In questo articolo affronterò una tematica strettamente legata all’efficienza operativa del vostro forno: la perdita di vuoto. Vedremo quindi quali sono le cause che possono scatenare una perdita di vuoto nel forno, la strumentazione da utilizzare per localizzare tali perdite e, infine, due condizioni per effettuare controlli di tenuta del forno (leak test).

Come capire se ci sono perdite nel sistema da vuoto

Il forno a vuoto è un prodotto complesso per cui i singoli elementi che lo compongono devono essere collaudati singolarmente prima dell’assemblaggio.

La camera da vuoto è costituita da un cilindro in acciaio (vessel), con portello di accesso, a cui è applicata una camicia in ogni sua parte, per la circolazione dell’acqua di raffreddamento. Trattandosi di un forno alimentato ad energia elettrica, che ha una camera termica a temperatura elevata e guarnizioni di tenuta in elastomero, è bene che l’acqua di raffreddamento del vessel e componenti associati, sia tale da mantenere ogni parete a temperatura bassa (minore di 150°C).

Il test di tenuta del vuoto, completato in ogni sua parte, deve essere eseguito a freddo evitando di introdurre acqua in camicia. Si renderebbe impossibile la ricerca di una eventuale perdita, poiché l’acqua ostruirebbe anche il possibile microforo ed evaporando, per effetto del vuoto, ghiaccerebbe localmente impedendo il passaggio del gas di ricerca.

Teniamo conto che si capisce abbastanza presto se esistono perdite nel sistema. Durante il ciclo termico, in presenza di una microperdita, i particolari trattati presentano una velatura di colore e non il bianco “mate” tipico dei materiali trattati in vuoto. Sfortunatamente la superficie metallica di un particolare trattato ad alta temperatura in vuoto è estremamente reattiva e nella fase di raffreddamento, nella fascia tipica di temperatura alla quale si formano gli ossidi (attorno a 600°C semplificando), cattura anche tracce minime di ossigeno. Perdurando nell’uso del forno, vengono intaccati anche i materiali di isolamento della camera termica ed il resistore stesso.

• Se la camera termica ha un isolamento in wafer di grafite, questo perde la sua consistenza e si svuota perdendo la sua capacità di isolamento.
• Se la camera è metallica, realizzata con schermi multipli riflettenti in molibdeno e così il resistore, la presenza di ossigeno (aria) o di vapore acqueo, inizialmente crea ombrature di ossido, sulla schermatura riflettente, situazione che mette in crisi l’uniformità termica del forno, successivamente questi ossidi vengo evaporati e si assottiglia lo spessore del materiale.

Un elemento nel quale è più facile che si determinino perdite è rappresentato dallo scambiatore di calore responsabile del raffreddamento e quindi del risultato del rinvenimento sulla carica. E’ un elemento, fortemente caricato termicamente, che svolge correttamente la sua funzione di raffreddare il gas pressurizzato, ma che per la combinazione di alta temperatura e circolazione dell’acqua può manifestare nel tempo microperdite (di acqua) per effetto di fenomeni di corrosione (tipologia dell’acqua) o di dilatazioni del fascio tubiero per gli stress termici.

Altra condizione che invece può portare a perdite di aria (aria che entra nella camera di vuoto) è quando si sostituiscono termocoppie (di carica o di regolazione). Se l’operazione è fatta da personale poco esperto, c’è il rischio di rovinare la guarnizione e quindi di determinare una perdita.

Cercafughe ad elio: come interpretare i segnali emessi

L’uso dell’elio quale gas tracciante per la ricerca delle perdite è ormai consolidato nei principali settori industriali, specie in quelli ad alto contenuto tecnologico, e si sta diffondendo rapidamente anche in altri settori a causa delle sempre maggiori esigenze qualitative.

