Réf. : R2055 V2
Date de publication :
10 mars 2005
Détection de fuite
Cet article est issu de : Génie industriel | Maintenance
par Bernard SEEMANN
Résumé L’étanchéité qualifie une enceinte fermée qui ne permet à aucun fluide de
franchir ses parois. Cet article traite uniquement des fuites, c’est-à-dire du transfert des
fluides, et laisse de côté les phénomènes de diffusion et de perméation associés au gaz.
Après une approche théorique de l’écoulement des fluides, les procédés et les appareils
utilisés pour effectuer les contrôles de fuites sont passés en revue, avec présentation de
leurs spécificités. La mise en œuvre du contrôle d’étanchéité est ensuite largement
détaillée.
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Détection de fuite
par
Bernard SEEMANN
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Consultant en détection de fuite
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1.
1.1
1.2
Écoulement des fluides dans les fissures. Études théoriques ....
Nature et formes des fuites ........................................................................
Caractérisation d’une fuite..........................................................................
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
Procédé et appareils utilisés.................................................................
Contrôle par voie humide ...........................................................................
Test par décharge électrique.......................................................................
Détecteur à halogènes.................................................................................
Détecteur à conductivité thermique...........................................................
Détection par hélium ...................................................................................
Détection par hydrogène ............................................................................
Détection aux traceurs radioactifs .............................................................
Mesure par variation de pression ..............................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
7
7
8
8
8
9
11
12
12
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Mises en œuvre du contrôle de l’étanchéité ....................................
Contrôle par variation de pression.............................................................
Trois autres manières de faire un test global ............................................
Contrôle par ressuage .................................................................................
Localisation des défauts..............................................................................
Procédés de contrôle...................................................................................
Contrôle de fabrication................................................................................
—
—
—
—
—
—
—
13
13
14
14
14
15
15
4.
Conclusion .................................................................................................
—
16
Pour en savoir plus ...........................................................................................
R 2 055 – 2
—
2
—
2
Doc. R 2 055
u’est-ce que l’étanchéité ? L’étanchéité est la qualité que présente une
enceinte fermée de ne pas permettre à aucun fluide de franchir ses parois.
L’obtention et le maintien d’une telle propriété sont, dans la réalité, des opérations susceptibles d’une certaine gradation, l’herméticité d’une enceinte devant
être considérée, même d’un point de vue théorique, comme illusoire.
En effet, une structure parfaitement homogène peut être franchie par les gaz,
sous l’effet de phénomènes de sorption et désorption aux interfaces du solide, et
de phénomènes de mise en solution et de diffusion en son sein. Ce processus
complexe, appelé perméation, varie dans de très grandes proportions avec la
nature des éléments en présence. C’est ainsi que la perméation des gaz à travers
les métaux n’est habituellement pas de nature à nuire à l’étanchéité, alors que
celle des gaz à travers les élastomères peut conduire à des ambiguïtés lors de la
recherche des fuites. Nous ne préoccuperons dans ce qui suit, que des fuites,
c’est-à-dire du transfert des fluides, qui ne relève pas du phénomène de diffusion, ni de perméation.
D’autre part, tous les produits fabriqués industriellement doivent satisfaire à
un niveau d’étanchéité nécessaire et suffisant. Dans la plupart des cas, les très
petites fuites sont acceptables au regard de la sécurité et de l’espérance de vie
du produit fabriqué. Il faudra alors définir un seuil de rejet dans le cadre du
contrôle d’étanchéité, c’est-à-dire définir la plus grande fuite acceptable pour
Q
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R 2 055 − 1
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DÉTECTION DE FUITE
___________________________________________________________________________________________________________________
déclarer une pièce « bonne ». Accepter l’idée que le produit fabriqué puisse fuir
de manière négligeable constitue souvent la première difficulté quand on fait ses
premiers pas dans la détection de fuite.
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Le présent article est la refonte de l’article précédent de Jacques Tallon. L’auteur en a repris
de larges extraits, notamment l’étude théorique. Le lecteur pourra aussi consulter [B 5 420] –
Génie mécanique des Techniques de l’Ingénieur.
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1. Écoulement des fluides
dans les fissures.
Études théoriques
La caractéristique principale d’une fuite est d’être un élément
capricieux dont la géométrie et la permanence sont soumises à des
aléas qui dépendent de la réalisation des éléments ouvrés, de leur
assemblage et des conditions de traitement. En effet, une fuite obturée par inadvertance, lors d’une manutention, peut le rester au
cours d’un traitement de surface ultérieur et se débucher plus ou
moins spontanément lorsque l’appareil est mis en service.
1.2 Caractérisation d’une fuite
Le transfert d’un fluide à travers un défaut étant régi par la nature
de ce fluide, nous distinguerons le cas des liquides de celui des gaz
ou des vapeurs.
1.2.1 Fuite de liquide, écoulements turbulents
et laminaires
Le transfert d’un liquide à travers d’une fuite se définit par le
débit-masse qm de celui-ci. Il est constant le long de son trajet, et
égal au produit de la vitesse moyenne u du liquide par sa masse
volumique ρ et par l’aire S de la section de diamètre d qu’il traverse, soit selon notre hypothèse :
1.1 Nature et formes des fuites
π
q m = uS ρ = --- ud 2 ρ 4
(1)
La forme et les dimensions d’une fuite sont liées à son origine.
Très contournées dans le cas d’un défaut de structure (faille, fissure,
etc.) elle est le plus souvent directe et traverse franchement la paroi
dans le cas des jonctions définitives (reprises de soudures). On peut
néanmoins se trouver dans le premier cas, s’il s’agit de brasure à
mouillage imparfait, ou de soudure par étincelage. Elle peut alors
comporter une longueur nettement supérieure à l’épaisseur de la
paroi, et déboucher à une certaine distance de l’endroit de son
entrée. Les fuites aux jonctions démontables franchissent directement celles-ci. Et sont souvent motivées par des rayures ou des
défauts de serrage. Elles peuvent alors présenter une section aplatie.
Les conditions d’écoulement d’un
dépendance du nombre de Reynolds :
Il semble, par conséquent, aléatoire d’assigner aux fuites une
géométrie représentative. C’est néanmoins une exigence de leur
caractérisation, on leur supposera un cylindre régulier, reliant directement les faces de la paroi qu’il traverse (figure 1) [2].
Entre ces deux valeurs, la configuration de la canalisation détermine la nature de l’écoulement.
liquide
sont
sous
la
ud ρ Re = -------------η
avec
η
viscosité dynamique du liquide (dans le cas
d’une fuite cylindrique).
L’écoulement est habituellement :
— turbulent si Re est supérieur à 2 200 ;
— laminaire si Re est inférieur à 1 200.
En appliquant la condition
relations (1) et (2), il vient :
Re 1 200
à l’ensemble des
q m 942 ,5d η ∅d
P1
P2
Les débits-masse de liquide à travers les fuites satisfaisant généralement cette condition, nous bornerons notre étude à celle de
l’écoulement laminaire, dont rend compte la loi de Poiseuille. Selon
celle-ci, le débit-masse d’un liquide à travers une canalisation de
diamètre d et de longueur L vaut :
πd 4 ρ q m = -------------------- ( P am – P av )
128L η L >> d
L
avec
Pam et Pav
Figure 1 – La fuite est assimilée à un cylindre
R 2 055 − 2
pressions à l’amont et à l’aval de cette
canalisation.
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(2)
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___________________________________________________________________________________________________________________ DÉTECTION DE FUITE
La tension superficielle γ, qu’exerce le liquide sur les bords
d’entrée et de sortie de la fuite, ralentit son écoulement par la manifestation d’une force superficielle :
de la pièce est pratiquement inopérant et il faut soumettre une des
faces de la paroi à une pression nettement inférieure à celle de la
vapeur saturante du liquide.
Fγ = γ π d
Dans ces conditions, le temps de débouchage t est sensiblement
donné par la relation :
à laquelle on peut faire correspondre une contre-pression :
Fγ
4γ
p γ = ----- = -----S
d
(3)
Ce phénomène influe beaucoup sur les conditions d’écoulement
du liquide.
Si la différence des pressions P1 − P2 du liquide, de part et d’autre
de la paroi, est supérieure à 2pγ, le débit-masse vaut :
qm
πd 4 ρ 8γ
= -------------------- ⎛ P 1 – P 2 – ------⎞
⎠
128L η ⎝
d
(4)
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Exemple : dans de l’eau à 20 ˚C, on a les données suivantes :
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3L 2 ρ t = --------- ⋅ -----4d ρ u
η = 10−3 Pa · s ;
ρ = 998,2 kg · m−3 ;
γ = 7,05 × 10−2 N · m−1.
Un défaut de 2 µm de diamètre équivalent, dans une paroi de 5 mm
d’épaisseur, sera responsable d’une fuite de débit-masse :
1.2.2 Fuite de gaz ou de vapeur
Le débit-masse des gaz étant d’une caractérisation difficile, on
recourt à une quantité spécifique qui est le flux. Celui-ci, qG, se
définit comme la dérivée par rapport au temps de la quantité
énergétique G = pV d’un gaz en mouvement. Dans le cas d’un gaz
parfait, la loi de Gay-Lussac nous conduit à la relation :
d ( pV )
dν
q G = ----------------- = RT ------dt
dt
avec
ν
π ρu
d3
q m = ------- P L ---------3L
2
avec
ρu
(5)
masse volumique unitaire de la vapeur.
avec
M
masse molaire du liquide,
R
constante molaire des gaz,
T
température thermodynamique.
Dans l’exemple précédent (eau à 20 ˚C), pour lequel :
M = 18,016 × 10−3 kg · mol−1 ;
T = 293,15 K ;
PL = 2 350 Pa.
On a :
ρu = 7,391 × 10−6 kg · m3 · Pa−1
qm = 4,27 × 10−16 kg · s−1
Au cas où une fuite se trouve bouchée, par suite de certains tests
d’immersion, par exemple localisation de la fuite dans un bac à eau,
il est nécessaire de procéder à son évacuation. Un simple chauffage
nombre de moles en évolution (égal au rapport
de la masse m du gaz à sa masse molaire M) d’où
nous allons avoir :
(8)
Le flux est donc égal au rapport débit-masse qm par la masse
volumique ρu.
