DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Lecksuche und Dichtheitsprüfung mit der Wasserstoff-Methode

Dipl.-Ing. Matthias Block, Sensistor Technologies GmbH, Mühlheim am Main
Kontakt: M. Block

Zusammenfassung

Wasserstoff eignet sich sehr gut zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung. Seine Molekulargeschwindigkeit ist größer und seine Viskosität ist geringer als die von irgendeinem anderen Gas. Wasserstoff ist einfacher in Prüfteile einzubringen, er vermischt sich schneller mit Luft und anderen Gasen, er hat eine höhere Leckagerate und er ist wesentlich einfacher auszulüften.

Die Wasserstoff-Methode ist ein Überdruckverfahren, bei dem der Gasstrom aus einem Objekt erfasst wird. Der Prüfumfang kann sowohl Teilbereiche als auch den Gesamtbereich eines Prüfteils umfassen. Das Verfahren kann zur Lokalisation und zur Messung eingesetzt werden.

Als Spurengas wird allgemein gebräuchliches Formiergas (5% Wasserstoff, 95% Stickstoff) eingesetzt. Diese Mischung ist umweltfreundlich, ungiftig, nicht brennbar und nicht korrosiv.

Die Detektion erfolgt über ein Halbleitersensorelement, das selektiv nur auf Wasserstoff anspricht. Aufgrund der sehr geringen Hintergrundkonzentration von nur 0,5 ppm können Leckageraten bis zu 5x10-7 mbarl/s nachgewiesen werden. Bei der Lokalisation wird das Sensorelement in einem Messkopf direkt an die potenziellen Leckstellen geführt. Es sind daher im Leckdetektor keine wartungsintensiven Komponenten wie Pumpen oder Filter vorhanden. Die Geräte sind kompakt und handlich und somit auch gut für den mobilen Einsatz geeignet.

Je nach Prüfaufgabe können auf Basis der Wasserstoff-Methode einfachere, schnellere und preiswertere Lösungen erzielt werden als dies mit anderen Spurengasen möglich ist.

Keywords: Lecksuche, Dichtheitsprüfung, Wasserstoff, Helium, Prüfgas

Verfahren zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung

Zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung werden unterschiedliche Technologien und Verfahren eingesetzt. Zur Lecksuche ist die Blasenmethode (Wasserbad bzw. schaumbildendendes Mittel) weit verbreitet. Im industriellen Einsatz können mit beiden Verfahren Lecks mit Leckageraten von bis zu 10-3 mbarl/s lokalisiert werden. Die Prüfteile müssen im Anschluss an die Lecksuche getrocknet bzw. gereinigt werden. Beide Verfahren eignen sich nicht für Prüfteile, die nicht feucht bzw. nass werden dürfen.

Zur Dichtheitsprüfung werden häufig Druckänderungen im Prüfteil gemessen. Die nachweisbare Leckagerate bei Prüfteilen mit kleinem Volumen liegt unter industriellen Bedingungen ebenfalls bei ca. 10-3 mbarl/s. Bei größeren Volumina sinkt die Nachweisgrenze deutlich ab. Zusätzlich reduzieren Temperaturänderungen und elastische Verformungen der Prüfteile die Messgenauigkeit. Für eine Quantifizierung der Leckagerate müssen diese Einflüsse deshalb berücksichtigt werden. Im Anschluss an eine Dichtheitsprüfung mittels Druckmessung muss bei Überschreiten der zulässigen Leckagerate im nächsten Schritt die Leckstelle lokalisiert werden.

Sowohl Lecksuche als auch Dichtheitsprüfung können mittels Prüfgasverfahren erfolgen. Damit können deutlich kleinere Lecks lokalisiert werden. Gleichzeitig bleiben die Prüfteile trocken. Temperaturänderungen und Elastizität der Prüfteile haben keinen Einfluss auf die Bestimmung Leckagerate. Heute sind dazu unterschiedliche Prüfgase im Einsatz. Wesentliche Verbreitung in unterschiedlichsten Anwendungen haben dabei die Prüfgase Helium und Wasserstoff gefunden. Für spezielle Aufgabenstellungen wird z.B. Schwefelhexaflourid (SF6) oder auch Kohlendioxid (CO2) eingesetzt.

Wasserstoff als Prüfgas

Wasserstoff besitzt einige Eigenschaften, die ihn als Prüfgas auszeichnen. Er hat eine sehr geringe Viskosität und die Hintergrundkonzentration in der Umgebungsluft ist relativ gering.

