什么是泄漏以及真空系統漏率的測量

除了真空系統本身及其結構中使用的各個部件（真空室、管路、閥，可拆卸[法蘭]連接、測量儀表等）之外，工業和研究領域還有大量的其他系統和產品也必須滿足相關氣密性的嚴格要求，或者需要形成所謂的“氣密”密封。

除了汽車和制冷行業的許多裝配工藝和工藝外，這還包括其他眾多工業分支領域。在此類情況下，工作壓力通常會高于環境壓力。此處的“氣密”僅定義為相對的“不漏”。通常所作的一般性說明，比如“沒有可檢出的漏氣”或“零漏氣率”并不能為驗收測試提供充分的依據。每位經驗豐富的工程師都知道，制定合理的驗收規范需要指明在規定條件下的特定漏氣率（見下文）?？梢越邮艿穆饴室矐鶕唧w的應用情況決定。

 泄漏類型 

根據材料或連接失效的性質，泄漏可分為以下幾種：

● 可拆卸接頭泄漏：法蘭、磨削配合面、蓋

● 永久連接泄漏：釬焊接頭和焊接縫、粘合接頭

● 孔隙導致的泄漏：特別是在發生機械變形（彎曲！）或多晶材料和鑄造部件的熱處理后

● 高溫泄漏（可逆）：在極端溫度荷載（熱/冷）下形成的開縫，主要是釬焊接頭處

● 虛漏：鑄造零件、盲孔和接頭內的中空腔中釋放出的氣體量（還可能源于液體蒸發）

● 間接泄漏：真空系統或熔爐的供應管路泄漏（水、壓縮空氣、鹽水）

●“串聯漏氣”：指幾個“串聯空間”的末端發生漏氣，例如旋片泵油箱漏氣

●“單向漏氣”：指氣體可沿一個方向通過，但在另一個方向上被封閉（漏氣量很小） 

● 某個區域不具氣密性，但并不是因為有缺陷而導致的漏氣稱為滲透，也就是氣體通過橡膠軟管、彈性密封件等材料滲透（自然滲透性）泄漏（但此類部件變脆并發生“泄漏”時除外）。

 計算漏率、漏點大小和質量流量 

任何真空設備或系統都可能具有絕對的氣密性，而且實際上這也沒有必要。只要漏率足夠低，不會影響到所需的工作壓力、氣體平衡以及真空容器中的極限壓力就足夠了。對于裝置的氣密性要求越嚴格，所需的壓力水平就越低。為了能夠定量地記錄漏氣，引入了“漏率”的概念；漏氣率用符號 Q_L 表示，以 mbar·l/s 或 cm³/s（STP）作為測量單位。在容量為 1l 并已抽真空的密閉容器中，若壓力每秒升高 1 mbar，則漏氣率為 Q_L = 1 mbar·l/s；或者如果容器中有正壓，若壓力每秒降低 1 mbar，漏氣率也是上述值。漏氣率 Q_L 定義為一種漏氣指標，通常以 mbar·l/s 作為測量單位。借助狀態方程（1），如果給出了溫度 T 和氣體類型 M，就能計算出 Q_L，并將其定量地記錄為質量流量，例如以 g/s 作為測量單位。那么，相應的關系為：

（1）

 （2）

式中 R = 83.14 mbar·l/mol·K，T = 溫度，單位為 K；M = 摩爾質量，單位為 g/mol；Δm 為質量，單位為 g；Δt 為時間周期，單位為 s。然后，使用式（2）

a）在已知 pV 和氣體流量 Δp·V/Δt 時，確定質量流量 Δm / Δt（見有關壓升測試的頁面上的示例）或者

b）在已知質量流量時，確定 pV 漏氣流量（見下例）。

以上面的情形 b）為例：

使用氟里昂（R 12）的制冷系統每年會流失1克氟里昂制冷劑（在 77°F 或 25℃ 溫度下）。那么漏氣流量 Q_L是多大呢？根據式（2），并代入 M(R12) = 121 g/mole：

因此，氟里昂流失量為 Q_L = 6.5·10^-6 mbar·l/s。根據下文針對高真空系統給出的“經驗法則”，本例中提到的制冷系統可被認為是氣密系統。Q_L 的其他換算見下表1和表2所示。