Dans la mesure où le mouvement du gaz s’opère à l’intérieur
d’une enceinte de volume constant, nous avons :
dp
q G = V ⎛ -------⎞
⎝ dt ⎠ V
(9)
Le flux se définit alors, comme le produit de ce volume V par la
vitesse d’évolution de la pression.
Dans le cas inverse où le gaz traverse une section sous une certaine pression p supposée constante, qG devient :
Celle-ci (masse volumique mesurée sous la pression unité) est,
dans le cas d’un gaz supposé parfait, donnée par la relation :
M
ρ u = -------RT
(7)
qm
RT dm
q G = -------- ⋅ --------- = -------ρu
M dt
La contre-pression superficielle vaut ici 0,282 MPa, le débit-masse
critique (relation (3)) vaut :
Si, au contraire, la pression du liquide, en amont de la fuite, est
inférieure à pγ, celui-ci ne peut y pénétrer. Dans la mesure où la pression, en aval, est inférieure à celle PL de la pression de vapeur saturante du liquide, à la température considérée (cas courant
d’installations sous vide), celui-ci s’évapore à travers la fuite sous
un débit-masse défini par la loi de Langmuir :
(6)
Dans l’exemple précédent, le temps de débouchage est donc de
3 670 s, soit une heure environ ! Il ne serait plus que de 90 s (une
minute et demie), à 100 ˚C.
qm = 7,84 × 10−12 (P1 − P2 − 2,82) en kg · s−1,
les pressions étant exprimées en bar.
qmc = 942,5 d η = 1,885 × 10−6 kg · s−1
2π
------ρu
dV
q G = p ⎛ --------⎞ = pq V
⎝ dt ⎠ p
avec
qV
débit-volume du gaz à travers la section.
Dans le cas d’un régime établi, pour lequel qm est constant, le flux
est aussi constant que le système est isotherme et, en toute section
droite, il est égal au produit de la pression moyenne dans celle-ci
par le débit-volume qui la traverse.
1.2.2.1 Unités
Il résulte, de sa définition, que le flux est homogène à une puissance. L’unité légale est donc le watt, auquel on préfère substituer
son équivalent, le Pa · m3 · s−1 plus représentatif. L’unité encore couramment employée est le cm3 TPN · s−1, qui vaut 0,1013 fois la précédente.
1.2.2.2 Calcul du flux
De la même façon que dans le cas des liquides, l’écoulement des
gaz est sous la dépendance du nombre de Reynolds, lequel se fera,
pour les mêmes valeurs que précédemment, soit en régime turbu-
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DÉTECTION DE FUITE
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lent, soit en régime laminaire. Comme dans le cas des liquides,
l’écoulement laminaire est pratiquement seul en jeu et s’établit pour
des valeurs :
qmL = qGLρu = 942,5ηd
D’une façon générale, une fuite est localisée à l’aide d’un gaz de
test. Le flux de ce gaz à travers elle peut être ensuite défini par certaines méthodes, ou à l’aide d’un appareil dédié. Le degré des
équations (19) ne permettant pas une résolution analytique, on peut
utiliser des abaques disponibles dans certains ouvrages [1] [2].
soit
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ηd
q GL = 942 ,5 ------ρu
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1.2.3 Détermination des caractéristiques
d’une fuite
(10)
La loi de Poiseuille (relation (2)) s’applique aussi au cas des gaz et
des vapeurs, en observant toutefois que la masse volumique ρ du
gaz varie uniformément le long de la canalisation et qu’il convient
d’en adopter la valeur moyenne :
Dans l’industrie, le cahier des charges de la qualité s’exprime
souvent en perte massique annuelle de gaz. C’est le cas pour
tous les composants et circuits de climatisation, automobile ou
domestique pour lesquels les valeurs varient entre 5 g/an et
15 g/an de perte gaz.
P am + P av
ρ = ρ u p = ρ u ⎛⎝ --------------------------⎞⎠
2
Il faut convertir une perte massique en flux de gaz, et ainsi calculer
à partir de quel taux de fuite on va déclarer une pièce « mauvaise ».
Nota : la valeur de la fuite est souvent exprimée en atm · cm3/s, Pa · m3/s, mbar · l/s, ou
n’importe quelle autre unité. Cela représente un débit volumique à une pression absolue
donnée. L’unité choisie n’a souvent aucun rapport avec les pressions appliquées de chaque
côté de la fuite. L’exemple reprend les unités couramment utilisées dans l’industrie.
en sorte que d’après (2)
πd 4 ρ u
q mL = q GL ρ u = ----------------128L η
2 – P2
P am
av ⎞
⎛ ------------------------⎝
⎠
2
• Le rapport entre ces unités est :
1 atm · cm3/s = 1,013 mbar · l/s = 0,1 Pa · m3/s = 0,75 torr · l/s
et le calcul du flux en régime laminaire s’écrit :
πd 4
q GL = ----------------128L η
2 – P2
P am
av ⎞
⎛ ------------------------⎝
⎠
2
• Dans l’exemple, nous considérerons une atmosphère comme égale à 1 bar.
(11)
1.2.3.1 Calcul de l’équivalence en gaz traceur
d’une fuite de gaz
Le défaut sera assimilé à un cylindre figure 1 :
Le domaine d’application de cette loi est toutefois limité à l’état
visqueux du gaz, pour lequel le libre parcours moyen m des molécules qui le constituent est petit devant la dimension transversale
représentative de la canalisation. Le rapport de ces deux grandeurs
est le nombre de Knudsen Kn, qui détermine le type d’écoulement
en présence [1] [2].
Le flux de gaz ou de vapeur qui s’écoule à travers une paroi a
une limite supérieure définie par le fait qu’il ne peut avoir une
vitesse supérieure à celle us du son dans ce gaz ou cette vapeur.
Le flux maximal d’une fuite gazeuse qG susceptible de traverser
une section de diamètre d est, dans ces conditions :
qG = pS qV
avec
pS
π
= p S --- d 2 u S
4
La formule pour convertir une perte annuelle de masse en débit
de gaz est :
F
22 400
T
Q R = ----- × --------------------------------------------- × ---------- (sous PRef)
M 365 × 24 × 3 600 273
avec
Or, la vitesse du son arithmétique vS des molécules étant sensiblement les trois quarts de la vitesse moyenne arithmétique vS des
molécules, soit :
1
v S = 3 ------------- ,
2π ρ u
la pression minimale en aval de la fuite devient :
(14)
F
perte annuelle
réfrigérant (g),
massique
du
gaz
M
masse moléculaire du gaz réfrigérant
considéré (g),
22 400
volume d’une mole de gaz, à 273 ˚C et
1 atmosphère (cm3),
365 × 24 × 3 600
nombre de secondes dans une année (s),
T
température de référence du réfrigérant
(˚K),
QR
valeur de la fuite (atm · cm3/s).
Dans le tableau 1 sont présentées des masses moléculaires de
quelques gaz réfrigérants.
(0)
ρu
(13)
C’est la pression minimale que connaîtra la fuite à son aval, de
sorte que l’on doit remplacer, dans les relations précédentes le
terme Pav par pS si Pav < PS.
R 2 055 − 4
1.2.3.2 Convertir une perte massique de gaz réfrigérant en
débit de gaz
(12)
pression sonique (valeur minimale de la pression
qui peut exister dans cette section sous l’effet du
flux qG).
qG
p S = 1 ,0638 ------d2
— les pressions de chaque côté de la fuite sont les paramètres les
plus importants. Donner une valeur de fuite sans référence de pression est un non sens ;
— le second paramètre est la nature du gaz ;
— la température est le paramètre le moins important et peut être
ignorée la plupart du temps car on la considère comme constante.
Tableau 1 – Masse moléculaire de quelques gaz réfrigérants
Réfrigérant
R 11
R 404 A
R 22
R 134 A
iso-C4H10
Masse (g)
137,4
97,6
86,5
102,0
58,1
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Exemple : une perte de 5 g/an de R 134 A, à une température de
20 ˚C, représente un débit volumique de :
Cette formule (15) peut être utilisée pour convertir directement le
débit d’un réfrigérant QR en un débit d’hélium QHe, dans le cas du
test en reniflage à la pression atmosphérique.
5
22 400
293
Q R = ------------ × ------------------------------------------------------ × -----------102 365 × 24 × 3 600 273
Remarque : pour éviter des erreurs, les unités utilisées pour
les différents paramètres doivent être vérifiées avec attention.
Dans ce qui suit : cm, bar et s seront utilisés.
QR = 3,74 · 10−5 atm · cm3/s de R 134 A
1.2.3.3 Calcul du débit hélium équivalent pour un test
en reniflage à la pression atmosphérique
Dans le cas d’un test en reniflage, le débit du gaz réfrigérant ou de
tout autre gaz sera laminaire.
Les conditions de débit sont valables pour une très large fourchette de valeurs de fuite (depuis 10−5 jusqu’à 1 atm · cm3/s pour
l’air, ou encore 10−6 à 0,1 Pa · m3/s, cela dépend des pressions de
chaque côté et de la longueur de la fuite).
Les viscosités des quelques gaz à 15 ˚C et 1 bar sont présentées
dans le tableau 2.
La viscosité du gaz augmente avec la température.
Exemple : une perte de 5 g/an de R 134 A, à 15 ˚C et sous une
pression de 3 bar relatif dans un évaporateur.
Les conditions de test sont du reniflage avec 10 bar relatifs à 15 ˚C et
un mélange air/hélium de 30 % (concentration d’hélium).
= 3,74 · 10−5 atm · cm3/s
QR
ηR
= 1,21 · 10−10 bar · s
ηAir
= 1,75 · 10−10 bar · s
PTest = 11 bar absolu
PHe
= 0,3 × 11 = 3,3 bar
PRef
= 4 bar absolu
Viscosité moyenne du mélange de test :
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La formule du débit laminaire est :
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π × D4
Q = ----------------------------- × ( P 12 – P 22 )
256 × η × L
avec
D
L
η
diamètre du tube capillaire (cm),
longueur de la fuite (cm),
viscosité du gaz (bar · s),
pression absolue d’un côté de la fuite (bar),
pression absolue de l’autre côté de la fuite (bar).
