Begrijp lekagerates

Normen zoals de EN ISO 20484 definiëren het lekpercentage als de hoeveelheid van een bepaald fluïdum die onder vastgestelde omstandigheden door een lek stroomt. Vervolgens kan deze lekstroom variëren afhankelijk van bedrijfsomstandigheden zoals druk, temperatuur en andere omgevingsfactoren. Deze onderscheid is in de praktijk van belang, want een lek dat onder bepaalde omstandigheden acceptabel lijkt, kan onder andere omstandigheden leiden tot aanzienlijke inefficiëntie of procesinstabiliteit. Wie een vacuümproces bedient of onderhoudt, moet begrijpen wat het lekpercentage precies beschrijft, hoe het wordt gemeten en welke factoren het beïnvloeden. Even belangrijk is hoe het zich verhoudt tot de processtabiliteit en de systeemontwerp.

De eenheid van het lekpercentage

De meest gebruikte eenheid voor het lekpercentage is mbar·l/s (millibar-liter per seconde). Om lekpercentages te begrijpen, moeten we eerst het gedrag van gassen bekijken. Aangezien gassen kunnen comprimeren, kan de hoeveelheid gas die door een lek stroomt niet alleen worden beschreven door volume of druk. Wanneer gas uit de omgeving in een vacuümsysteem met lagere druk terechtkomt, zet het uit. Daarom wordt de hoeveelheid gas uitgedrukt als het product van druk en volume (p·V) in de eenheid mbar·l.

Daarnaast wordt voor het lekpercentage een tijdscomponent nodig die aangeeft hoeveel gas gedurende een bepaalde periode door een lek stroomt. De bijbehorende formule zou dus p·V/t zijn, uitgedrukt in mbar·l/s. Een voorbeeld van een gascilinder illustreert dit goed: een cilinder van 50 liter met een druk van 200 bar bevat een hoeveelheid gas van 10.000 bar·l of 10.000.000 mbar·l. Het wordt duidelijk waarom druk en volume samen moeten worden beschouwd bij het vergelijken van gashoeveelheden: noch volume, noch druk alleen zijn voldoende om een gashoeveelheid te beschrijven.

Bij een drukstijgtetest is daarom het systeemvolume een essentieel onderdeel van de berekening. In een grote kamer betekent dezelfde drukstijging in dezelfde tijd een veel grotere hoeveelheid gas dan in een kleine kamer. Daarom moet het resultaat altijd worden geïnterpreteerd in verhouding tot het geteste volume: lekpercentage = (ΔP × V) / t.

Hier de uitsplitsing:
– mbar: de drukcomponent die aangeeft hoe sterk het gas is samengeperst
– liter: de volumekomponente
– per seconde: de tijdsperiode waarin de uitstromende gashoeveelheid wordt gemeten

Daarnaast moet worden opgemerkt dat afhankelijk van de branche en regio andere, equivalente eenheden gangbaar zijn. Zo worden ook Pa·m³/s, Torr·l/s en sccm (standaard kubieke centimeter per minuut) gebruikt. Bij het vergelijken van specificaties die in verschillende eenheden worden gegeven, is voorzichtigheid geboden. Ter vereenvoudiging kan hier een eenhedenomrekenaar worden gebruikt om snel te converteren tussen de gangbare eenheden voor het lekpercentage en misinterpretaties bij het vergelijken van waarden te voorkomen.

Factoren die het lekpercentage beïnvloeden

De snelheid waarmee gas door een lek stroomt, is geen vaste waarde. Ze verandert met de bedrijfsomstandigheden en wordt door meerdere factoren beïnvloed. Operators moeten hiervan bewust zijn om metingen correct te interpreteren en geen verkeerde conclusies te trekken.

De invloed van de druk

Het drukverschil bij een lek is het verschil tussen de druk binnen het vacuümsysteem en de druk daarbuiten. Dit geldt natuurlijk ook voor drukversterkte systemen tegen atmosferische druk of een lagere druk. Over het algemeen geldt: hoe hoger het drukverschil, hoe hoger het lekpercentage, omdat het drukverschil de gasstroom aandrijft. De relatie is echter niet helemaal eenvoudig. Met toenemend vacuüm neemt het lekpercentage niet oneindig toe.

Vanaf een bepaald kritische waarde bepaalt het drukverschil niet langer de gasstroom. Na de overgang naar het zogenaamde "geblokkeerde stromingsgebied" wordt de doorstroming niet meer verhoogd door verdere drukverlaging. Het is echter belangrijk op te merken dat het ingesloten gas zich bij toenemend vacuüm uitzet in een groter volume, waardoor de vacuüm pomp een hogere volumestroom moet verwerken.

De invloed van de temperatuur

De temperatuur beïnvloedt het lekpercentage op twee manieren: door het gas zelf en door het materiaal van de componenten in het systeem. Gas moleculen bewegen zich bij hogere temperaturen sneller, waardoor de doorstroming door een bepaald lekpad toeneemt. Vooral echter zetten afdichtingsmaterialen zich temperatuurafhankelijk uit of trekken ze samen, bijvoorbeeld O-ringen, afdichtingen en kunststof slangen: bij koude worden ze hard en trekken ze samen, bij warmte worden ze zacht en kunnen ze vervormen. Ook de doorlaatbaarheid van de materialen die in vacuümsystemen worden gebruikt, wordt beïnvloed door de temperatuur. Dit geldt vooral voor elastomeren, waarvan de permeabiliteit bij toenemende temperatuur aanzienlijk kan toenemen.