  Wasserstoff Helium Luft
Dynamische Viskosität 8,7 µPas 19,4 µPas 18,3 µPas
Hintergrundkonzentration 0,5 ppm 5 ppm 100 %
Molmasse 2 g/mol 4 g/mol 29 g/mol
Physikalische Daten von Wasserstoff und Helium im Vergleich mit Luft.

Die durch ein Leck pro Zeiteinheit austretende Prüfgasmenge hängt unter Annahme einer laminaren Strömung (in der Regel bei Leckageraten bis zu 10-5 mbarl/s) von der dynamischen Viskosität ab. Die Hintergrundkonzentration eines Prüfgases in der Umgebungsluft beeinflusst die Nachweisgrenze.

Zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung wird üblicherweise ein Standardgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff (Formiergas) in der Zusammensetzung von 5% Wasserstoff (H2) und 95% Stickstoff (N2) verwendet. Dieses Gemisch ist entsprechend internationalen Normen (ISO 10156) als nicht brennbar klassifiziert. Damit bestehen beim Einsatz dieses Gasgemisches keine Sicherheitsrisiken. Das Gemisch wird hauptsächlich als Schutzgas bei Schweiß- und Lötprozessen verwendet. Es ist bei Lieferanten von technischen Gasen in der Regel ab Lager in 200 bar bzw. 300 bar Druckgasflaschen verfügbar und kostet nur einen Bruchteil von Helium. Gerade in letzter Zeit ist der Preis von Helium wegen der erhöhten Nachfrage deutlich gestiegen. Da die weltweiten Heliumvorräte begrenzt sind, ist hier von einem weiteren Anstieg des Preises auszugehen. Wasserstoff hingegen wird wegen seiner zunehmenden Verwendung als Energieträger immer preiswerter angeboten.

Wasserstoff ist im Gegensatz zu Helium eine erneuerbare Ressource, was besonders im Hinblick auf ein Umweltaudit nach ISO 14001 von Interesse ist. Weiterhin ist er ungiftig und nicht korrosiv.

Die Unterschiede in den physikalischen Daten zwischen Helium und Wasserstoff führen auch zu einigen Unterschieden und Vorteilen im praktischen Einsatz. Wasserstoff breitet sich deutlich schneller aus. Dieser Effekt trägt dazu bei, dass bereits nach kurzer Zeit im Inneren eines Prüfteils eine gleichmäßige Konzentration erreicht ist. In der Regel muss das Prüfteil dazu vorab nicht evakuiert werden. Probleme, die durch eine erhöhte Hintergrundkonzentration ("Verseuchung") entstehen, sind bei Wasserstoff sehr viel geringer. Zudem haftet Wasserstoff nicht an Oberflächen und lässt sich deutlich schneller auslüften.

Zusammenfassend kann man Wasserstoff als das ideale Prüfgas bezeichnen.

Wasserstoff-Lecksuchgerät

Wir haben gesehen, warum Wasserstoff als Prüfgas sehr gut geeignet ist. Für die Wasserstoff-Methode ist aber auch ein Lecksuchgerät mit entsprechendem Messbereich und hoher Selektivität notwendig.

Das hier vorgestellte Lecksuchgerät basiert auf einem Halbleitersensor, der ähnlich einem Feldeffekttransistor aufgebaut ist. An der Oberfläche des Sensorelements lagern sich Wasserstoffmoleküle an, die dort zu Wasserstoffionen (Protonen) dissoziieren. Diese können durch die Gitterstruktur des Sensorelements hindurchtreten und verursachen damit eine Änderung eines elektrischen Felds. Das dadurch entstehende elektrische Signal wird über eine geeignete Signalverarbeitungskette aufbereitet und am Lecksuchgerät angezeigt. Das Sensorelement spricht selektiv auf Wasserstoff an, die Nachweisgrenze wird durch die natürliche Wasserstoff-Hintergundkonzentration in Luft (0,5 ppm) festgelegt. Zur Messung wird das in die Messkopfspitze integrierte Sensorelement direkt an das Leck gebracht. Es sind daher keine Pumpen notwendig, um das Gas in das Gerät einzusaugen. Das Sensorelement ist mit dem Lecksuchgerät nur über ein Kabel verbunden. Deshalb sind auch keine Filter und andere wartungsintensive Komponenten notwendig. Ein weiterer positiver Effekt der direkten Messung ist eine unabhängig von der Kabellänge sehr kurze Ansprechzeit und eine ebenfalls kurze Erholdauer. Zur Anpassung an unterschiedliche Leckageraten wird die Empfindlichkeit über einfachen Tastendruck schrittweise in einen Bereich von 1 zu 4.000 an die aktuelle Messaufgabe angepasst.