P1
P2
ηTest
Donc nous avons :
En utilisant la formule (15), on obtient :
π×
2 – 1 2)
Q R = -------------------------------- × ( P Ref
256 × η R × L
D4
1 ,21 11 2 – 1 2
Q He = 3 ,74 ⋅ 10 – 5 × -------------- × ------------------------- × 0 ,3
1 ,80 4 2 – 1 2
QHe = 6,03 · 10−5 atm · cm3 · s−1
P He
π × D4
2
Q He = -------------------------------------- × ( P Test
– 1 2) × -----------P Test
256 × η Test × L
avec
QR
QHe = 6 · 10−6 Pa · m3 · s−1
débit du gaz réfrigérant sous des conditions de
référence,
débit d’hélium sous les conditions du test.
QHe
1.2.3.4 Calcul du flux d’hélium équivalent pour un test sous
vide
Un côté de la fuite est sous vide.
Donc le flux d’hélium devient :
Q He
avec
P He
-----------P Test
2
P Test
ηR
– 1 2 P He
- × -----------= Q R × ------------ × -----------------------2 – 12
η Test P Ref
P Test
ηTest
PTest
PHe
PRef
Pour un test sous vide, le débit d’hélium dans la fuite peut être :
— laminaire ;
— moléculaire ;
— intermédiaire.
(15)
pourcentage de gaz traceur (He) dans le
mélange ; dans le cas d’un test effectué avec
100 % d’hélium, ce rapport est égal à 1,
viscosité du gaz réfrigérant dans les conditions
de référence (PRef, TRef),
viscosité du mélange de test dans les conditions
de test (PTest, TTest),
pression absolue du mélange de test,
pression partielle d’hélium dans le mélange de
test,
pression absolue du réfrigérant dans les
conditions de référence.
ηR
= (0,7 × ηAir) + (0,3 × ηHe)
= [(0,7 × 1,75) + (0,3 × 1,93)] · 1 · 10−10 bar · s
= 1,8 · 10−10 bar · s
Pour simplifier, le débit d’hélium dans un test sous vide peut être
considéré comme la somme du débit laminaire et du débit moléculaire, car nous sommes généralement en régime intermédiaire.
1.2.3.4.1 Pour calculer le débit laminaire
La formule est identique à la formule (15), excepté pour la pression du côté de la fuite qui n’est plus à pression atmosphérique mais
sous vide, c’est-à-dire zéro comparé à l’atmosphère. La conversion
d’un débit pour un test sous vide est :
2
ηR
– 0 2 P He
P Test
Q HeL = Q R × ------------ × ------------------------- × -----------2
η Test P Ref – 1 2 P Test
(16)
(0)
Tableau 2 – Viscosité des gaz (à 15 ˚C, 1 bar)
Gaz
R 11
R 404 A
R 12
R 22
R 134 A
iso-C4H10
Air
N2
He
Viscosité × 10−10 bar · s
1,02
1,87
1,22
1,25
1,21
0,73
1,75
1,69
1,93
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R 2 055 − 5
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DÉTECTION DE FUITE
Nous supposons que la pression du vide est très petite comparée
à celle dans la pièce durant le test, ce qui est le cas la plupart du
temps.
Exemple : une perte de 5 g/an de R 134 A, à 15 ˚C, sous 3 bar relatifs sur un évaporateur.
Les conditions de test sont : test sous vide dans l’évaporateur et
aspersion d’hélium à l’extérieur.
QR
PTest
PHe
PRef
= 3,74 · 10−5 atm · cm3/s,
= 1 bar absolu,
= 1 bar,
= 4 bar absolu,
Q HeL
1 ,21 1 2 – 0 2 1
= 3 ,74 ⋅ 10 – 5 × -------------- × --------------------- × --1 ,93 4 2 – 1 2 1
QHeL = 1,56 ·
10−6
atm ·
Exemple : une perte de 5 g/an de R 134 A, à 15 ˚C sous 3 bar relatifs de pression.
Les conditions de test sont un test sous vide dans la pièce et aspersion d’hélium à l’extérieur (à 15 ˚C).
D
L
T
PHe
= 3,33 · 10−4 cm
= 0,5 cm
= 288 ˚C
= 1 bar
1
2 × π × 8 ,32 ⋅ 10 7 × 288 ( 3 ,33 ⋅ 10 – 4 ) 3
Q HeM = ---- × ------------------------------------------------------------------------- × -------------------------------------------- × 1
0 ,5
6
4
QHeM = 2,39 · 10−6 atm · cm3/s
1.2.3.4.3 Calcul du débit total d’hélium en conditions de test
cm3/s.
Le débit total d’hélium dans les conditions de test sera l’addition
du débit laminaire QHeL et débit moléculaire QHeM (relation (21)).
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1.2.3.4.2 Pour calculer le débit moléculaire
tiwekacontentpdf_r2055 v2
QHe = QHeL + QHeM
Dans ce cas, il nous faut estimer le diamètre de la fuite équivalente avec une hypothèse sur la longueur.
En général, la longueur de la fuite est estimée d’après l’épaisseur
du métal, de la soudure.
(21)
Dans notre exemple, il sera :
QHe = 1,56 · 10−6 + 2,39 · 10−6 atm · cm3/s He = 3,95 · 10−6 atm · cm3/s
(17)
Précision de mesure : le sujet des incertitudes de mesure reste difficile à développer, tant que le nombre de facteurs entrant en ligne
de compte pendant la mesure est grand. Chaque principe repose sur
le fait que la grandeur mesurée est prépondérante dans le calcul, et
que dans d’autres principes elles sont, soit ignorées, soit considérées comme constantes.
Et le calcul du diamètre de la fuite équivalente est donné par la
relation :
On prendra le problème de manière pratique en considérant que
la précision ne peut être meilleure que celle de l’étalon utilisé pour
calibrer le système.
La formule, pour estimer le diamètre, vient de la formule générale
de flux laminaire sous des conditions de référence :
π × D4
2 – 12 )
Q R = -------------------------------- × ( P Ref
256 × η R × L
256 × η R × L × Q R
D = ----------------------------------------------2 – 12 )
π × ( P Ref
0 ,25
(18)
Exemple : une perte de 5 g/an de R 134 A, à 15 ˚C, sous 3 bar relatifs de pression.
Hypothèse : la longueur de la fuite est de 5 mm et L = 0,5 cm.
Donc,
256 × 1 ,2110 – 10 × 0 ,5 × 3 ,74 × 10 – 5
D = ---------------------------------------------------------------------------------------------------π × ( 42 – 12 )
D = 3,33 · 10−4 cm (3,33 microns)
Les conditions ainsi prescrites conduisent à la définition, dans les
appareils en dépression, d’un flux extérieur de gaz maximal
admissible :
La formule générale pour le débit moléculaire est :
avec
PHe1 et PHe2
(19)
pressions partielles d’hélium de chaque
côté de la fuite. Dans la plupart des cas, la
pression partielle d’hélium du côté sous
vide est très petite comparée à la pression
partielle de l’autre côté.
constante de Boltzmann = 8,32 · 107 (avec les
unités bar, s, cm),
Exemple : tous les composants du système de climatisation d’une
automobile sont testés en étanchéité dès leur fabrication : compresseurs, condenseurs, évaporateurs, tubulure de connexion, etc.
T
température de l’hélium (K),
PHe
pression partielle d’hélium (bar),
QHeM
R 2 055 − 6
Les conclusions seraient symétriques dans le cas d’appareils en
surpression.
(20)
1
2 × π × K × T D3
Q HeM = --- × --------------------------------- × ------- × P He
L
6
M
K
dp
dans le premier cas, qGF = qVpmax
q GF = V ⎛ -------⎞
⎝ dt ⎠ max
La vérification de l’étanchéité ne pouvant être faite qu’une fois
l’installation montée, à titre de contrôle global, un contrôle fragmentaire des éléments constitutifs s’avère nécessaire, jusqu’au niveau
des pièces détachées. Il convient donc d’affecter chacune d’elle
d’une prestation individuelle.
Donc, le débit d’hélium dans les conditions de test sera :
avec
Un défaut d’étanchéité dans les parois d’une enceinte se manifeste de deux façons, selon que celle-ci est fermée après une mise
en condition, ou reliée en permanence à un système destiné à en
maintenir la pression interne constante.
Dans le premier cas, la pression y subira une évolution qui peut
être impropre à la conservation des matériaux ou au fonctionnement des appareils qu’elle contient (tubes électriques, transistors,
produits fissiles) ; dans le second cas, le système peut devenir insuffisant pour atteindre le niveau voulu de pression (par exemple dans
les installations sous vide entretenu).
0 ,25
1
2 × π × K × T D3
Q M = --- × --------------------------------- × ------- × ( P He1 – P He2 )
L
M
6
1.2.4 Prestation d’étanchéité
débit moléculaire d’hélium (atm ·
cm3/s).
Il serait irrationnel de définir cette prestation en fonction du
volume que la pièce occupera dans l’installation. En effet, les fuites
se situent généralement au niveau des lignes de discontinuité de
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l’enceinte (soudure, jonctions démontables). Or, sous un volume
réduit, un robinet en contient bien plus qu’un réservoir. On définira
donc, au préalable, la longueur approximative L des lignes de discontinuité de l’appareil monté, puis une fuite linéique maximale
admissible qGF/L applicable à tous les éléments. La prestation individuelle de ceux-ci sera égale au produit de cette fuite linéique par la
longueur des lignes de discontinuité qu’ils comportent.
Couvercle de sécurité
Bulles
si fuite
Pression
de test
Le cas des pièces moulées est un peu différent, car elles sont susceptibles de présenter des porosités réparties sur une certaine surface.
Air comprimé
Figure 2 – Test à la bulle
Il est prudent de vérifier l’étanchéité des pièces séparées
avant leur assemblage.
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Attention : la pressurisation doit précéder l’immersion pour
éviter que certaines fuites ne se remplissent d’eau !
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2. Procédé et appareils
utilisés
Les procédés utilisés pour déceler les fuites sur des installations
contenant un fluide sous pression sont très variés et il n’est pas toujours aisé de choisir. Le point de départ est de définir la taille des fuites recherchées. Le procédé doit être adapté en terme de sensibilité
pour détecter les fuites proches du seuil de déclaration de « pièce
défectueuse », sans pour autant être trop sensible, ce qui conduirait
à faire de la surqualité. Sans compter que dans certains cas, on peut
se trouver en face de grosses fuites (processus de fabrication nonrespecté). Comment réagit alors un appareil trop sensible ?
Dans les installations sous pression, telles que certaines installations nucléaires pour lesquelles des normes sévères sont établies,
les procédés ont en commun de mettre en évidence, d’un côté d’une
paroi, un fluide test appliqué de l’autre côté. Ils présentent toutefois
une grande diversité et des sensibilités variées.