Een systeem kan bij kamertemperatuur dicht lijken, terwijl bij normale bedrijfstemperatuur een meetbare lekkage optreedt – of andersom. Systemen die grote temperatuurschommelingen ondergaan, moeten altijd onder representatieve bedrijfsomstandigheden worden getest.

De invloed van de positie van het lek

Tijdens het actief pompen door de vacuüm pomp bestaat er een drukgradiënt in het systeem, waarbij de druk bij de pompinlaat het laagst is en geleidelijk toeneemt richting het einde van het proces. In compacte systemen met korte leidingen is het drukverschil minimaal, bij langere of smallere leidingen is het sterker aanwezig.

Een lek dicht bij de pompinlaat vertoont daarom de grootste drukverschil tussen intern druk en atmosferische druk en dus het hoogste lekpercentage bij gelijke defectgrootte. Een vergelijkbaar defect dat zich verder van de pomp bevindt, waar de druk hoger is en het drukverschil kleiner, laat minder gas door.

De invloed van het gastype

Ook het gas zelf speelt een rol – in hoeverre hangt af van de druk in het systeem. Bij hogere druk, wanneer de gasmoleculen dicht bij elkaar liggen en zich samen bewegen, bepaalt de viscositeit van het gas hoe gemakkelijk het door een lek kan stromen. Bij lagere druk, wanneer de moleculen onafhankelijker en verder uit elkaar bewegen, wordt het moleculair gewicht de doorslaggevende factor, omdat lichtere moleculen ook gemakkelijker door het lek stromen.

Dit is vooral relevant bij processen waarin andere gassen dan lucht worden gebruikt, zoals stikstof, argon, koelmiddelen, waterstof of andere inertgassen, omdat de werkelijke lekstroom in deze gevallen kan afwijken van de resultaten bij een test met lucht.

De invloed van het lekpercentage op de processtabiliteit

Aangezien zowel druk als temperatuur invloed hebben op het lekpercentage en beide grootheden in de meeste toepassingen niet constant blijven, is het effectieve lekpercentage geen vaste waarde. Met veranderende bedrijfsomstandigheden verandert ook het lekpercentage. Dit leidt tot schommelingen in het proces, waarvan de oorzaak vaak moeilijk te achterhalen is.

De gevolgen van deze variabiliteit verschillen per proces. Bij warmtebehandeling leidt een schommelend lekpercentage tussen de ladingen tot veranderingen in de atmosfeer in de kamer. Dit kan resulteren in ongelijke oxidatie en variërende oppervlaktkwaliteit. In chemische processen betekent een schommelend lekpercentage licht verschillende vacuümomstandigheden tussen ladingen, wat de reactiesnelheden en productconsistentie kan beïnvloeden.

Hoe het lekpercentage de systeemontwerp beïnvloedt

Niet elk lek veroorzaakt meteen een procesuitval, wat een vals gevoel van veiligheid kan geven. Als het systeem nog functioneert, wordt het lek vaak als acceptabel beschouwd en niet verder in de gaten gehouden.

Wat daarbij vaak wordt over het hoofd gezien, is de ontwerpreserve. Vacuümprocessen worden ontworpen met een zekere reserve aan zuigvermogen om rekening te houden met de werkelijke bedrijfsomstandigheden. Een lek verbruikt deze reserve geleidelijk. Het systeem blijft functioneren, maar met een kleinere tolerantie voor andere factoren die extra eisen kunnen stellen, zoals een verslechterende afdichting op een andere plek, een wijziging in procescondities zoals een verhoogde dampbelasting, of gewoon het voortschrijdende slijtage van andere componenten.

Totdat het lek een merkbaar probleem veroorzaakt, is de reserve al op. En wat begon als een acceptabel lekpercentage, wordt de reden dat het systeem niet meer werkt. 

Een lek leidt niet noodzakelijk tot een storing. Maar het verzwakt de veiligheidsreserve totdat een storing onvermijdelijk wordt.

Conclusie

Het lekpercentage is geen enkel, vaststaand getal. Het wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder druk, temperatuur, positie van het lek en gassoort. Een lek dat onder bepaalde omstandigheden onbeduidend lijkt, kan onder andere omstandigheden kritiek blijken te zijn. Alleen wie de factoren begrijpt die het lekpercentage bepalen, kan deze effectief aanpakken.

Praktische maatregelen

– Voer tests uit onder bedrijfsomstandigheden. Lekstroommetingen bij kamertemperatuur of in grof vacuüm weerspiegelen mogelijk niet de werkelijke prestaties. Voer tests uit onder representatieve bedrijfsomstandigheden.
– Houd rekening met het systeemvolume. In een groot systeem kan zelfs een kritisch lek tijdens de test onopgemerkt blijven. Bij toepassing van de drukstijgmethode moet het resultaat worden geïnterpreteerd in de context van het systeemvolume: lekpercentage = (ΔP × V) / t.
– Bepaal welke lekstroom voor uw proces acceptabel is. Er bestaat geen universeel acceptabel lekpercentage. Stel uw grenswaarde vast op basis van uw procesvereisten en de beschikbare veiligheidsreserve, niet op basis van algemene vuistregels.
– Monitor het lekpercentage in de loop van de tijd. Een enkele meting zegt weinig. Een stijgende trend wijst erop dat uw reserve wordt uitgeput en dat actie nodig is voordat de prestaties verslechteren.
– Wacht niet tot het misgaat. Totdat een lek een zichtbaar probleem veroorzaakt, is de ontwerpreserve al op. Neem lekdichtheidstests op in uw regulier onderhoudsprogramma en reageer vroegtijdig en gepland op afwijkingen.