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Ensayos No Destructivos _________________________________________________________________________________________________________________________

LEAK TESTING – ENSAYO DE FUGAS TIPÁN AGUIRRE PABLO ANDRÉS Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador e-mail: [email protected]

Resumen: El siguiente documento tiene un estudio importante en los ensayos no destructivos, el cual se tendrá un claro objetivo, las aplicaciones en la Industria, y el procedimiento adecuado para que se pueda realizar el ensayo si ningún inconveniente, y que se pueda tener como resultado el óptimo resultado, que presenta este ensayo al momento de realizar un registro de mediciones, y de aprobación de ensayo. Además de una fuente teórica que explica el procedimiento de cómo se debe llevar acabo el ensayo aplicado a diferentes situaciones, los criterios de aprobación para que pase la normativa, aplicaciones industriales que desempeñan como industria ecuatoriana, si bien es cierto en el país el área de para realización de este método es aplicado solo en pequeñas áreas como es de tanques de presión y tuberías, lo que se pretende con este documento es tomar más en consideración este ensayo y que los profesionales aplique más este método además de prevenir, ciertos accidentes a causa de una mal mantenimiento y de los conocimientos acerca del tema, y concientizar a las personas para que obtén por este método que ayuda no solo aprevenir sino a la producción que este genera de forma más precisa y concreta en cualquier ámbito que este desempeñe. Gran variedad de equipos utilizados actualmente en la industria y particularmente en la actividad nuclear requieren, por razones operativas y de seguridad, un alto grado de hermeticidad. Existen normas expresas que establecen los requisitos y magnitudes que deben cumplir éstos elementos para ser habilitados a su funcionamiento mediante licencias de operación. Tal es el caso de cajas de guantes que contienen material físil, barras de combustibles, cápsulas de cobalto, entre otros. Unos de los sistemas más confiables empleados para garantizar la hermeticidad de estos elementos consiste en detectar fugas de helio mediante un espectrómetro de masas. Palabras clave: leak testing, fugas, hermeticidad, presión.

Abstract: The following document is an important study in non-destructive testing, which will have a clear objective, applications in Industry, and the proper procedure so that it can perform the test if any inconvenience, and that can result in the best results presented in this trial when making a record of measurements, and test approval. Besides a theoretical source that explains the process of how to carry out the test applied to different situations, the approval criteria to pass the legislation, industrial applications that serve as Ecuadorian industry, albeit in the country area for performing this method is applied only to small areas such as pressure vessels and piping, the aim with this paper is to take better account of this trial and that professionals apply more this method also prevent certain accidents due a poor maintenance and knowledge on the subject, and sensitize people to get by this method that helps not only to the production but it generates more precisely and concretely in any field that this play. Variety of equipment currently used in industry and particularly in the nuclear activity required for operational and security reasons, a high degree of tightness. There are specific rules that establish the requirements and quantities must meet these elements to be enabled for operation by operating licenses. Such is the case of glove boxes containing fissile material, fuel rods, and cobalt capsules, among others. One of the most reliable systems to ensure employees Keywords: leak testing, leak tightness, pressure. 1

1. INTRODUCCIÓN Las pruebas de detección de fugas son un tipo de prueba no destructiva que se utiliza en sistemas o componentes presurizados o que trabajan en vacío, para la detección, localización de fugas y la medición del fluido que escapa por éstas. Las fugas son orificios que pueden presentarse en forma de grietas, fisuras, hendiduras, etc., donde puede recluirse o escaparse algún fluido. La detección de fugas es de gran importancia, ya que una fuga puede afectar la seguridad o desempeño de distintos componentes y reducen enormemente su confiabilidad. Generalmente, las pruebas de detección de fugas se realizan:  Para prevenir fugas de materiales que puedan interferir con la operación de algún sistema.  Para prevenir fuego, explosiones y contaminación ambiental, o daño al ser humano.  Para detectar componentes no confiables o aquellos en donde el volumen de fuga exceda los estándares de aceptación. 

1Artículo recibido el XII, 2015; revisado XIV Agosto de 2015.

1 Ensayo No Destructivos - Agosto 2015, Vol. 1, No. 1, Páginas 1-4

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la industria de enlatado que el anillo para abertura falle, o una fundición porosa en una carcasa. Fugas causadas por defectos en el ensamble, se deben usualmente a uniones o sellos imperfectos entre las diferentes partes que forman el artículo final. Estos artículos contienen piezas desarmables o unidas permanente mente por soldaduras de arco, autógena, uniones de vidrio con metal, cerámica con metal, aro sellos, empaques etc. Materiales que permiten la difusión de gases o que son permeables en sus paredes. Figura 1. Método del Ensayo de Fugas, procedimiento de adición de presión.