Nous passons en revue ceux qui sont d’un emploi courant. Ils
sont par ailleurs, très différents des procédés de contrôle de la qualité des produits semi-finis (radiographie, gammagraphie, champ
magnétique), inaptes à déceler de façon certaine l’existence éventuelle d’une fuite. Par contre, les procédés de détection des fuites ne
peuvent renseigner sur la continuité d’une paroi, des criques éventuelles pouvant ne comporter aucune liaison avec l’extérieur.
2.1 Contrôle par voie humide
2.1.1 Exemple d’un liquide test
Une première méthode consiste à remplir la pièce d’une solution
alcoolique de rouge de méthyle, ou de rouge organol, et à déceler
leur apparition dans une couche de blanc d’Espagne dont est enduit
l’extérieur.
Cette méthode présente le grave inconvénient d’obturer cette
fuite par un liquide difficile à extraire et de compromettre en conséquence une reprise éventuelle. Elles doivent être proscrites absolument du contrôle de pièces destinées à des installations de vide ou
à des centrales nucléaires. De plus, elle nécessite généralement un
séchage des pièces, d’où un coût supplémentaire.
2.1.2 Test par immersion (à la bulle)
Ce procédé, d’un emploi fréquent, consiste à mettre la pièce sous
une certaine pression d’air et à l’immerger dans l’eau figure 2.
De même que dans le cas précédent (§ 2.1.2), la fuite minimale
décelable est indépendante du volume de l’appareil, la présence
d’un défaut se manifestant par la formation de bulles d’air. L’addition à l’eau d’un produit tensioactif (Teepol, alcool laurique sulfoné)
réduit la tension superficielle et évite la formation de bulles à la surface de la pièce.
Exemple : une pression de 1 MPa d’air, appliquée sur une surface
d’une paroi de 1 cm d’épaisseur, permet de déceler une fuite de 2 µm
de diamètre équivalent par observation d’une bulle de 1 mm de diamètre par minute, condition extrême de détection. La plus petite fuite
décelable par ce procédé est d’environ 10−6 Pa · m3 · s−1. La surpression minimale à appliquer pour vaincre la tension superficielle est, dans
0 ,282
le cas de l’eau pure : ∆p γ = ------------------ (MPa).
d
Dans la pratique, on fait souvent la démarche inverse, à savoir
chercher à évaluer la valeur d’un débit à partir de l’observation de
bulles. Un moyen pratique est de calculer le volume de chaque bulle
(V = 4/3πr3) et de le diviser par le temps d’apparition. La taille de la
bulle ne peut qu’être estimée avec une imprécision notable, mais
nous pouvons obtenir ainsi un ordre de grandeur.
La quantification d’une fuite par le test à la bulle n’est pas précise
si on doit faire des calculs. Par contre, nous pouvons dire avec certitude que la plus petite fuite est inférieure à une valeur s’il n’y a pas
eu apparition de bulle.
Le test en immersion est un test local, visant à mettre en évidence
les défauts individuellement (d’où l’intérêt du procédé pour la localisation). Nous verrons plus loin que certaines méthodes permettent
de tester globalement l’étanchéité d’une pièce, la mesure prenant en
compte l’ensemble de toutes les fuites.
Remarque : la précision de la mesure dépend principalement
de l’opérateur et est, à ce titre, difficilement caractérisable. Le
calibrage est d’ailleurs quasiment impossible. C’est pourquoi
nous prenons généralement l’absence de bulle au bout d’un
temps t comme critère d’acceptation.
Exemple d’erreur sur l’estimation du diamètre de bulle.
Hypothèse : une bulle toutes les 15 secondes. Le temps peut
être mesuré avec une grande précision, mais :
— si Ø estimé = 2 mm ⇒ fuite2 = 4/3 × π × r3/15
= 2,8 · 10−4 atm · cm3s−1 ;
— si Ø estimé = 3 mm ⇒ fuite3 = 4/3 × π × r3/15
= 9,4 · 10−4 atm · cm3s−1.
Le résultat se trouve multiplié par 3 !
Conclusion : il vaut mieux considérer le test à la bulle comme
un moyen de localisation des fuites plutôt que comme moyen de
mesure.
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DÉTECTION DE FUITE
___________________________________________________________________________________________________________________
2.1.3 Localisation à l’ammoniac
Ce procédé est fondé sur la mise en évidence du gaz de test, de
l’ammoniac en l’occurrence, par une réaction chimique à la sortie de
la fuite. Le réactif utilisé est du bleu de bromophénol préparé en
milieu acide, de couleur initialement jaune paille, laquelle vire au
bleu à l’endroit d’une fuite.
Cette méthode, autrefois très utilisée pour tester les pièces
chaudronnées, est aujourd’hui abandonnée au profit de méthodes
utilisant des gaz traceur moins nocifs.
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2.2 Test par décharge électrique
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Ce procédé permet de détecter et localiser des fuites sur des
matériaux tels que le verre ou le plastique. Il consiste à déplacer une
des électrodes d’une bobine sur les parties suspectes. À proximité
d’une fuite, le verre est traversé par un trait lumineux qui ne laisse
aucun doute sur son existence. Dans le cas d’un matériau plastique,
la décharge peut même marquer l’endroit de la fuite, laissant une
trace visible de sa position. Mais, sur ces matériaux, la visualisation
est moins aisée, alors les appareils ont été dotés d’une mesure du
courant de décharge, indiquant à l’opérateur la présence ou non
d’un arc de décharge.
Il s’agit d’un procédé bon marché qui fonctionne même sur des
enveloppes souples. Mais, c’est une méthode manuelle, locale, qui
en outre, génère des parasites radios dans l’environnement.
Inconvénients : la diode est sujette à des fluctuations et sensible à
la pollution par l’huile ou les vapeurs d’alcool. Cette performance
n’est acquise qu’avec les appareils renifleurs muni d’un zéro automatique.
Il est important de noter que les détecteurs de fuites de fréon sont
avant tout des détecteurs de gaz, c’est-à-dire que, par la présence
d’un gaz, ils interpréteront une fuite. Il est donc primordial que
l’atmosphère aux abords de la pièce à contrôler soit propre (c’est-àdire non-contaminée par le gaz traceur utilisé). Il est difficile de respecter cela à la lettre dans les ateliers de production où il faut charger les pièces en gaz à proximité de la zone de test. Cette propreté
de l’air aux abords du test est primordiale pour la précision, la fiabilité et la constance des résultats. Une possibilité consiste à travailler
dans des enceintes légèrement pressurisées avec de l’air non-contaminé.
Avantages : permet de détecter le gaz chargé dans des produits
finis, comme les réfrigérateurs par exemple.
Le budget de l’appareil de base est d’environ 7 000 euros.
Remarque :
ces
détecteurs
sont
classés
comme
« indicateurs » et non mesureur d’après des mesures de performances effectuées dans le cadre de la qualification selon la
norme E 35-422 par le Centre d’énergétique de l’École des mines
de Paris. L’incertitude de mesure dépend plus de la nature du gaz
et de la mise en œuvre du détecteur. En laboratoire, on obtient
une précision de l’ordre de ± 10 %.
Le budget de l’appareil de base est d’environ 10 000 euros.
Précision de la mesure : l’objectif de cette méthode est de localiser les éventuelles fuites, pas de les quantifier. En vertu de quoi,
aucune précision n’est avancée par les fabriquants de matériel.
2.4 Détecteur à conductivité thermique
Ce type de détecteur utilise un fil chauffé au centre d’un tube, en
présence d’un gaz d’échange. Le système détecte la variation de la
déperdition de chaleur du fil induite par la modification de la
conductivité thermique du gaz en présence d’une fuite. Il se présente sous la forme d’un renifleur analogue au précédent.
2.3 Détecteur à halogènes
Les métaux alcalins sont susceptibles d’émettre, à une certaine température, des ions en présence d’un halogène. Cette propriété est mise
à profit dans un appareil constitué par un fil de platine, dont le taux
d’impureté en alcalins est suffisant, porté à un potentiel positif par rapport à une cathode cylindrique dans laquelle il est centré figure 3.
Celle-ci recueille les ions dont une certaine fraction est émise en
permanence. Le courant produit est compensé dans un montage en
pont. Un composé halogéné (trichloréthylène, tétrachlorure de carbone ou plus habituellement dichlorodifluorométhane, ou fréon 22),
admis à travers une fuite éventuelle, a pour effet d’accroître subitement ce courant et de provoquer le déséquilibre de ce pont.
La diode est placée entre un tube long et mince, dit tube renifleur,
et un ventilateur qui permet d’aspirer l’air à travers la diode
lorsqu’on déplace l’appareil à proximité d’une pièce sous pression
de fréon. Cet appareil fonctionne ainsi à la pression atmosphérique,
le test s’effectuant par une méthode dite de reniflage.
La pièce est pressurisée avec un gaz dont la conductivité thermique est nettement différente de celle de l’air. L’indication du détecteur est amenée automatiquement au zéro, en présence d’un
courant d’air atmosphérique aspiré par le ventilateur. Le renifleur
est promené le long des soudures et joints. Le gaz test, est admis au
niveau d’une fuite, a pour effet de modifier le transfert d’énergie, la
température du fil, donc sa résistance, et de déséquilibrer le pont,
figure 4. L’importance de ce déséquilibre permet d’apprécier la gravité du défaut, après étalonnage de l’appareil. On utilise à cet effet
une fuite étalon, constituée par un réservoir rempli de gaz test sous
pression et par une pastille poreuse en métal fritté à travers laquelle
un flux bien défini et stable de ce gaz est délivré.
La fuite minimale décelable en hélium est de 1,6 · 10−8 Pa · m3 · s−1,
en fréon elle est de 1,5 g/an. Exemple : détecteur type B4, Air Liquide,
SAPRE TG96.
La fuite minimale décelable est, dans les meilleures conditions,
d’environ 10−8 Pa · m3 · s−1.
Référence
Diode
de platine
Tube
renifleur
Entrée
Échantillons
Ventilateur
Référence
Figure 3 – Renifleur d’halogènes
R 2 055 − 8
Sortie
Amplificateur
Figure 4 – Le principe électronique est un pont équilibré
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Son principal inconvénient est d’être très peu sélectif et d’émettre
un signal dès que la nature du gaz aspiré change. Pour sa fiabilité, il
faut également soigner l’environnement de travail et éviter toute
pollution. Ces détecteurs sont utilisés pour localiser les fuites, pas
pour les mesurer.
