진공 감쇠 방법

특히 진공 용광로와 관련하여 진공 및 압력 감쇠 방법을 사용한 누출 테스트의 가능성과 한계에 대해 자세히 알아보십시오. 여기에서는 이러한 분석법이 어떻게 작동하는지, 어떤 파라미터가 역할을 하는지, 결과를 어떻게 해석할 수 있는지 설명합니다. 또한 진공 용광로에서 특히 발생할 수 있는 일반적인 문제에 대해 논의하고 테스트 수행 방법에 대한 실용적인 팁을 제공합니다. 진공 용광로의 기밀성을 정밀하고 효율적으로 점검하는 방법을 알아보십시오.

압력 변화 방법을 사용하여 용기에 관련 누출이 있는지 판단할 수 있습니다. 이를 위해 용기에 테스트 압력을 가하고, 새지 않도록 닫고 일정 기간이 지난 후 차압을 평가하십시오. 테스트 압력은 대기압(약 1.013 mbar)보다 낮을 수 있습니다. 즉, 용기가 배기되고 압력 증가가 관찰됩니다. 또는 용기가 과압 상태가 되고, 압력이 감소한 것으로 평가됩니다.

기술적으로 절대적인 기밀 상태는 존재하지 않으므로, 압력 상승 또는 압력 강하의 허용 누설률을 기밀성 평가 기준으로 적용합니다. 테스트 방향(진공 상태 또는 압력 상태)은 실제 적용 조건에 부합하도록 선택해야 합니다.

1. 기본 절차

다음 매개변수는 압력 상승 및 압력 감소 테스트 방법(또는 압력 감소 방법)에 적용됩니다. 이들은 주로 다음과 같습니다:

· 한계 누설율 QL [mbar · l/s]
· 용적 V [l 또는 dm³]
· 테스트 시간 Δt [s]
· 압력 차이 Δp [mbar] 또는 [hPa]

이들의 관계는 다음과 같습니다:
QL = (Δp · V) / Δt
Δp = (Δt · Q) / V

예: 진공 용광로와 관련하여 다음과 같이 보일 수 있습니다: V = 1,000 l의

용기가 하룻밤 동안 남아 있습니다. Δt = 10 h = 10 h · 60 min/h · 60 s/1 min = 36,000 s.
다음날 아침, Δp = 0.5 mbar의 압력 변화가 관찰되었습니다.
계산식: L = (Δp · V) / Δt = (0.5 mbar · 1,000 l) / 36,000 s = 0.139 mbar·l/s 현재 누설률을 계산하는 데 사용됩니다.

반대로, 최대 허용 누설률이 알려진 경우 허용 가능한 압력 상승 값 Δp 도 계산할 수 있습니다. Q_L 이 3 · 10 ^-5 mbar · l/s라고 가정합니다. 그런 다음 V = 1,000 l 및 10시간의 측정 시간으로 당사 용기의 최대 허용 압력 상승:

Δp = (Δt · Q) / V = (36,000 s · 3 · 10^-5 mbar·l − 5 mbar·l) / (1,000 l·s) = 0.00324 mbar = 3.24 · 10^-3 mbar

어떤 경로를 선택하든 결과는 허용된 값과 비교되어 예시 용기가 충분히 조여져 있는지 여부에 대한 정보를 제공합니다. 하지만 환경 조건이 올바를 경우에만 작동한다는 점을 염두에 두십시오.

2. 고려해야 할 요소

진공 게이지의 한계 해상도
진공 게이지는 예상되는 압력 변화를 표시할 수 있어야 합니다.

예: 공기를 테스트 매체로 사용한 압력 감소 테스트의 경우 2 bar에서 5 bar 사이의 절대 압력이 일반적입니다. V = 5 l, 테스트 시간 1 h = 3,600 s 및 10 ^-6 mbar · l/s 범위의 누설률을 가진 용기의 경우 계산된 압력 강하는

Δp = (Δt · Q) / V = (3,600 s · 10^-6 mbar·l) / (5 l·s) = 7.2 · 10^-4 mbar입니다.

7.2 · 10 ^-4 mbar의 압력 변화는 그러한 높은 분해능을 가진 측정 장치를 사용할 수 없기 때문에 5 bar의 눈금에서 볼 수 없습니다.

또한 측정 방법은 존재하는 가스 또는 가스 혼합에 적합하다는 점을 기억해야 합니다. 예를 들어 열 전도성 측정 원리(피라니 게이지)는 가스 유형에 따라 달라지며, 이로 인해 값이 잘못 표시될 수도 있습니다.

솔루션: 사전에 무엇을 원하는지, 무엇을 측정할 수 있는지, 그리고 이를 위해 무엇이 필요한지 생각해 보십시오.