Die Geräte sind robust aufgebaut und einfach zu bedienen. Damit eignen sie sich besonders für den Einsatz in industrieller Umgebung. Die Kalibrierung kann vom Bediener über ein Kalibriergas schnell und einfach durchgeführt werden. Bei jedem Kalibriervorgang wird der aktuelle Status des Sensorelements angezeigt. Alternativ kann die Kalibrierung auch über ein Testleck erfolgen. In einer akkubetriebenen Variante ist der netzunabhängige Einsatz über mehrere Stunden möglich.

Anwendungsbeispiele

Die Wasserstoff-Methode eignet sich für Anwendungen, bei denen ein Prüfgasstrom aus dem Objekt austritt. Der Differenzdruck kann dabei im Bereich von 0 bar bis zu mehreren tausend bar liegen. Bereits bei einer Absolutdruckdifferenz von 0 bar besteht zur Umgebung eine Partialdruckdifferenz des Wasserstoffs, die als treibende Kraft für eine Strömung durch das Leck wirkt.

Im wesentlichen erfolgt der Einsatz zur Lokalisierung oder nach dem sogenannten Überdruckverfahren.

Lokalisierung

Diese Art der Messung wird häufig auch als Schnüffelprüfung bezeichnet. Im genauen Sinn trifft dies hier nicht zu, da zur Messung kein Spurengas angesaugt werden muss. Bei der Verwendung von Formiergas 95/5 liegt die Nachweisgrenze für die Leckagerate bei 5x10-7 mbarl/s. Im Bereich der Wasserstofftechnologie wird - bei entsprechenden Sicherheitseinrichtungen - teilweise auch mit höheren Konzentrationen oder auch mit reinem Wasserstoff gearbeitet. Die Nachweisgrenze verschiebt sich dadurch entsprechend der Konzentration hin zu kleineren Leckageraten.

Anwendungsbeispiel:
Lokalisierung mit Handmesskopf an gelötetem Wärmetauscher

Anwendungsbeispiele

  • Lokalisierung an komplexen Geometrien.
    An als undicht erkannten Prüfteilen wie z.B. Motoren, Getrieben oder Achsen sollen Lecks möglichst schnell und eindeutig erkannt werden, um die entsprechenden Stellen nacharbeiten zu können. Durch das oben beschriebene Verhalten des Prüfgases und durch die einstellbare Empfindlichkeit des Lecksuchgeräts werden Lecks jeglicher Größenordnung schnell, einfach und eindeutig lokalisiert. Es treten keine Störungen durch Hintergrundeffekte auf. Da kein Prüfgas an der Oberfläche haften bleibt, kann das Ergebnis einer Nacharbeit zweifelsfrei überprüft werden.
  • Hoher Helium-Hintergrund.
    Bei der Montage von Kälte- und Klimaanlagen werden häufig Komponenten eingesetzt, die zuvor mit Helium geprüft wurden. Dadurch wird im Montagebereich eine Hintergrundkonzentration erzeugt, die auf Basis von Helium keine ausreichend genaue Messung mehr zulässt. Ähnliche Verhältnisse bestehen im Bereich von Helium-Kälteanlagen.
  • Schnelle Lecksuche an Vakuumsystemen.
    Bei Groblecks oder bei Feuchtigkeit kann die Lecksuche an Vakuumsystemen sehr zeitraubend oder sogar unmöglich sein. Im Rezipienten wird, wenn überhaupt, erst nach sehr langer Zeit ein ausreichendes Vakuum erreicht. In diesen Fällen kann nach kurzem Spülen mit Formiergas sofort mit der Lecksuche begonnen werden. Die Vielzahl der Lecks liegt erfahrungsgemäß im Bereich von 10-2 bis 10-5 mbarl/s und damit im Messbereich der Geräte. Wegen der oben beschriebenen Eigenschaften des Prüfgases treten keine störenden Hintergrundeffekte auf.
  • Mobiler Einsatz
    An großen und komplexen Systemen wie z.B. im Anlagenbau, der chemischen Industrie oder im Rohrleitungsbau ist die Lecksuche oft sehr zeitaufwendig. Wenn dann die Messtechnik zudem nicht ausreichend mobil ist und durch das Prüfgas verursachte Hintergrundeffekte auftreten, verursacht dies weitere Verzögerungen. Das oben beschriebene Wasserstoff-Lecksuchgerät kann für solche Fälle netzunabhängig betrieben werden. Mit Hilfe der zugehörigen Tragetasche mit Schultergurt kann man es mobil einsetzen.
  • Wasserstoffsysteme
    Systeme, die betriebsmäßig Wasserstoff bzw. Wasserstoffanteile enthalten wie z.B. Elektrolyseure, Reformer oder auch Brennstoffzellen können während des Betriebs überprüft werden. Speziell für wiederkehrende Prüfungen ist eine Lecksuche ohne Betriebsunterberechung von Interesse.

