Comprender la tasa de fugas

En la terminología de las normas, por ejemplo, EN ISO 20484, la tasa de fuga es la cantidad de un fluido específico que pasa a través de una fuga en una condición específica. En consecuencia, este caudal de fuga puede cambiar con las condiciones de trabajo, como la presión, la temperatura y otra condición ambiental. Esta distinción es importante en la práctica, ya que una fuga que parezca manejable en una condición puede convertirse en una fuente significativa de ineficiencia o inestabilidad del proceso en otra condición. Comprender lo que realmente significa el término tasa de fuga, cómo se mide, qué lo influye, cómo afecta a la uniformidad del proceso y por qué es importante para el margen de diseño de su sistema es esencial para cualquier persona responsable de operar o mantener un proceso de vacío.

La unidad más utilizada para la tasa de fuga es mbar·l/s (milibares por segundo). Para comprender la tasa de fugas, primero debemos considerar cómo se comportan los gases. Dado que los gases son comprimibles, la cantidad de gas que podría pasar a través de una fuga no se puede describir únicamente por volumen o presión. Si se produce una fuga de gas del entorno a un sistema de vacío que se encuentre a una presión inferior, se expandirá. Por este motivo, la cantidad de gas se expresa como el producto de la presión por el volumen (p·V), en la unidad mbar·l.

La tasa de fuga también necesita unas dimensiones de tiempo para describir la cantidad de gas que pasa a través de una fuga durante un periodo determinado. Por lo tanto, esta fórmula sería p·V/t, expresada en mbar·l/s. Una forma sencilla de visualizar la p·V es con un cilindro de gas: un cilindro de 50 litros a 200 bar contiene 10.000 bar·l de cantidad de gas, o 10.000.000 mbar·l. Esto ilustra por qué la presión y el volumen deben considerarse juntos al comparar cantidades de gas, ya que ni el volumen ni la presión por sí solos son suficientes para describir una cantidad de gas.

Por lo tanto, en una prueba de aumento de presión, el volumen del sistema es una pieza esencial del cálculo. El mismo aumento de presión en el mismo tiempo representa una cantidad mucho mayor de gas en una cámara grande que en una pequeña. Por este motivo, el resultado debe interpretarse siempre en relación con el volumen de prueba: tasa de fuga = (ΔP × V) / t.

Resumiendo:

• mbar: el componente de presión, que refleja cómo se comprime el gas

• litros: el componente de volumen

• por segundo: el intervalo de tiempo durante el cual se mide la cantidad de fuga de gas

También cabe señalar que las unidades equivalentes se utilizan comúnmente en función de la industria y la geografía. Se pueden encontrar Pa·m³/s, Torr·l/s y sccm (centímetros cúbicos estándar por minuto). Se debe tener cuidado al comparar las especificaciones expresadas en diferentes unidades. Para dar soporte a esto, se puede utilizar un convertidor de unidades para convertir rápidamente entre unidades comunes de tasa de fuga y evitar interpretaciones erróneas al comparar valores.

La velocidad a la que el gas pasa a través de una fuga no es un valor de fijación. Cambia con las condiciones de trabajo y se ve afectada por varios factores. Comprender estos factores ayuda a los operarios a interpretar correctamente las mediciones y evita los dibujos erróneos.

La diferencia de presión a través de una fuga es la diferencia de presión desde el interior del sistema de vacío en comparación con el exterior. Por supuesto, esto también es válido para sistemas presurizados contra la presión atmosférica o reducida. En general, cuanto mayor sea la diferencia de presión, mayor será la tasa de fuga, ya que la diferencia de presión impulsa el caudal de gas. Sin embargo, la relación no es tan sencilla y no aumenta indefinidamente a medida que el vacío se intensifica.

A partir de un determinado valor crítico, la diferencia de presión ya no determina el caudal de fuga. Después de la transición al denominado régimen de estrangulamiento, una nueva reducción de presión ya no aumenta el caudal másico. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la fuga de gas se expandirá a un volumen mayor a medida que se intensifique el vacío, lo que dará como resultado un mayor caudal volumétrico para que la bomba de vacío asa.

La temperatura influye en la tasa de fuga de dos maneras: a través del propio gas y a través del material de los componentes del sistema. Las moléculas de gas se mueven más rápido a temperaturas más altas, aumentando el caudal a través de una ruta de fuga dada. Más significativamente, los materiales de sellado como juntas tóricas, juntas y mangueras de polímero se expanden y contraen con la temperatura, endurecimiento y contrato en frío, ablandamiento y posible deformación en calor. Además, la temperatura también influye en la permeabilidad de los materiales utilizados en los sistemas de vacío. Esto es especialmente importante para los elastómeros que pueden mostrar un aumento significativo de la permeabilidad con el aumento de la temperatura.