압력에 대한 부피의 영향
누출의 크기는 용기의 부피에 따라 달라지지 않습니다. 이는 예를 들어, 누출이 용량이 5리터인지 1,000리터인지에 상관없이 1 · 10 ^-6 mbar · l/s의 누출율이 항상 동일하게 유지된다는 것을 의미합니다.

그러나 누설률이 일정하더라도 용기 부피에 따라 압력 강하 거동은 달라집니다. 용기 부피가 클수록 누설부를 통한 체적 유량이 작은 용기에서와 동일한 압력 강하를 유발하기까지 더 많은 시간이 필요합니다.

Δp: 그 이유는 Δp = (Δt · Q) / V 용기 부피가 증가함에 따라 압력 차이가 작아지기 때문입니다. 반대로 용기가 작을수록 압력 차이가 커집니다.

예: 한 시간
(Δt = 60분 = 3,600s)을 기다린 후 두 용기의 부피만 다른 압력 차이와 Q = 3 · 10 ^-5 mbar · l/s의 알려진 누출 유량을 측정합니다.

Δp 1,000 = (Δt · Q) / V = (3,600s · 3 · 10^-5 mbar·l) / (1,000 l·s) = 1.08 · 10^-4 mbar
Δp5 = (Δt · Q) / V = (3,600초 · 3 · 10^-5 mbar·l) / (5 l·s) = 2,160 · 10^-4 mbar

용량이 1,000리터인 용기에서 누출 유량으로 인해 Δp1,000 = 1.08 · 10 ^-4 mbar의 압력 변화가 1시간 이내에 발생합니다. 이와 비교해 볼륨이 5리터에 불과한 용기의 압력 변화는 Δp5 = 2,160 · 10 ^-4 mbar이며 이는 계수 2,000에 해당합니다.

그 결과: 용기가 클수록 압력 변화 테스트가 성공할 수 있도록 테스트 시간 Δt를 더 길게 선택해야 합니다.

치수 안정성(또는 테스트 물체의 탄성)이 미치는 영향
탄성이 있는 용기(강철로 제작된 용기를 포함)의 테스트는 압력 변화에 따른 변형으로 용기 부피가 변하면서 압력 손실이 상쇄될 수 있으므로 문제가 될 수 있습니다. 이에 대한 일반적인 예는 구멍이 있는 풍선의 부피 변화입니다. 이는 유의미한 테스트를 불가능하게 만들 수 있습니다.

사이클 시간의 영향
압력 강하 테스트도 시리즈 생산에서 수행됩니다. 그러나 이 방법을 고려할 때는 테스트 물체의 크기가 증가할수록 주기 시간이 길어진다는 점을 유념해야 합니다. 주기 시간이 지나치게 길어져 생산 속도가 느려질 경우, 이 방법은 시리즈 생산에서 더 이상 경제적으로 사용할 수 없게 될 수 있습니다.

온도의 영향
이상적인 가스 방정식 P · V = (m / M) · R · T 압력 p [Pa], 용량 V [m³], 질량 m [kg], 몰 질량 M [kg ·kmol ^-1], 일반 기체 상수 R [J · kmol ^-1 · K ^-1] 및 절대 온도 T [K]를 사용하여 압력, 부피 및 온도 간의 관계를 간소화된 방식으로 나타낼 수 있습니다.

밀폐 용기: 용기 내부에 밀폐된 기체의 부피가 일정하게 유지되는 상태를 등적 상태라고 합니다. 밀폐된 시스템에서 밀폐된 가스의 질량과 유형은 변하지 않습니다(따라서 질량과 몰 질량은 동일하게 유지됩니다).

온도가 압력에 어떤 영향을 미치는지 알아보려면 공식을 재배열하고 모든 일정한 영향 요인(m, R 및 M)을 분리합니다.
p = (m · R · T) / (M · V) = (T / V) · (m · R / M) 여기서 m · R · 1/M = C 상수

남은 값: p = (T / V) · C

계산식에 따르면 압력 p(왼쪽)는 온도와 부피(오른쪽)에 따라 달라집니다.


참고: 온도 변동의 경우 압력에 영향을 미칩니다. 따라서 온도 차이로 인한 오류를 고려하지 않고 온도 A 에서의 시작 압력 p1을 온도 B에서의 최종 압력 p2와 비교할 수 없습니다.

그러나 압력에 대한 온도의 영향도 활용할 수 있습니다. 가열 가능한 시스템을 베이크아웃하고 최종 압력까지 온도에서 배기한 다음 냉각시키면 일정한 냉각 용량에서 최종 압력이 낮아집니다.

3. 측정된 시간-압력 곡선의 해석

테스트 시간 후 확인한 값, 즉 압력 차이 또는 누설률의 순수한 해석 외에도 값에서 다른 결과를 해석할 수 있습니다. 내장된 센서 시스템을 통해 종종 다양한 매개변수를 기록할 수 있으며, 여기에는 일반적으로 시간 경과에 따른 압력이 포함됩니다. 약간의 연습을 통해 다음에 수행해야 할 조치를 결정할 수 있습니다(개략도는 테스트 중 펌프가 물리적으로 분리되거나 꺼져 있고 온도가 일정하다고 가정합니다).