Mesure
de la pression totale
Les détecteurs à conductivité thermique sont utilisés, par exemple, pour contrôler l’étanchéité de bâtiment (nucléaire) aux points
critiques.
Masse
Le budget de l’appareil de base est d’environ 7 000 euros.
B
A
+ 200 V
200 V
var.
2.5 Détection par hélium
C
+
Q
60 V
D
–
Mesure de
la pression
d’hélium
2.5.1 Détecteur à spectrométrie de masse
Ions : azote, oxygène, CO2 , argon, CO, vapeur d’huile, etc.
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2.5.1.1 Magnétiques et quadripôles
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Ions hélium
La réalisation d’analyseurs de gaz adaptés aux techniques du vide
a trouvé une application à la détection de fuite. Le spectromètre de
masse est en effet conçu pour signaler dans une installation, la présence d’un gaz, sur la masse duquel il est calé. Il existe deux procédés pour séparer les masses :
— la déflexion magnétique ;
— le quadripôle.
Il importe que ces appareils, d’une complexité et d’un prix de
revient nettement supérieur aux précédents, soient des spectromètres rudimentaires si l’on veut rester dans des conditions d’acquisition et d’exploitation raisonnables. Ils doivent donc être utilisés
conjointement avec un gaz traceur facile à séparer de ceux présents
dans les installations.
C’est l’hélium que l’on utilise couramment, de préférence à
l’hydrogène, dont les propriétés inflammables font qu’on l’utilise
dilué dans un mélange inerte (généralement 95 % N2 et 5 % H2).
Néanmoins, la plupart des spectromètres de masse peuvent être
« calés » sur la masse d’hydrogène pour des applications spécifiques.
La concentration naturelle en hélium de l’air est de 5 ppm.
Le pouvoir de résolution ρ d’un spectromètre magnétique est
donné par la relation :
avec
r1 et r2
Figure 5 – Spectromètre de masse à déflexion magnétique
À la sortie de A, nous avons donc un faisceau d’ions correspondants aux différents composants de l’air et éventuellement à
l’hélium injecté à travers une fissure et envoyé sur l’analyseur.
Ce faisceau pénètre dans un champ magnétique perpendiculaire.
Sous son influence, les trajectoires des différents ions deviennent
circulaires et se séparent en fonction de leur masse molaire respective. Un système de diaphragme permet d’éliminer les ions plus
lourds ou plus légers que l’hélium, de manière que seuls les ions
hélium arrivent sur la cible. En libérant leur charge positive, ils donnent alors naissance à un courant électrique que l’on mesure. Le
courant électrique est proportionnel au nombre d’ions d’hélium,
c’est-à-dire à la pression partielle d’hélium dans la chambre d’analyse, indépendamment de la pression totale d’air.
2.5.1.3 Détecteur élémentaire
2.5.1.2 Principe du détecteur à spectrométrie de masse
à déflexion magnétique
r2 – r1
M1
ρ = ---------------- = 1 – -------r2
M2
Ions légers : hydrogène, hélium 3
(22)
rayons de courbure des trajectoires des ions des
deux gaz, sous l’effet d’un champ magnétique,
M1 et M2 masses molaires voisines.
Il en résulte que les ions de faible masse sont les mieux séparés.
Par exemple, l’hélium peut être aisément séparé de ses voisins
immédiats l’hydrogène et le lithium.
La cellule d’analyse fonctionne de la manière suivante, figure 5 :
un filament chauffant Q émet dans le vide des électrons qui, soumis
à la différence de potentiels d’une centaine de volts existants entre
le filament et une chambre C, sont lancés vers la chambre et y pénètrent.
À l’intérieur de la chambre, les électrons rencontrent les molécules des différents gaz qu’ils transforment en ions, en leur arrachant, par choc, un électron. Le nombre d’ions produits est
proportionnel à la pression.
Les ions ainsi formés (charges positives) sont à leur tour lancés en
direction de l’électrode A.
Les déplacements de particules ne peuvent avoir lieu que dans un
bon vide, de manière que les ions et les électrons ne soient pas
gênés par des collisions avec des molécules de gaz.
Cela impose que la cellule d’analyse soit accompagnée d’un
groupe de pompage susceptible de maintenir une pression inférieure d’environ 10−2 Pa au niveau de la cellule.
Un détecteur de fuite d’hélium élémentaire comprend donc :
— une cellule d’analyse (spectromètre) ;
— un groupe de pompage pour vide secondaire (pression inférieure à 10−2 Pa) ;
— une vanne d’isolement et d’introduction d’échantillon gazeux.
Deux configurations sont possibles pour le montage d’un détecteur élémentaire.
2.5.1.3.1 Montage direct
Est constitué d’une :
— pompe à palette ;
— pompe turbomoléculaire (ou pompe à diffusion) ;
— cellule d’analyse.
Ce montage (figure 6) exige une pression très basse au niveau de
la vanne d’isolement, mais confère une plus grande sensibilité au
montage. On l’appelle « mode petite fuite ».
La mesure de la pression partielle d’hélium permet de connaître le flux d’hélium entrant dans le détecteur.
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DÉTECTION DE FUITE
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2.5.1.4 Poste complet de contrôle d’étanchéité
Cellule
d’analyse
QHe
Le détecteur élémentaire est généralement complété d’un groupe
de pompage dit « de prévidage », destiné à faire le vide dans
l’enceinte ou dans la pièce (test sous vide ou en aspersion), quand
la capacité de pompage du détecteur n’est pas suffisante au regard
du volume à pomper et du temps de cycle requis.
PHe
SHe
Pompe
turbomoléculaire
Un poste complet de contrôle d’étanchéité comprend trois sousensembles fonctionnels :
QHe = SHe PHe
Pompe à palette
QHe flux d’hélium (généralement exprimé en l/s)
SHe vitesse de pompage hélium (généralement exprimé en l/s)
PHe pression partielle d’hélium en Pa (le millibar est souvent utilisé)
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Figure 6 – Spectromètre hélium en montage direct
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Cellule
d’analyse
QHe
'
QHe = P 'He S He
QHe = S 'He PHe KHe
S 'He
SHe
KHe
PHe
Pompe
turbomoléculaire
P 'He
Pompe à palette
Figure 7 – Spectromètre hélium – montage à contre-courant
Il comprend les mêmes composants que le montage direct mais,
l’échantillon gazeux est introduit au refoulement de la pompe secondaire (pompe turbomoléculaire ou pompe à diffusion) figure 7.
Cette pompe fonctionne comme un filtre grâce à un taux de compression fonction de la masse moléculaire des différents gaz.
L’hélium peut remonter à contre-courant à travers la pompe secondaire, jusqu’à la cellule d’analyse, alors que les gaz plus lourds sont
arrêtés totalement ou partiellement.
′ , à la sortie de la pompe seconLa pression partielle d’hélium P He
daire, génère une pression PHe à l’entrée égale à :
avec
KHe
— un détecteur ;
— un circuit pièce. Dans le cas du test sous vide, il faut pouvoir
vider la pièce de son air puis, la pressuriser avec le gaz traceur puis,
retirer le gaz traceur de la pièce. Dans le cas d’un test en aspersion,
c’est par ce circuit que se fera le vide dans la pièce. La connexion,
entre la pièce et le système, est un élément très important. À chaque
pièce testée, cet assemblage sera désaccouplé. Il est fréquent que
des pièces rejetées comme fuyardes l’aient injustement été par le
manque de fiabilité des outillages de connexion.
Sensibilité : elle est définie par la plus petite fuite en hélium mesurable, ou son équivalent en air. La fuite minimale décelable (en
hélium) sur une pièce à tester, dont le volume n’excède pas quelques
décimètres cubes, est de 10−12 Pa · m3 · s−1, valeur qui définit un
défaut de 0,07 µm dans une tôle de 1 cm d’épaisseur. Dans le cas
d’éléments ou d’ensembles dont le volume atteint 1 m3, la sensibilité
est affectée du fait de la difficulté à évacuer la pièce à tester à une
pression suffisamment basse pour ne plus être gêné par le flux
d’hélium contenu dans l’air, et les vapeurs relâchées par l’installation. Pour un volume de 50 m3 par exemple, il devient très difficile de
déceler des fuites inférieures à 10−7 Pa · m3 · s−1 (10−6 atm · cm3/s).
Le budget du système industriel est de 183 000 euros et plus.
2.5.1.3.2 Montage à contre-courant
′
P He
P He = ----------K He
— un groupe de prévidage. Cette unité n’a pas un vide limite très
bas mais, permet d’atteindre rapidement les pressions auxquelles le
détecteur passe en test (ouverture des vannes). Par exemple, atteindre 10 mbar à partir de la pression atmosphérique. Ce sont souvent
des pompes multipalettes ;
(23)
2.5.2 Détecteur d’hélium renifleur
Lorsque la pièce à contrôler ne peut admettre un vide intérieur, on
pressurise la pièce en hélium et on recueille le gaz traceur qui
s’échappe éventuellement d’une fissure.
Pour recueillir ce gaz, on utilise une sonde dite de reniflage, reliée
à l’analyseur par un tube souple. On utilise la propagation du
mélange air-hélium en régime visqueux, généré par une pompe
auxiliaire (ou un piquage entre les deux étages de la pompe primaire du détecteur). Le flux gazeux passe devant une pastille
poreuse C figure 8, qui laisse passer une partie de l’hélium aspiré
par le renifleur vers la cellule d’analyse.
taux de compression de la pompe secondaire.
Connexion
sonde
Ce montage permet de fonctionner avec une pression plus élevée
au niveau de la vanne d’isolement (test en haute pression) mais, est
moins sensible. On l’appelle « mode grosse fuite ».
Pompe secondaire
Les détecteurs standard du commerce commutent d’un mode à
l’autre automatiquement par un jeu de vanne piloté. Ce qui permet
de commencer le test plus tôt, même quand la pression n’est pas
encore très basse (mode grosse fuite), et d’affiner la mesure ensuite
quand le niveau de vide au niveau de la vanne d’isolement
(connexion avec la pièce testée) est suffisant. La sensibilité est alors
optimale.
Le budget de l’appareil de base est d’environ 17 000 euros.