La palabra fuga aparece en el ramo de recipientes herméticos y no solo tiene que ver con la tecnología de vacío, también este término es usado por los ingenieros que trabajan con presiones elevadas. Una fuga implica una fisura, perforación o porosidad en la pared de la envolvente que contiene o separa diferentes líquidos o gases permitiendo el escape de un medio cerrado. La función básica de la detección de fugas es la localización y medición de la fuga en productos o sistemas sellados. En la mayoría de los casos, una prueba de fugas es un paso en el control de calidad para asegurar la integridad de in sistema y es usualmente una prueba no destructiva. Algunos productos típicos en los cuales es necesario realizar una detección de fugas son: cámaras de vacío, televisores, tubos de rayos catódicos, componentes electrónicos sellados herméticamente, recipientes a presión, recipientes con aerosoles, recipientes con aislamiento al vacío (dewards), bombas, sistemas de refrigeración, plantas de químicos o nucleares, latas de bebidas, productos que incluyen fuelles metálicos, microscopios electrónicos, marca pasos etc. A pesar de que con las tecnologías modernas es prácticamente imposible fabricar envolventes selladas o un sistema que garantice ser a prueba de fugas sin que sean probados. La pregunta clave es: ¿Cuál es la fuga máxima aceptable para obtener un rendimiento y vida del producto aceptable?

Fuga virtual, es un tipo especial de fuga en la tecnología de vacío, la cual no significa que algo este entrando al sistema; pero que existe una fuente interna que genera gas o vapor. REQUISITOS DE ESTANQUEIDAD A modo de cuantificar la magnitud de las pérdidas admisibles en algunos contenedores, conviene recordar que las normas francesas e inglesas establecen grados de hermeticidad creciente, hasta exigir, para cajas de guantes del tipo construidas en la CNEA para plutonio (categoría d); un rango de pérdida admisible del 0,03 % del volumen confinado por hora. Las normas IRAM, que siguen los lincamientos establecidos por las normas DIN, requieren estrictas condiciones de estanqueidad para esos mismos equipos. Establecen muy bajas tasas de pérdidas en el tiempo, en condiciones muy estrictas en cuanto al mantenimiento de presiones y temperaturas en el recinto de ensayos de cajas de guantes. La tasa máxima de fuga para un determinado producto depende de la naturaleza del producto. Como el costo de la detección de fuga (y fabricación de estructuras herméticas) se incrementa de manera inversamente proporcional a la taza de fuga, esto nos lleva a un aumento del costo de producción debido a la detección de fugas. Algunos ejemplos de las fugas tolerables en diferentes elementos y sistemas se muestran en la tabla 1. Podemos observar un amplio intervalo de tamaños: de grandes con decimas de mBar l/S en sistemas con poco vacío, a millonésimas o más pequeños en sistemas electrónicos sellados. En este punto es posible decir que no existen productos ideales sin fugas, solo se puede especificar que tengan una fuga menor que cierto valor especificado. Elemento o sistema Equipo de proceso químico

Fuga máxima permisible 10 -1 a 1 mBar l/S

Podemos diferenciar dos tipos diferentes de fuentes de fugas: Lata de bebida

Fugas causadas por defectos, en el contenedor. Por ejemplo una pared muy delgada en una botella de plástico, la cual puede dar lugar a fisuras microscópicas cuando la diferencia de presión es lo suficientemente grande, o en el caso de

2

10-5 a 10-6 mBar l/S

Bomba dinámica de vacío

10-5 a 10-7 mBar l/S

Circuito integrado

10-7 a 10-8 mBar l/S

Marca pasos

10-9 mBar l/S

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Notas Para la mayoría de corrientes de proceso. Medido por la retención de CO2 En condiciones de bombeo continuo

Como implante por periodo largos en el cuerpo.

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Elementos sellados al vacío

10-8 a 10-10 mBar l/S

Por ejemplo TV y tubos de rayos X.

Tabla 1. Especificaciones de la taza de fuga para diversos elementos y sistemas.

MEDICIÓN DE VACIO Antes de utilizar el método de detección por fugas de helio conviene realizar una prueba de hermeticidad midiendo fugas por aumento de presión mediante instrumentos adecuados. Para hacer ensayos confiables deben disponerse de dos puntos de medición en el sistema. En la figura 2 se muestra una instalación con dos manómetros ubicados en la mejor posición.

Figura 2. Instalación de dos manómetros ubicados de mejor posición.