Un sistema que no muestra ninguna fuga medible a temperatura ambiente puede desarrollar una vez que alcance la temperatura de trabajo normal, o viceversa. Los sistemas que pasan por amplios rangos de temperatura siempre deben someterse a pruebas en condiciones de trabajo representativas.

Mientras la bomba de vacío está bombeando activamente, existe un gradiente de presión a lo largo del sistema, el más bajo en la entrada de la bomba, progresivamente más alto hacia el final del proceso. En sistemas compactos con tuberías cortas, la pendiente es mínima, mientras que las tuberías más largas o restrictivas la hacen más pronunciada.

Por lo tanto, una fuga cerca de la entrada de la bomba experimenta el mayor diferencial entre la presión interna y la presión atmosférica, produciendo la mayor tasa de fuga para un tamaño de defecto dado. Un defecto similar en una posición más cercana al proceso, donde la presión es mayor y el diferencial menor, admitirá menos gas.

El tipo de gas también desempeña un papel, y el mecanismo relevante depende de la presión dentro del sistema. A presiones más altas, donde las moléculas de gas están estrechamente empaquetadas y se mueven juntas, la viscosidad del gas determina la facilidad con la que pasa a través de una fuga. A presiones más bajas, donde las moléculas se mueven de forma más independiente con una mayor distancia entre ellas, el peso molecular se convierte en el factor dominante, y las moléculas más ligeras pasan más fácilmente.

Esto es especialmente relevante en procesos que utilizan gases distintos al aire, como nitrógeno, argón, refrigerantes, hidrógeno u otros gases inertes, donde la tasa de fuga real puede diferir de lo que sugeriría una prueba basada en aire.

Dado que tanto la presión como la temperatura influyen en la tasa de fugas y, en la mayoría de las aplicaciones, no permanecen constantes en la práctica, la tasa de fugas efectiva no es un valor de fijación. A medida que cambian las condiciones de trabajo, también lo hace la tasa de fugas. Esto introduce variabilidad en el proceso que puede ser difícil de rastrear hasta su origen.

La consecuencia de esta variabilidad difiere de un proceso a otro. En el tratamiento térmico, si la tasa de fugas difiere entre lotes, la atmósfera dentro de la cámara varía, lo que provoca una oxidación inconsistente y una calidad de superficie impredecible. En los procesos químicos, una tasa de fuga variable significa una condición de vacío sutilmente diferente entre lotes, lo que puede cambiar las velocidades de reacción y afectar a la uniformidad del producto.

No todas las fugas provocan un fallo inmediato del proceso, lo que puede crear una falsa sensación de seguridad. A menudo, si el sistema sigue funcionando, la fuga se considera aceptable y no se soluciona.

Lo que esto pasa por alto es el margen de diseño. Los procesos de vacío están diseñados con un grado de capacidad de bombeo de reserva para tener en cuenta las condiciones de trabajo reales. Una fuga consume silenciosamente este margen. El sistema sigue funcionando, pero con menos tolerancia a cualquier otra cosa que exija requisitos adicionales, como un sellado degradado en otro lugar, un cambio en la condición del proceso, como un aumento de la carga de vapor, o simplemente el deterioro continuo de otros componentes con el tiempo.

En el momento en que la fuga causa un problema notable, el margen ya se ha erosionado. Lo que empezó como una tasa de fuga aceptable se ha convertido en la razón por la que el sistema ya no puede hacer frente.

Una fuga no siempre causa un fallo. Consume el margen de seguridad hasta que el fallo se vuelve inevitable.

La tasa de fugas no es un único número de fijación. Está formado por varios factores, como la presión, la temperatura, la ubicación de la fuga y el tipo de gas. Una fuga que parezca insignificante en una condición puede probar ser significativa en otra. Comprender qué impulsa la tasa de fugas es lo que le permite gestionarla de forma eficaz.

• Prueba en condiciones de trabajo. Es posible que las mediciones de la tasa de fugas realizadas a temperatura ambiente o vacío pobre no reflejen el rendimiento real. Prueba en condiciones de trabajo representativas.

• Tenga en cuenta el volumen del sistema. Un sistema grande puede enmascarar una fuga significativa en las pruebas. Cuando se utiliza un método de aumento de presión, el resultado debe interpretarse en el contexto del volumen del sistema: tasa de fuga = (ΔP × V) / t.

• Defina lo que es aceptable para su proceso. No existe una tasa de fuga aceptable universalmente. Establezca su umbral en base a los requisitos del proceso y al margen de seguridad del diseño disponible, no a reglas generales.

• Rastree la tasa de fugas a lo largo del tiempo. Una sola medición le dice poco. Una tendencia al alza le indica que su margen se está consumiendo y que es necesario tomar medidas antes de que se vea afectado el rendimiento.

• No espere a que falle. Cuando una fuga causa un problema visible, el margen de diseño ya ha desaparecido. Integre comprobaciones de tasa de fugas en su programa de mantenimiento regular y actúe sobre el deterioro de forma temprana y planificada.