R 2 055 − 10
Pastille C
Sonde
de reniflage
Pompe primaire
Figure 8 – Vue schématique d’un renifleur
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___________________________________________________________________________________________________________________ DÉTECTION DE FUITE
La sensibilité du détecteur renifleur est limitée par le taux naturel
d’hélium présent dans l’air qui constitue un bruit de fond.
Remarque : la vitesse de pompage de la sonde est généralement réglée à 1 cm3 · s−1, ce qui donne un facteur 1 de correction de lecture entre le débit et la concentration d’hélium. Le
taux d’hélium dans l’air étant de 5 ppm, le détecteur indiquera
alors 5 · 10−6 atm · cm3 · s−1 (unité d’affichage), quand il mesure
l’atmosphère non-polluée.
En utilisant des fonctions d’auto zéro (suppression du bruit de
fond), on peut voir des fuites jusqu’à 1 · 10−7 atm · cm3 · s−1,
dans des conditions de laboratoire uniquement.
L’autre limitation de la méthode vient de la qualité de la captation.
Comment être sûr que l’on a bien collecté 100 % du flux de la fuite ?
La précision de la mesure faite dans ces conditions reste donc toujours discutable.
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Le reniflage est très utilisé pour localiser les fuites.
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Le reniflage est également utilisé en test global en utilisant une
cloche d’accumulation. La pièce est intégralement testée car la
teneur en hélium sous la cloche va évoluer en fonction de la somme
de toutes les fuites. Cette méthode est lente, et n’est généralement
pas retenue pour des hautes cadences cf. § 3.2.3.
Le budget de l’appareil de base est d’environ 17 000 euros.
Pour l’hélium, la précision de l’étalon dépend de son type de fabrication, qui dépend de l’ordre de grandeur de la fuite. N’oublions pas
que nous travaillons dans une échelle logarithmique allant de
10 – 2 mbar ⋅ l ⁄ s jusqu’à 10−12 mbar · l/s. Précision des fuites calibrées.
■ Fuite par perméation (pastille de téflon) de
10 – 10 mbar ⋅ l ⋅ s – 1 (de 10−7 à 10−11 Pa m3 · s−1) :
— précision : ± 10 % ;
— correction de température : 3 % par degré Celsius ;
— vieillissement : perte de 2 % par an.
10−6
à
■ Fuite par capillaire 10−5 mbar · l · s−1 (> 10−6 Pa m3 · s−1) :
— précision : ± 10 % ;
— vieillissement : perte de 0,2 % par an.
■ Fuite par capillaire 10−4 mbar · l · s−1 :
— précision : ± 20 % ;
— correction de température : 7 % par degré Celsius ;
— vieillissement, pression à surveiller dans la bouteille.
Conclusion : on retient souvent comme ordre de grandeur de la
précision qu’on peut obtenir avec un montage, comprenant un
détecteur hélium par spectrométrie de masse : de 20 à 30 % de la
valeur mesurée ; ce qui est généralement satisfaisant compte tenu
de l’étendue de l’échelle de mesure.
2.6 Détection par hydrogène
Cette technique a été d’abord développée et utilisée pour localiser
les défauts sur les câbles téléphoniques enterrés. Elle a été ensuite
adaptée aux besoins industriels.
2.6.1 Pourquoi l’hydrogène ?
Parce que :
— c’est la molécule la plus légère ;
— sa viscosité est la plus faible de tous les gaz (facile à remplir,
évacuer et dissiper) ;
— sa concentration ambiante est faible (0,5 ppm) ;
— est moins cher que l’hélium ;
— il est non inflammable (dilué à 5 % dans N2) ;
Figure 9 – Détecteur d’hydrogène
— respecte l’environnement ;
— c’est un sujet de nouveau développement, exemple : pile à
combustible.
2.6.2 Procédé de mesure
Le détecteur d’hydrogène est un capteur, à base de circuit intégré,
qui utilise des principes catalytiques. Une couche mince perméable
à l’hydrogène donne une tension lors de l’absorption d’atome
d’hydrogène. Cette tension est immédiatement amplifiée, corrigée
dans le capteur lui-même. Il intègre également le contrôle de la température. Le détecteur est sans pièce en mouvement donc, sans
maintenance. Il est aussi moins encombrant et moins lourd qu’un
détecteur hélium figure 9.
La fuite minimale décelable est de 10−7 atm · cm3 · s−1 en statique,
et de 1 · 10−5 avec une sonde active avec débit de reniflage. La
teneur naturelle de l’air en hydrogène est de 0,5 ppm.
La mesure de la teneur en hydrogène, du milieu testé, peut être
faite par reniflage, ou par accumulation, comme pour l’hélium
cf. § 3.2.
La sonde peut être passive, c’est-à-dire sans débit, mesurant la
concentration en hydrogène de l’environnement au contact du
capteur ; ou en reniflage, c’est-à-dire en analysant un flux calibré.
2.6.2.1 Le mélange H2 5 % – N2 95 %
On utilise le plus souvent un mélange d’azote contenant
5 % d’hydrogène, ceci pour plusieurs raisons :
— ce mélange est défini par la norme ISO 10156 comme
ininflammable ;
— ce mélange est standard, il est utilisé en soudure, donc disponible sur le marché à faible coût.
Il reste cependant, souvent livré dans des bouteilles de gaz
inflammable. En effet, la limite théorique d’inflammabilité est de
5,7 % dans de l’azote. Si la précision du mélange est aléatoire, les
distributeurs de gaz préfèrent alors le livrer en bouteille avec une
identification « inflammable ».
Le budget de l’appareil de base est d’environ 10 000 euros.
Précision d’étalonnage : les fuites calibrées vont de 1 · 10−7 à
1 · 10−3 atm · cm3 · s−1.
Influence de la température : 0,5 %/˚C.
Incertitude de mesure : ± 10 %.
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R 2 055 − 11
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DÉTECTION DE FUITE
___________________________________________________________________________________________________________________
2.7 Détection aux traceurs radioactifs
∆P
On utilise quelques fois, comme gaz traceur, un gaz radioactif
(Krypton 85), et l’on détecte le traceur s’échappant d’une fuite éventuelle, au moyen d’un compteur à scintillation. La fuite minimale
décelable est de l’ordre de 10−11 Pa m3 · s−1. On utilise le Krypton 85
pour tester des composants entièrement scellés par ressuage (bombing). Mais, pour des raisons de sécurité, la spectrométrie hélium lui
est souvent préférée.
t1 = t0 + ∆t
t0
Temps
2.8 Mesure par variation de pression
Figure 11 – Variation de la pression totale
Cette méthode consiste à suivre l’évolution de la pression dans une
pièce testée. On mesure l’effet de la fuite et non pas la fuite elle-même.
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Une fuite sera calculée d’après la relation suivante :
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∆P × V
Q = -----------------∆t
Air comprimé
ou vide
Cette relation est vraie si la température et le volume ne varient
pas pendant le test. Les conditions de mise en œuvre sont donc primordiales.
Pièce
testée
EV
Stabilisation
EV
Test
Capteur
différentiel
de pression
EV
Remise à atm
Exemple : comment calculer la fuite correspondant à une chute de
pression de 200 Pa en 80 secondes, pour un volume de 10 litres.
200 Pa × 1 ⋅ 10 – 2 m 3
Q = ------------------------------------------------------------------ = 0 ,025 Pa ⋅ m 3 ⁄ s (0,25 mbar · l/s)
80 s
Comme on le voit dans la relation, la variation de pression est proportionnelle au débit de fuite mais, aussi au volume testé. Plus le
volume testé sera grand, plus l’impact d’une même fuite sera petit.
On sera donc beaucoup plus sensible sur les faibles volumes.
Cette technique est globale et ne permet pas de localiser les fuites.
Pièce
de référence
Figure 12 – Vue schématique d’un testeur différentiel
2.8.2 Mesure absolue
La mesure absolue consiste à comparer la pression totale dans la
pièce au départ et à la fin du test figure 11.
Exemple : à t0, P0 = 2 bar, à t1, P1 = 1,7 bar
⇒ ∆ = 0,3 bar = 300 mbar = 30 000 Pa
Résolution de lecture de pression : 0,1 bar = 100 mbar = 10 000 Pa !
2.8.1 Cycle de test
Un contrôle par variation de pression comprend quatre phases
incontournables figure 10 :
— remplissage de la pièce jusqu’à la pression de test désirée (ou
le niveau de vide) ;
— stabilisation du gaz échauffé par la compression due à l’augmentation de pression dans la pièce ;
— test – c’est le temps réel de mesure de la variation de pression.
Cette valeur doit être intégrée dans le calcul de conversion de la
valeur de la fuite (∆t). La pression doit rester comprise dans une
fourchette min/max afin de valider le test ;
— vidage – retour à la pression atmosphérique dans la pièce.
Le budget de l’appareil de base est d’environ 5 000 euros.
2.8.3 Mesure différentielle
Pour obtenir une précision plus grande, nous allons concentrer la
mesure seulement sur le ∆, sans tenir compte de la pression totale
dans la pièce (elle ne servira qu’à valider le test).
2.8.3.1 Mesure différentielle avec référence
Pression (Pa)
Nous allons comparer la pièce testée à une pièce de référence
figure 12.
Seuil pression max
Pression de test
Seuil pression min
∆P
Cette mise en œuvre apporte quelques avantages notables :
— gamme de mesure de 50 à 500 Pa → grande sensibilité ;
— résolution de l’ordre de 1 Pa.
Remplissage
Test
Stabilisation
Figure 10 – Cycle type en ∆P
R 2 055 − 12
Vidage Temps (s)
Si le comportement pendant la stabilisation est sensiblement
identique des deux côtés, c’est-à-dire si on a choisi comme référence une pièce similaire à celle testée, le temps de stabilisation (et
donc le cycle complet) est considérablement réduit. Mais, on peut
travailler sans référence (un volume permanent est conseillé).
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___________________________________________________________________________________________________________________ DÉTECTION DE FUITE
Les appareils de technologie différentielle sont un peu plus chers
que les testeurs précédents.
Pièce à tester
Manomètre
Remarque : s’il y a une fuite de chaque côté du circuit, seule la
différence sera prise en compte ! La référence doit être absolument étanche.
Capteur
Ptest
Le budget de l’appareil de base est d’environ 8 000 euros.