▲ 表1 通量（Q_pv）單位的換算；（漏率）單位

▲ 表2 通量（Q_pv）單位的換算；（漏率）單位

總漏率 < 10^-6 mbar·l/s：設備氣密性非常高；總漏率 10^-5 mbar·l/s：設備具有足夠的氣密性；總漏率 > 10^-4 mbar·l/s：設備漏率較高。

事實上，泄漏可以通過一個具有足夠容量的泵來“克服”，因為下式成立（例如，在極限壓力 P_end 下，忽略從內部表面釋放的氣體）：

（Q_L 為漏氣率，Seff 為在壓力容器處的有效抽速）

如果 Seff 足夠大，則不管漏氣率 Q_L 的值有多大，都始終能夠達到預先確定的極限壓力 P_end。但在實際應用中，Seff 的無限提高會受到經濟性和工程設計限制（如系統所需的空間）。

當裝置中無法達到所需的極限壓力時，通常有兩個原因可供參考：存在泄漏和/或容器壁和密封材料釋放的氣體。

可以使用質譜儀或壓升法執行分壓分析，以分辨上述兩種原因。由于壓升法只能證明是否存在漏氣，而無法指示裝置上的漏氣位置，建議使用氦檢漏儀，一般情況下它還可以更快地查明漏點的位置。

要大致了解漏孔的幾何尺寸與相關漏氣率之間的相關性，可以根據以下所述進行粗略估算：假設有一個通過插板閥封閉的真空容器，容器壁上有一個直徑為 1 cm 的漏孔。容器外部為大氣壓力，內部為真空。當閥突然打開時，直徑為 0.39 英寸（1cm）、高為 1082 英尺（330m） 的圓柱形空間內的所有空氣分子會在1秒內以聲速（330 m/s）“掉入”這個漏孔中。每秒流入容器的空氣量將是 10¹³ mbar 乘以這個圓柱的容積（參見圖 1）。計算得出，對于直徑為 1 cm 的孔，Q_L（空氣）將為 2.6·10⁴ mbar·l/s。如果所有其他條件保持不變，讓氦氣以其 970 m/s 的聲速流入孔中，則以同樣方式計算，可得出 Q_L （氦氣）將達到 7.7·10⁺⁴ mbar· l/s，或者說，pV 漏氣流為空氣的 970/330 = 2.94 倍。氦氣憑借這種更高的“靈敏性”被用于檢漏測試，并依此開發和批量生產了多種高度靈敏的基于氦氣的檢漏儀。 

▲ 圖1 漏率與漏孔之間的相關性

圖1所示為漏氣率與孔徑之間的相關性，“1 cm 孔”的 Q_L （空氣）近似等于 10⁺⁴ mbar· l/s。該表格顯示，當孔徑減小至 1 μm （= 0.001 mm）時，漏氣率會變為 10^-4 mbar·l/s，該值在真空技術中已代表嚴重漏氣（請參閱上面的經驗法則）。漏氣率為 10^-12 mbar·l/s 時，對應的孔徑為 1 ?；這是現代氦檢漏儀的檢測下限。

由于很多固體的晶格常數為幾個 ?，而一些小分子和原子（H₂、He）的直徑約為 1 ?，這種固體的固有滲透性可使用氦檢漏儀進行計量記錄。為此，人們開發了漏氣率非常小并經過校準的參考漏點。這代表可測量出的“泄漏”，并不等于因材料或接頭存在缺陷而導致了“泄漏”。人們通常會根據原子、分子、病毒和細菌等的估算或測量大小，使用諸如“防水”或“防菌”等日常術語；見表3。圖2 匯總了常用檢漏方法的特性和檢測限。