Ma come funzionano i cercafughe ad elio? Sono strumenti che permettono di localizzare le perdite e di determinare la dimensione della perdita con una misura del flusso di elio che attraversa l’orifizio. Il segnale da una misura della perdita espressa in mbar x l / s. La sensibilità di tale strumentazione è elevata e si arriva a misurare perdite nel campo di E-12 in mbar x l / s.
È necessario che i test siano effettuati da personale specializzato o altamente qualificato e autorizzato. A questo scopo, Furnacare è il nostro partner nordamericano impegnato ad assicurare una corretta manutenzione che include controlli periodici per la rilevazione di fughe nel rispetto degli standard richiesti.

Si usa l’elio poiché questo gas ha un atomo con la dimensione più piccola e pertanto penetra dove altri gas non potrebbero segnalare nulla. Inoltre, è un elemento normalmente non presente nell’ambiente, per cui la rilevazione è meno affetta da rumore di fondo. Infine, a differenza dell’idrogeno, che pure potrebbe essere usato per questo scopo, è un gas inerte, e quindi può essere maneggiato in maniera più semplice e sicura.

Andiamo ora a vedere come eseguire il test di tenuta utilizzando il cercafughe ad elio.

Come eseguire il test di tenuta in un forno a vuoto

Sono due le condizioni per fare il test di tenuta con il cercafughe ad elio:

1. La meno sensibile è quando si pressurizza il sistema a tenuta e si usa un "annusatore" sul lato esterno per localizzare eventuali perdite. Poiché l’elio è un gas molto leggero (rispetto all’aria) tende a salire. Per questo motivo, la ricerca deve iniziare dalle posizioni più basse e risalire lentamente verso l’alto. In questa modalità di ricerca la sensibilità è minore, poiché il cercafughe non è collegato con l’apparecchio da testare e questi lavora col prevuoto dello strumento (ingresso di aspirazione tra pompa turbomolecolare e pompa a vuoto). Questa modalità si usa solitamente quando si testano componenti che nel funzionamento normale saranno pressurizzati ed installati all’interno di una camera da vuoto, come ad esempio uno scambiatore di calore a fascio tubiero, prima che vengano effettivamente installati.
2. L’altra condizione in cui si può effettuare il test di fuga consiste nel porre il sistema in vuoto, connettere il cercafughe direttamente con l’ambiente interno evacuato e spruzzare l’elio all’esterno del recipiente. Per le stesse ragioni di cui sopra, in questo caso la ricerca deve iniziare dalle posizioni più alte e scendere lentamente verso il basso. In questo modo si riduce il rischio che l’elio venga aspirato da un punto diverso da quello in cui viene spruzzato, in quanto si suppone che le perdite localizzate al di sopra del punto corrente siano già state localizzate ed eliminate.

Questa modalità è quella più appropriata per il test della camera da vuoto. In questo caso, dopo aver completato la ricerca di perdite dall’esterno spruzzando elio in tutti i punti di possibile perdita all’esterno del recipiente, si pressurizza la camicia a verificare che non si segnalano perdite nel vessel, poi si pressurizza lo scambiatore a verificare anche qui l’assenza di perdite.

E’ facile, se l’operazione è condotta senza le attese necessarie, che venga aspirato elio fino a saturare lo strumento, dopo di che deve essere messo in attesa che la testa sensibile contaminata si ripulisca da tracce di elio al suo interno.

Non tutto funziona così semplicemente come descritto. Il segnale dello strumento, nei sistemi più grandi, non raggiunge mai i valori massimi, ma si posiziona in assenza di perdite a valori superiori. Se il segnale non presenta variazioni in tempi vicini, questa è già una indicazione di buona tenuta. Il problema è quando invece si trovano segnali variabili, che possono invece essere indicativi di perdite estremamente piccole se siamo nel campo di 1E-8 mbr x l / s. A questo punto è estremamente difficile interpretare la lettura del cercafughe. Solo un esperto può capire se l’incertezza è determinata da degasaggi della testa di misura o da una microperdita effettiva.

Una qualsiasi perdita di tenuta può compromettere l’efficienza del forno. Vorresti condividere con noi situazioni in cui hai riscontrato la presenza di perdite nel forno a vuoto? La tua esperienza potrebbe essere utile agli altri utenti per sapere di più sulle perdite nei forni sottovuoto.