Figure 14 – Exemple de mesure indirecte
3. Mises en œuvre
du contrôle de l’étanchéité
Cloche
Ptest
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P = Cte → pas de fuite
P = fuite
→
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Manomètre
L’extension des méthodes de détection des fuites et leur application à des installations vastes et complexes, comme les centrales
nucléaires, a mis en relief le double aspect que revêtent ces
techniques : le contrôle d’étanchéité et la localisation des défauts.
Pièce
à tester
Vanne
3.1 Contrôle par variation de pression
Les considérations données par l’expression (8), § 1.2.2 montrent
que, dans le cas d’une enceinte isolée de l’atmosphère, et mise sous
une pression différente de la pression atmosphérique, le produit de
son volume, par la vitesse d’évolution de cette pression, conduit à la
valeur du flux de gaz que cette enceinte échange avec l’extérieur. Il
s’agit donc bien d’un test global. Nous allons voir dans les paragraphes suivants quelques variantes pour adapter la méthode au
contrôle que l’on veut effectuer.
3.1.1 Mesure avec zéro central
On appelle « 0 » central quand on teste deux pièces en même
temps, une de chaque côté du capteur différentiel, figure 13.
Ce principe peut être adopté quand la probabilité d’avoir deux
pièces mauvaises en même temps et extrêmement faible. Le taux de
pièce mauvaise définit le risque.
Figure 15 – Test sur composant scellé
Exemple : très haute pression (200 bar). Forme particulière de la
pièce, grande dimension mais, petite surface testée. Il est possible
d’augmenter la sensibilité en réduisant le volume concerné par le changement de pression.
3.1.3 Mesure sur composants scellés
Pour tester des pièces qui ont un volume interne non-négligeable
et qu’on ne peut pas connecter, on a une méthode figure 15 :
— la pièce est placée sous une cloche ;
— on met la cloche sous pression et on mesure ;
— si la pression baisse, cela signifie que l’air entre dans la pièce.
Dans le cas d’un test sous vide, la pression augmente en cas de
fuite.
3.1.4 Précautions à prendre
Dans la méthode de mesure par variation de pression, certaines
précautions sont à prendre. En effet, pour mesurer de très faibles
variations, il ne faut pas de variations parasites dues à d’autres phénomènes.
3.1.2 Mesure indirecte
Dans certains cas, il est difficile de mesurer la variation de pression sur le circuit de pressurisation lui-même.
On peut mesurer l’effet d’une fuite éventuelle sur l’environnement
de la pièce (chambre, ...), figure 14.
Trois points sont à surveiller :
a) le bouchonnage instable (liaison entre la pièce à contrôler et
l’appareil de mesure) ;
b) la température de la pièce au moment du test ;
c) l’environnement des tests.
Pièce
testée
EV
Stabilisation
Air comprimé
ou vide
EV
Remise à atm
EV
Test
Capteur
différentiel
de pression
Pièce
testée
Figure 13 – Vue schématique d’un testeur différentiel travaillant
en zéro central
Bouchonnage de la pièce : lors d’une mise en pression d’une
pièce, les joints de bouchonnage subissent des efforts. Il faut veiller
à ce que les joints ne bougent pas, car ils créeraient une variation de
volume, donc une variation de pression parasite. Les connecteurs
doivent être en butée mécanique (métal sur métal), le joint n’étant là
que pour assurer l’étanchéité, pas la position.
Température de la pièce à contrôler : lors d’une mise en pression
d’un objet testé, on injecte de l’air sec à température ambiante t1
dans un objet à température t2, lequel est dans un environnement à
température t3. Il est important de savoir qu’un écart trop important
entre ces trois températures créera des variations de pression au
moment du test, et donc rendra la mesure moins fiable.
Environnement des tests : vibration du banc de contrôle, température extérieure, etc.
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DÉTECTION DE FUITE
___________________________________________________________________________________________________________________
Précision de la mesure : l’étalonnage s’effectue à l’aide de fuites
calibrées qui permettent de mesurer in situ la chute de pression correspondant à une valeur de fuite connue.
Elle s’applique de manière identique pour l’hélium ou pour
l’hydrogène, bien qu’elle soit beaucoup plus répandue dans le
deuxième cas.
La précision de la mesure ne pourra donc pas être supérieure à
celle de l’étalon utilisé.
Concentration de départ : 0,5 ppm d’hydrogène ou 5 ppm
d’hélium.
Incertitude des étalons: ± 5 % jusqu’à 10 bar · cm3/min et ± 3 %,
au-delà de cette valeur.
S’il y a une ou plusieurs fuites, la concentration en gaz traceur va
augmenter dans le volume de la chambre entourant la pièce testée.
La vitesse d’augmentation de cette concentration est proportionnelle à la valeur de fuite. La sensibilité et la rapidité du test
dépendent du volume mort (volume de la chambre moins volume
de pièce) laissé.
Attention : la variation de pression étant aussi proportionnelle à la
variation de température, elle doit impérativement rester constante
pendant la mesure !
3.2 Trois autres manières de faire un test
global
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La pièce est placée dans un sac en plastique souple, dans lequel
le gaz traceur (généralement de l’hélium) est admis à la pression
atmosphérique. La sensibilité est meilleure que celle obtenue par la
localisation au jet, car on peut diminuer le bruit de fond de la
mesure, en pompant l’hélium de l’air qui était contenu dans la pièce.
3.2.2 Test global par reniflage
Les pièces sont, comme dans le cas précédent, enveloppées dans
un sac à l’intérieur duquel est relié le tube du renifleur. L’hélium est
admis dans la pièce par balayage ou en surpression. Un brassage
est assuré à l’intérieur du sac (qui peut être une cloche rigide) pour
assurer l’homogénéité de la concentration en gaz traceur en cas de
fuite.
La sensibilité du montage dépend surtout du bruit de fond dans
l’air du gaz traceur, puisque la mesure s’effectue à pression atmosphérique.
3.2.3 Contrôle par accumulation
La sensibilité d’un reniflage global peut être améliorée en mettant
la pièce pressurisée en gaz traceur dans une chambre solide dont le
volume est connu figure 16.
Ctraceur
concentration de gaz traceur dans la chambre
(ppm),
concentration en gaz traceur du mélange de test,
Qf
débit de la fuite (m3 · s−1),
V
volume mort (m3),
tacc
temps d’accumulation (s).
Ce contrôle s’adresse à des séries de petites pièces,
définitivement scellées, mais aptes à supporter une pression importante aussi bien interne qu’externe (composants électroniques, cartouches de matériaux fissiles, etc.). Il est utilisé avec un
spectromètre à hélium ou avec un détecteur à traceurs radioactifs.
Un lot de pièces est placé dans un caisson de pressurisation dans
lequel une pression de 0,5 à 3 MPa de gaz de test peut être établie,
durant un temps qui peut varier de quelques minutes à 24 heures.
Le gaz de test pénètre à travers les défauts éventuels. À l’issue de
cette période d’immersion, les pièces sont exposées à l’air (phase
d’aération), de façon à libérer au maximum leurs parois externes du
gaz de test absorbé. Les pièces qui comportent des grosses fuites
sont éliminées durant cette période par un contrôle rapide au renifleur (test grosse fuite).
Le reste des pièces est placé dans une cloche à vide reliée à un
détecteur de fuite, lequel recèle un ressuage du gaz à travers des fuites moins importantes. Celles-ci ne sont en effet mises en évidence
qu’entre deux limites, l’une supérieure pour laquelle le gaz test est
ressorti totalement de la fuite pendant le période d’aération, l’autre
inférieure, fonction des conditions d’immersion, du volume de la
pièce et de la sensibilité du détecteur. D’une façon courante, pour des
pièces de 2 cm3 de volume, ces valeurs sont de 5 · 10−4 Pa m3 · s−1 et
de 1 · 10−9 Pa m3 · s−1.
Ces valeurs ne correspondent pas à un débit mais à un défaut
débouchant. L’appareil s’étalonne sur une fuite calibrée mais, on ne
peut parler de précision de mesure sur ce type de défaut.
Patm
Volume chambre
minimum
Circulation d’air et reniflage
Figure 16 – Montage pour contrôle par accumulation
R 2 055 − 14
C
3.3 Contrôle par ressuage
Ce test est couramment pratiqué pour le contrôle d’appareils remplis de fréon ou d’hexafluorure de soufre (SF6). C’est une technique
qui également peut être utilisée avec un spectromètre à hélium ou
un détecteur d’hydrogène.
Pièce à tester – fixée
Qf
C = C traceur ------ ⋅ t acc
V
avec
3.2.1 Aspersion globale
Chambre de test
simple caisson
La concentration dans la chambre d’accumulation est donnée par
la relation :
3.4 Localisation des défauts
Ces méthodes sont au nombre de trois, suivant que le gaz de test
est appliqué à l’extérieur de la pièce, pressurisé à l’intérieur de celleci ou qu’il s’agit de grandes enceintes dans lesquelles la pression ne
peut s’éloigner sensiblement de l’atmosphère. Les méthodes de
localisation par voie humide, ou par décharge ne relèvent pas de
celles qui sont exposées ci-après.
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L’erreur humaine est donc toujours possible, de même que la valeur
de la fuite n’est pas connue avec une grande fiabilité.
Détecteur
Pistolet
aspergeur
Pièce
à contrôler
He
P = 10–2 mbar
Dans le cas d’un détecteur d’hydrogène, la sonde est promenée
par un opérateur sur la zone inspectée. Comme la sonde travaille
sans flux, c’est directement la teneur en hydrogène qui est mesurée.
Elle est plus importante au droit de la fuite. Pour une mesure calibrée de la valeur de fuite, seule une sonde active (avec débit de reniflage) pourra le permettre car elle peut être étalonnée. C’est une
configuration disponible de ces types de détecteurs.
3.4.3 Méthode locale à la ventouse
Bouteille d’hélium
Figure 17 – Test par aspersion d’hélium
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3.4.1 Méthode de localisation au jet
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La cellule détectrice doit être reliée à la pièce qui est mise ensuite
sous un vide approprié. Le gaz traceur détendu depuis une bouteille
est aspergé à l’aide d’une buse fine à débit réglable alimentée par
un tuyau souple figure 17.
La précision avec laquelle une fuite peut être localisée dépend
essentiellement du temps mis par le gaz traceur pour arriver jusqu’à
la cellule d’analyse.
Le temps de réponse de l’appareil est le temps au bout duquel le
signal du détecteur atteint 63 % de sa valeur finale.
