine Leckrate angenommen werden. HINWEIS: Die bereits zitierte Norm 1330-8 benutzt den Ausdruck „Leckagerate“. Aus Gründen der Lesbarkeit verwenden wir hier weiterhin den gebräuchlichen Ausdruck „Leckrate“.

Bei einem Leck kann es sich um einfache, harmlose Undichtigkeiten wie z. B. einen tropfenden Wasserhahn handeln. Gravierende Konsequenzen können Lecks durch den Austritt aggressiver Medien oder toxischer Substanzen haben. Auch das Unglück der US-Raumfähre Challenger im Jahre 1986 ist auf Versagen eines O-Rings an der Feststoffrakete und Austritt heißen Verbrennungsgases zurückzuführen.

Viele technische Produkte funktionieren nicht oder nicht ausreichend lange, wenn sie Lecks aufweisen.
Als Beispiele seien genannt:



Die Dichtheit von Maschinen und Anlagen im Produktionsprozess ist somit in vielen Fällen eine unverzichtbare Voraussetzung für die Qualität der erzeugten Produkte.

Kommen wir auf die ursprüngliche Definition eines Lecks zurück, so stellen wir fest, dass es unmöglich ist, jeglichen Stofffluss durch eine Wand zu unterbinden. Deshalb richtet sich der Begriff „dicht“ nach den jeweiligen Anforderungen der Maschine, der Anlage oder eines Behälters und muss entsprechend quantifiziert werden.

7.1.2 Leckrate

Betrachten wir einen Fahrradreifen mit einem Volumen von 4 Litern. Er ist auf einen Druck von drei bar (3.000 hPa) aufgepumpt und soll nach der Zeit von 30 Tagen ohne Nachpumpen einen Druckverlust von maximal einem bar (1.000 hPa) haben. Die Leckrate wurde bereits in Kapitel 1.3.3 nach Formel 1-35 definiert.

oder anschaulich: Die Leckrate eines Behälters mit einem Volumen von 1 Kubikmeter beträgt 1 Pa m³ s^-1, wenn der Druck im Inneren innerhalb von 1 Sekunde um 1 Pa ansteigt oder abfällt. Die Umrechnung in andere gebräuchliche Einheiten entnehmen Sie bitte Tabelle 1.8 oder unserer App.

Setzen wir die Werte für unseren Fahrradschlauch ein, so erhalten wir die zulässige Leckrate von

Mit dieser Leckrate ist der Fahrradschlauch also funktionsgerecht dicht. Leckraten in dieser Größenordnung kann man mit der altbekannten Blasentestmethode (Abbildung 7.1) finden.

Betrachten wir nun einen Kühlschrank, der über einen Zeitraum von 10 Jahren 10 g eines Kältemittels verlieren darf. Als Kältemittel setzen wir R134a (1,1,1,2-Tetra- fluorethan) ein mit einer molaren Masse von 102 g mol^-1. Der erlaubte Verlust beträgt also etwa 224 Pa m³. Daraus ergibt sich eine zulässige Leckrate von

Solche Leckraten lassen sich nur mit sehr empfindlichen Messverfahren wie z. B mit der Massenspektrometrie und Prüfgasen, die in der Atmosphäre nicht vorkommen, lokalisieren und messen.

7.1.3 Prüfgase

Bei der Lecksuche verwendete Prüfgase, auch Test- oder Tracergase genannt, sollen folgende Voraussetzungen erfüllen:

Sie sollen



All diese Anforderungen erfüllt das Prüfgas Helium. Es ist als Edelgas nicht chemisch reaktionsfähig. In der atmosphärischen Luft kommt es nur zu 5 ppm vor und ermöglicht deswegen den Nachweis kleinster Leckagen. Es ist leichter als Luft und stellt damit kein gesundheitliches Risiko dar. Der spezifische Nachweis gelingt mittels der Massenspektrometrie, einem höchst empfindlichen und sehr selektiven Analyseverfahren (siehe Kapitel 6.1 und 7.2). Eine Vielzahl kommerziell erhältlicher Prüflecks sind entweder als Diffusionsleck oder als Strömungsleck ausgeführt.

Die oben angeführten Kriterien werden von fast keinem anderen Prüfgas erfüllt, eine Ausnahme ist Formiergas 95/5, eine Mischung aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff. Der brennbare und in einem weiten Mischungsverhältnis mit Luft explosionsfähige Wasserstoff ist hier so stark verdünnt, das die Mischung weder explosionsfähig noch brennbar ist und damit als Testgas sicher. Dieselben massenspektrometrischen Detektoren können ebenfalls für den empfindlichen Nachweis von Wasserstoff eingesetzt werden. Wegen des höheren Untergrundsignals von Wasserstoff in der eingesetzten Analysentechnik wird jedoch nicht dieselbe Nachweisempfindlichkeit wie mit dem Prüfgas Helium erreicht, die Nachweisempfindlichkeit von Druckänderungsverfahren jedoch immer noch deutlich übertroffen.