압력 변화 없음 - 누출 없음 - 조치 필요 없음.

거의 선형 곡선 - 비교적 일정한 누출 흐름을 나타냅니다. 즉, 누출을 찾고 수정하는 조치가 필요합니다.

곡선 압력 곡선 - 일정하지 않은 누출 흐름을 나타냅니다. 조치가 필요합니다. 이러한 압력 곡선은 종종 가상 누출이라고 합니다.

c)의 경우, 초기에 시간당 압력에 큰 변화가 있으며, 이는 테스트 과정에 따라 감소합니다. 이는 용기 내부에서 무언가가 일어나고 있음을 나타냅니다(예: 무언가가 탈기되고 있음). 이것을 가상 누출이라고 합니다. 이 주제는 다른 기사에서 더 자세히 논의할 것입니다. 하지만 주의하십시오. 실제 누출을 확인하기 위해 탈기해야 할 수도 있습니다. 따라서 처음부터 가능한 가상 누출을 배제하려고 노력해야 합니다. 예를 들어, 테스트 챔버에는 시험편 등 테스트 대상 이외의 다른 제품을 넣지 않아야 합니다. 또는 실제 테스트에 앞서 가능한 한 충분한 시간 동안 배기를 수행하면, 시스템 내 수분 등에 의해 발생하는 '유한 가상 누출'을 크게 감소시킬 수 있습니다.

참고: 시간-압력 곡선의 형태에 따라 충분한 기밀성을 확보하는 데 필요한 조치를 도출할 수 있습니다. 또한 시간-압력 곡선의 해석 경험이 쌓일수록 문제 해결에 필요한 시간을 점점 더 줄일 수 있습니다.

3.1. 진공 용광로 - 여기서 특별한 점은 무엇입니까?

진공 용광로와 같이 구조가 복잡한 진공 시스템에서는 다양한 현상이 서로 중첩되거나 상쇄되거나 더해질 수 있으므로 해석이 더욱 복잡해집니다. 여기에는 시스템 내 다양한 위치의 온도 및 압력 조건, 각 대기 및 재료 관련 특성이 포함됩니다. 다행히도, 누출 상승 테스트를 수행하기 전에 시스템을 가열하고 가능한 한 오랜 시간(예: 하룻밤 또는 주말 내내) 배기하면 원하지 않는 간섭 요인을 최소화하여 더욱 정확한 테스트 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 절차를 적용하면 많은 경우 헬륨 리크 감지 테스트를 수행하지 않아도 됩니다.

3.2. 가변적인 공기 습도 장애

베이크아웃 시스템을 열어 두면 공기 중의 수분이 시스템으로 흡입됩니다. 이러한 현상은 용기 내부의 재료가 흡습성을 가져 수분을 쉽게 흡착하는 경우에 특히 두드러집니다. 또한 물이 부착될 수 있는 표면적이 클수록 흡착 효과도 더욱 커집니다. 예를 들어, 시스템이 흑연 펠트로 단열되어 있는 경우에는 두 가지 조건이 모두 해당됩니다. 즉, 재료 자체가 흡습성을 가지며, 동시에 구조적인 특성으로 인해 매우 큰 표면적을 갖습니다(여기서 중요한 것은 단순히 판재의 크기가 아니라, 각각의 펠트 섬유 표면적이 모두 합산되어 매우 큰 총 표면적을 형성한다는 점입니다). 시스템의 크기에 따라 다르지만, 이러한 영향으로 인해 단 30분 만에도 측정 결과에 영향을 줄 정도의 상당한 양의 수분이 축적될 수 있습니다. 펌프는 수분을 증발시키고 용기 밖으로 운반하는 데 상응하는 시간이 필요합니다. 응축이 발생하면 공기 중의 수분이 냉각된 시스템 부품에 축적됩니다. 이는 용광로를 최대한 닫아 두 가지 효과에 대응하는 데 도움이 됩니다.

3.3. 간섭 요인: 가스 방출

수분뿐만 아니라 용기 내부에 존재하는 다른 물질도 측정 결과를 왜곡할 수 있습니다. 예를 들어, 시스템이 흑연 저항 히터로 가열되는 경우에는 흑연에서 가스 방출이 발생할 수 있습니다. 이러한 가스 방출은 진공 성능에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 보기 좋지 않은 침착물이나 변색을 유발할 수도 있습니다. 이와 마찬가지로, 시스템 내부에 존재하는 오일이나 그리스도 특히 초고진공 시스템에서는 문제가 됩니다. 초고진공 시스템은 일반적으로 10 ^-8 mbar 의 압력까지 배기되므로, 지문에 남아 있는 미량의 오염물조차도 오랫동안 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 진공 기술을 처음 접하는 작업자의 경우, 밀봉 성능을 높이기 위해 밀봉에 그리스나 오일을 도포하는 경우가 종종 있습니다. 그러나 이러한 작업은 결국 대대적인 세척 작업을 초래할 수 있습니다. 따라서 허용되는 작업과 허용되지 않는 작업이 명확하지 않은 경우에는 반드시 사전에 확인하는 것이 좋습니다.