Cette méthode est utilisée pour le test de cordons de soudure pratiqués sur de grandes pièces (cuve de réacteurs nucléaires). Le
détecteur est généralement un spectromètre à hélium relié à une
ventouse en élastomère qui épouse la forme du cordon. Cet accessoire est mis sous vide et l’hélium est appliqué au jet de l’autre côté
de la paroi ; à l’endroit de la ventouse.
3.5 Procédés de contrôle
Ils ont pour but de vérifier qu’une pièce ou un ensemble présentent une étanchéité qui satisfasse aux prestations qui leur sont attribuées. Une valeur globale de l’ensemble des fuites doit pouvoir être
donnée, la méthode ou l’appareil utilisé devant être à même de fournir des indications quantitatives, sans que l’on cherche à les localiser.
Ce temps de réponse est :
V
τ = -----qv
avec
V
volume à tester,
qv
débit-volume du dispositif de pompage
(attention : prendre la vitesse de pompage du gaz
traceur utilisé !).
Exemple : si V = 1 m3 et qv = 100 dm3 · s−1, on a τ = 1 s, ce qui est
admissible.
Un temps supérieur à quelques minutes rendrait hasardeux la
localisation, et allongerait le temps de l’opération. La vitesse de passage de la buse le long de la zone contrôlée doit en effet être
d’autant plus faible que la constante de temps est grande.
3.4.2 Localisation par reniflage
Cette méthode est fréquemment utilisée avec les détecteurs à
halogènes, à conductivité thermique, à capture d’électrons ou
d’hydrogène. On la rencontre également avec les détecteurs
d’hélium.
Dans la conception de banc de test par reniflage, assurez-vous
toujours que la pressurisation ne comporte aucun risque pour
l’opérateur, au besoin faites appel à un expert en conformité de
machine.
La pièce étant livrée pressurisée ou mise en légère surpression de
gaz test, le renifleur est déplacé sur les parties à contrôler, du haut
vers le bas si le gaz test est plus dense que l’air, du bas vers le haut
dans le cas contraire. Un soin particulier est demandé à l’opérateur
car une réponse franche n’est obtenue qu’au droit de la fuite.
3.6 Contrôle de fabrication
Il n’est pas conseillé de repousser le contrôle d’étanchéité d’un
appareil ou d’un système à la fin de son montage pour trois raisons :
— la localisation d’un éventuel défaut peut s’avérer bien plus
délicate, voire impossible ;
— cette localisation peut conduire à procéder au démontage de
l’élément défectueux en vue de sa remise en état, d’où un surcoût
de non-qualité ;
— il peut arriver que, dans le cas d’un assemblage définitif, on ne
puisse, ni accéder à la partie défectueuse, ni réparer. L’ensemble est
sorti du flux de production et jeté.
Les contrôles d’étanchéité doivent donc être opérés en cours de
fabrication, et des gammes doivent être établies pour les faciliter.
Exemple : pour les robinets, il est prudent de prévoir le contrôle de
l’étanchéité du corps avant le montage de l’obturateur et de sa commande.
De manière générale, à chaque étape apportant une valeur ajoutée substantielle au produit, il vaut mieux s’assurer que ce produit
répond aux normes de fabrication. Dans le cas contraire, ajouter de
la valeur à un produit qui n’en a plus, augmente le coût de production.
Il s’en suit que les contrôles s’effectueront sur :
— les produits semi-finis ;
— les pièces détachées ouvrées ;
— les éléments après soudage ;
— les sous-ensembles et pièces montés.
3.6.1 Choix du type de contrôle en fabrication
Le choix est guidé par plusieurs objectifs.
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DÉTECTION DE FUITE
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3.6.1.1 Objectif qualité
3.6.2.3 Fluide
Une pièce fabriquée doit répondre au cahier dicté par le rôle, les
différentes fonctions de la pièce, ainsi que par le client ou l’utilisateur final.
De quoi est remplie la pièce ? Quelle est la nature du fluide passant au travers des éventuelles fuites ?
3.6.1.2 Objectif coût
3.6.2.4 Sens de la fuite
L’objectif qualité est un impératif pour les sociétés en situation de
concurrence, les normes ISO 9000 sont la partie visible de l’iceberg.
Le contrôle intervient en fabrication comme une partie intégrante et
coûteuse, et les matériels doivent être de plus en plus performants,
rapides et moins chers. La viabilité d’un produit dépend autant de la
fabrication que de la pertinence du contrôle.
Le fluide va-t-il se déplacer de l’intérieur vers l’extérieur, ou le
contraire. Dans tous les cas, on a intérêt à respecter ce sens de fuite
lors du contrôle d’étanchéité.
3.6.1.3 Intégration et homogénéité du contrôle
en fabrication
Le processus de fabrication lui-même peut amener ou exclure une
méthode particulière du panel de solution.
Les appareils de contrôle doivent s’intégrer dans une chaîne de
fabrication, au même titre que les autres machines. Pour cela, il faut
qu’ils soient automatisables.
3.6.2.6 Produit lui-même
3.6.2 Cahier des charges d’un système de contrôle
Les intégrateurs répondent à un cahier des charges établi par le
client. Très souvent, le client n’est pas un spécialiste du contrôle
d’étanchéité et la rédaction de ce cahier des charges s’avère un exercice difficile.
Il existe une infinité de cahiers des charges possibles mais,
certaines informations clé permettent rapidement d’orienter son
choix vers des solutions répondant au besoin.
3.6.2.5 Fabrication du produit
La pièce à tester doit être à même de supporter ou de permettre
les conditions de test. Quelques fois, c’est le produit testé lui-même
qui exclue ou impose une méthode particulière.
3.6.2.7 Cadence
Certaines méthodes sont équivalentes en terme de sensibilité
mais, pas en terme de rapidité. La cadence, ou le temps disponible
pour chaque test unitaire, va également être déterminant pour le
choix de la technique.
3.6.2.1 Seuil de refus ou niveau de rejet
À partir de quel niveau de fuite considère-t-on que la pièce est
mauvaise ?
Cela implique qu’une pièce bonne peut fuir, mais suffisamment
peu pour ne pas nuire à l’efficacité ou la durée de vie du produit.
Un cahier des charges qui stipule : « nos pièces ne doivent pas
fuir » est irréaliste.
Le seuil de refus définit la sensibilité requise par le procédé retenu
pour le contrôle.
3.6.2.2 Pression de test
Quelle est la pression différentielle qui définit la valeur de fuite
maximale admissible ? La pièce peut-elle supporter plus ? Quelles
sont ses conditions de travail ?
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4. Conclusion
Les techniques disponibles sont variées, différentes en terme de
performance, de coût. Choisir la technique, qui assure un contrôle
nécessaire et suffisant, doit faire l’objet d’une analyse objective, qui
tient compte de tous les paramètres que nous venons de voir.
Le contrôle d’étanchéité se généralise et touche aujourd’hui les
bâtiments, l’emballage qu’il soit alimentaire ou pharmaceutique,
l’appareillage médical, etc. Autant de domaines où l’association de
la connaissance de la détection de fuite doit être associée au
domaine en question, pour que le contrôle d’étanchéité opère le tri
des produits défectueux en toute confiance et au moindre coût.
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Détection de fuite
par
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Bernard SEEMANN
Consultant en détection de fuite
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Bibliographie
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Références
Ouvrages généraux
[1]
Theory and practice of vacuum technology. Wutz
adam walcher Ed Vieweg.
[2]
TALLON (J.). – Contrôle industriel de l’étanchéité par traceur hélium. Société Française
du vide (1992).
Fundamentals of vacuum technology reference book. INFICON, Instrumentation catalog (2000-2001).
The conversion of leak rates. Vacuum Bd. no 8/9,
p. 329/33 (1980).
BLANC (B.) et al. – Guide de l’étanchéité. Société
Française du vide (1982).
Industrial leak testing. Leybold (1985).
Dans les Techniques de l’Ingénieur
Génie mécanique
MARTIN (J.). – Étanchéité en mécanique. [B 5 420]
(1985).
Thèse
CHRISTOPHE (M.). – Fuite monophasique au travers d’un contact rugueux. Université de Bordeaux (2002).
Normalisation
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Normes françaises et européennes. Association française de normalisation (AFNOR)
http://www.afnor.fr
(0)
NF E35-422
12/1999
Performances des détecteurs de fuite mobiles et des contrôleurs d’ambiance de fluides frigorigènes
halogènes.
PR NF EN ISO 10156-2
07/2003
Bouteilles à gaz – Gaz et mélanges de gaz – Partie 2 : détermination du potentiel d’oxydation des gaz et
mélanges de gaz toxiques et corrosifs.
ISO 10156
02/1996
Gaz et mélanges de gaz. Détermination du potentiel d’inflammabilité et d’oxydation pour le choix des raccords de sortie de robinets.
NF EN ISO 9000
12/2000
Systèmes de management de la qualité – Principes essentiels et vocabulaire.
NF EN ISO 9000-1
08/1994
Normes pour le management de la qualité et l’assurance de la qualité – Partie 1 : lignes directrices pour
leur sélection et utilisation.
NF EN ISO 9000-3
04/1999
Normes pour le management de la qualité et l’assurance de la qualité – Partie 3 : lignes directrices pour
l’application de l’ISO 9001 : 1994 au développement, à la mise à disposition, à l’installation et à la maintenance du logiciel.
Fabricants
(liste non exhaustive)
Variation de pression
Intégrateur
ATEQ SA
http://www.ateq.com
Innomatec GmbH
http://www.innomatec.de
Nolek
http://www.nolek.com
Bea
http://www.bea74.com
Fabricant de coquille et de ventouse (cf. § 3.4.3)
PXL
http://www.pxl-sa.com
Hélium
INFICON Sarl
http://www.inficon.com
Alcatel Vacuum Technology
http://www.adixen.com
PFEIFFER Vacuum France
http://www.pfeiffer-vacuum.de
Conductivité thermique, courant de décharge
SAPRE
http://www.sapre.fr
ATEQ SA
http://www.ateq.com
Hydrogène
Détecteur de fréon
Sensistor Technologies
http://www.sensistor.se
VULKAN France SA
http://www.vulkan.fr
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DÉTECTION DE FUITE
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Expertise
SEEMANN Bernard
Consultant en détection de fuite
66 rue Jean-Rameau
13012 Marseille
Tél./Fax : 04 91 49 90 56 – Portable : 06 60 96 07 71
http://www.bernard-seemann-consultant.com
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S
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