▲ 表3 估算臨界漏率。與蒸汽不同，這里需要區分親水性和疏水性固體。細菌和病毒也是如此，因為二者主要通過溶液運移

▲ 圖2 各種檢漏工藝和設備的漏率檢測范圍

標準氦漏率

要明確地定義一個漏點，需要：首先確定隔板兩側的壓力，其次是確定通過該隔板的介質的性質（粘度）或其摩爾質量。“氦標準漏氣”(He Std) 已成為實際應用中的一種常見情形的習慣叫法。當（外部）大氣壓和系統內部真空（內部，p < 1 mbar）之間的壓差為 1 bar 并使用氦氣進行測試時，所得到的漏率被習慣地稱為“氦標準漏率”。為了指示在標準氦氣條件下使用氦氣進行測試時的拒收漏氣率，首先必須將實際的使用條件轉換為氦氣標準條件。此類換算的一些示例見圖3。

▲ 圖3 換算成氦標準漏氣率的示例

換算公式

在計算壓力關系和氣體類型（粘度）時，必須記住，對于層流和分子流要使用不同的公式；而二者之間的邊界很難確定。作為指南，可以假設當漏氣率 Q_L > 10^-5 mbar·l/s 時為粘滯流；當泄漏率 Q_L < 10^-7 mbar·l/s 時為分子流；在二者之間時，制造商（質保責任承擔方）必須以安全一側的值為準。公式列于表4中。 

此處的指數“I”和“II”分別指一種或另一種壓力比；指數“1”和“2”分別指漏點的內部和外部。

▲ 表4 壓力變化和氣體類型的換算公式

 術語和定義 

在查找泄漏時，通常要區分兩種任務：找到漏氣位置，以及測量漏率。

此外，我們可以根據流體的流動方向，將檢漏法分為：

 真空法（有時稱為“由外向內漏氣法”），氣體流入被測件（被測件內的壓力小于環境壓力）；

 正壓法（通常稱為“由內向外漏氣法”），流體從被測件的內部向外流出（被測件內部的壓力大于環境壓力）。

如果可能，應按照被測件上一次使用時的配置進行檢測。對于用于真空應用的部件，應當采用真空法檢測；對于內部為正壓的部件，則應采用正壓法檢測。在測量漏率時，可通過以下兩種方法記錄測量值：

 單個漏點的漏率（局部測量）：圖4中的示意圖 b 和 d，并進行記錄；

 被測件中所有漏點的總漏率（整體測量）：圖4中的示意圖 a 和 c。 

▲ 圖4 檢漏方法和術語：a-整體檢漏；被測件內部為真空；b-局部檢漏；被測件內部為真空；c-整體檢漏（封殼內部富集示蹤氣體）；被測件內部充注示蹤氣體至正壓；d-局部檢漏；被測件內部充注示蹤氣體至正壓

根據驗收規格，裝置無法耐受的漏率稱為拒收漏率。該值的計算基于以下條件：被測件在計劃的使用期限內不會因泄漏引起的故障而失效，并能保證一定程度的確定性。通常該值并不是在被測件的正常工作條件下測定的，而是在試驗條件下使用示蹤氣體（主要是氦氣）測得的流量。因此，必須根據實際應用情況中被測件內部和外部的壓力以及所處理的氣體（或液體）類型，對該值進行換算。

如果被測件內部為真空（p < 1 mbar），外部為大氣壓力，并使用氦氣作為測試氣體，則稱之為標準氦氣條件。當高真空系統連接至檢漏儀并被噴了氦氣（噴槍法），對該系統進行氦檢漏時，系統就處于標準氦氣條件之下。如果被測件完全由檢漏儀抽真空，則會說檢漏儀正在順流模式下工作。如果被測件本身是一個自帶真空泵的完整真空系統，并且檢漏儀與系統的泵并行運行，則稱之為分流模式。當使用與檢漏儀并行運行的單獨輔助泵時，也可以稱之為全流模式。

當使用正壓法時，有時直接測量漏率會不可行或不可能，這種情況下可以將被測件放入一個封殼中來測量漏氣率。可通過將封殼連接到檢漏儀或者通過讓測試氣體在封殼內積聚（提高濃度）來進行測量。“背壓測試”是一種特殊的累積測試。在正壓技術的另一種變型，所謂的吸槍法中，由一種特殊裝置收集（抽氣）漏點逸出的（測試）氣體，并將其送入檢漏儀。可使用氦氣、制冷劑或 SF₆ 作為測試氣體執行此程序。