Überdruckverfahren (integrale Prüfung)

Wie bei der Lokalisierung wird das Prüfteil mit dem Prüfgas befüllt. In einem um das Prüfteil geschaffenen Kontrollvolumen wird der Anstieg der Wasserstoffkonzentration gemessen. Die Messdauer hängt von der zulässigen Grenzleckrate und der Größe des Kontrollvolumens ab. Als Kontrollvolumen dient je nach Anwendung eine flexible Hülle oder eine feste Kammer.

Anwendungsbeispiel:
Halbautomatische Dichtheitsprüfanlage in der Serienfertigung

Anwendungsbeispiele

  • Apparatebau
    Bei der Prüfung von z.B. Wärmetauschern oder Ventilen sind häufig verschiedene Bereiche gegeneinander sowie auch die äußere Dichtheit zu prüfen. Als Alternative zur Prüfung mittels Vakuum kann in vielen Fällen mit deutlich geringerem Aufwand eine Überdruckprüfung durchgeführt werden. Von unabhängiger Stelle durchgeführte Untersuchungen belegen, dass die Ergebnisse gleichwertig sind.
  • Serienproduktion
    Komponenten für z.B. Automobilindustrie oder Kältetechnik werden bei kleinen zulässigen Leckageraten häufig in einer Vakuumkammer geprüft. Die Prüftechnik ist daher oft mit hohen Investitionen und hohen laufenden Kosten verbunden. In vielen Fällen kann die Dichtheitsprüfung in einfachen Prüfkammern unter atmosphärischem Druck durchgeführt werden. Dadurch werden sowohl das Investitionsvolumen als auch die laufenden Kosten deutlich gesenkt.
  • Forschung/Entwicklung
    Häufig besteht die Anforderung, die Leckagerate von unterschiedlichsten Prüfteilen mit möglichst geringem Aufwand zu bestimmen. Dazu eignet sich besonders die Messung mit Hilfe einer flexiblen Hülle. Da das Prüfgas sich wie oben beschrieben schnell gleichmäßig innerhalb der Hülle ausbreitet und nicht an Oberflächen anhaftet, sind auch wiederholte Messungen einfach und schnell durchzuführen.
  • Fahrzeugbau
    Die Anforderungen an die Dichtheit von Kraftstoffsystemen in PKWs steigen ständig. Im Bereich von herkömmlichen Kraftstoffen werden zunehmend die Gesamtemissionen des stehenden Fahrzeugs gemessen (Zero evap). Für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge wird eine einfache Überprüfung des Gesamtfahrzeugs auf Dichtheit gefordert. Die Messungen führt man mit Hilfe einer Hülle durch.
  • Raumüberwachung
    Hier handelt es sich um einen Sonderfall einer festen Kammer, da ein gesamter Raum als Kontrollvolumen dient. Systeme, die betriebsmäßig Wasserstoff enthalten, können über eine permanente Messung der Wasserstoffkonzentration im Raum auch während des Betriebs auf Dichtheit überprüft werden. Damit werden Lecks vor dem Ansprechen eines Sicherheitsüberwachungssystems erkannt.
  • Permeation
    Einen weiteren Sonderfall stellt die Bestimmung von Permeationsparametern dar. Dazu wird eine Materialprobe von einer Seite mit Formiergas beaufschlagt, auf der gegenüberliegenden Seite wird der Anstieg der Wasserstoffkonzentration über die Zeit gemessen. Anwendungen liegen im Bereich von Verpackungsmaterialien und Membranen.

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