3.4. 오류의 가능한 원인으로서의 세척 공정

그러나 가스 방출의 원인이 되는 것은 진공 용광로만이 아닙니다. 강철 부품에는 제조 공정 중 부식을 방지하기 위해 오일을 도포하는 경우가 많습니다. 이러한 오일은 열처리 공정에 바람직하지 않은 영향을 미치지 않도록 일반적으로 열처리 전에 세척하여 제거합니다. 오일이 제거되지 않은 경우에는 진공 공정 중 가스가 방출되어 변색을 초래할 수 있습니다. 반대로 오일을 제거했더라도 부품이 충분히 건조되지 않은 경우에는 잔류 수분이 진공 공정에서 증발하면서 가스 방출과 변색을 유발할 수 있습니다. 또한 비누나 알칼리성 세정제와 같은 세척제 잔류물도 문제를 일으킬 수 있습니다. 치구와 부품의 설계 방식 및 적재 상태에 따라서는 이러한 오염물이 상당히 많이 테스트 챔버 내부까지 유입될 수도 있습니다.

3.5. 공기 누출 또는 물 누출?

기존의 공기 누출 외에도 가열된 시스템에서 예를 들어 열교환기 또는 재킷에서의 누출을 통해 시스템에 냉각수가 유입될 수도 있습니다. 이는 더 큰 누설률과 더 높은 온도(키워드: 물이 증발할 때 가스 용량의 갑작스러운 증가로 인해 발생하는 압력)에서 심각한 안전 위험을 발생시킬 수 있습니다. 하지만 실온에서 매우 낮은 누출이 발생하는 경우에도 냉각수 누출을 가볍게 여기지 않는 것이 좋습니다. 공기 누출과 어떻게 구별할 수 있습니까? 압력 상승 시험에서는 시간-압력 곡선과 물의 포화 증기 압력을 분석하여 이러한 현상을 판별할 수 있는 경우가 많습니다.

실온에서 용기 내부의 압력이 물의 포화 증기 압력(약 20 mbar를 약간 상회하는 수준)까지 상승한 후 더 이상 증가하지 않는다면, 일반적으로 냉각수 누출을 의미합니다. 포화 증기 압력이란 기체 상태의 물질과 액체 또는 고체 상태의 물질이 평형 상태를 이루는 압력을 말합니다. 즉, 용기 내부에서는 계속해서 수증기가 배출되지만, 냉각수 누출을 통해 새로운 물이 지속적으로 유입됩니다. 유입된 물의 일부는 다시 증발하며, 이러한 과정이 반복되어 결국 평형 상태, 즉 포화 증기 압력에 도달하게 됩니다.

4. 누출 테스트의 한계

이상적인 방법은 진공 용광로를 충분한 시간 동안 배기하고 베이킹한 후, 펌프를 시스템에서 물리적으로 분리하여 정지시키는 것입니다. 이렇게 하면 테스트 중에는 더 이상 배기가 이루어지지 않습니다. 그 후, 용기와 동일한 압력 공간에 위치한 연결부를 포함하여 누출 테스트를 수행합니다. 예를 들어, 닫힌 게이트 밸브나 직각 밸브 뒤쪽에 위치한 부분은 테스트 대상에 포함되지 않습니다. 따라서 주 챔버가 기밀하더라도 차단 밸브 뒤쪽의 배관이나 밸브에는 여전히 누출이 있을 수 있습니다.

참조: 진공 감쇠 테스트는 유지보수나 수리 후는 물론, 일정 기간 운전한 후 안전 점검을 위해서도 진공 용광로의 기밀성을 확인하는 매우 효과적인 방법입니다. 이 방법을 적절한 절차에 따라 수행하면 테스트 결과의 신뢰성이 매우 높으며, 헬륨 누출 테스트보다 더 짧은 시간에 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 적분 테스트인 누출 테스트는 또한 누출량에 대한 정량적 평기도 제공할 수 있습니다. 헬륨 스프레이를 사용하여 누출을 찾는 경우 상황은 반대입니다. 이 방법은 누출을 찾는 데 적합한 (정성적) 방법이지만, 발견된 누출의 정확한 크기 또는 누설률에 대한 신뢰할 수 있는 진술을 제공하지 않습니다.