1. Bomba de vacío mecánica. 2. Válvula de cierre. 3. Bomba difusora. 4. Válvula de cierre. 5. Recipiente de vacío. 6. Válvula de entrada de aire. 7. Válvula de cierre. Es recomendable medir el aumento de presión por medio de un manómetro de compresión (Me Lead). Si se utiliza un manómetro de presión total (TIIERMOTRON o THERMO VAC), el cabezal del mismo debe ser conectado a una trampa de nitrógeno o aire líquido, ya que de lo contrario el instrumento detectará perdidas reales y perdidas virtuales. Debe tenerse en cuenta que el efecto del desgasado se debe a la presencia de gases condensables. MEDICIÓN POR AUMENTO DE PRESIÓN De acuerdo al esquema de la figura, se precederá cerrando todas las válvulas del sistema (4,6 y 7) tomando el valor de la presión y el tiempo de lectura en el manómetro 2. Se repetirá la medición a intervalos regulares los que dependerán del volumen contenido y de la hermeticidad del sistema probado. Pruebas de estanqueidad en tuberías También conocido como ensayo de fugas, las pruebas de estanqueidad suponen una garantía para el servicio óptimo de un sistema o proceso y, en ocasiones un compromiso con el medioambiente. Detecte y evite las fugas no deseadas. PRUEBAS DE ESTANQUEIDAD EN TUBERÍAS Las pruebas de estanqueidad tienen por objeto asegurar la ausencia de fugas en cualquier sistema en el que intervengan fluidos a presiones iguales o distintas a la atmosférica. Con independencia de las pruebas de presión, utilizadas además para la comprobación de la resistencia mecánica de los equipos a presión, suelen prescribirse ensayos de

estanqueidad que a presiones generalmente inferiores permitan detectar la presencia de fugas en las distintas fases de fabricación e instalación de un equipo, conjunto o sistema así como durante su puesta en servicio Los métodos de ensayo más habituales son: 1. Ensayo directo de burbuja, sometiendo a presión el circuito ensayado y utilizando una solución burbujeante por el exterior que permita poner de manifiesto una eventual fuga. 2. Ensayo de vacío, sometiendo a vacío la superficie exterior del objeto ensayado utilizando también una sustancia burbujeante (Ensayo por Caja de Vacío) 3. Ensayo de fugas de Helio o Halógenos empleando como sustancias trazadoras tales elementos que son introducidos en el objeto o conjunto a ensayar y utilizando equipos detectores de las mismas por el exterior. 4. Empleando sustancias fácilmente detectables por su olor o color característico. Se conocen varias técnicas de detección. Su sensibilidad se muestra en la figura 3. Debido a sus ventajas fijaremos nuestra atención en la técnica de espectrofotometría de masas para detectar helio; pero primero presentaremos una corta descripción de las otras técnicas.

Figura 3. Sensibilidad de diferentes métodos para detectar fugas

TIPOS DE PRUEBA DE FUGA La expresión “prueba de fuga” se refiere a un procedimiento capaz de verificar el hermetismo de un particular. A diferencia de la mayoría de los tipos de medición, tales como la dimensión o peso, la prueba de fuga requiere necesariamente un aparato automático. Pasamos a distinguir, antes de todo, dos tipologías de sistemas para pruebas de fuga: A) sistemas de verificación, generalmente dirigidos por el operador, con localización del punto de pérdida:  Verificación en agua con particular en presión (control visual)

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 Verificación con jabón con particular en presión (control visual)  Verificación con reactivos en presion y lámparas ultravioletas (control visual)  Verificación con gas (Helio) en presión (control con espectrómetro de masa)  Verificación con aire caliente (control visual a infrarrojo)  Verificación de variación de dieléctrico en particulares de plástico (sistema iónico de alta tensión)  Consulte con el gas de hidrógeno (a través de la sonda de control) B) sistemas automáticos con indicaciones de aceptación/rechazo y valor de pérdida:  Medición por medio de medida del flujo del particular en presión  Medición por medio de caída diferencial de presión entre particular en prueba y referencia muestra  Medición por medio de caída de presión del particular en presión  Medición de aumento de presión en campana Si por un lado, la primera clase de empleo (A) representa una área insustituible de prueba de control estadístico y fuera de línea que permite de localizar pérdidas pequeñas y analizar el defecto de manera visual, por otro lado, la instrumentación de tipo (B) representa la “barrera” efectiva o el filtro de final de línea en lo concerniente a la producción no conforme. Además la instrumentación de tipo (B), si utilizada por toda la producción, consiente de visualizar a lo largo del tiempo las posibles derivas de calidad. Analizada la evidencia de los principios de funcionamiento de los sistemas de medición de tipo (A), no nos explayaremos en una descripción técnica detallada. Se considere únicamente que los sistemas basados sobre espectrómetro de masa (“oledores” de helio), a pesar de que sean costosos tanto en términos de instalación como de gestión, se posicionan encima por la sensibilidad en términos de escape determinable en cualquier otro sistema describió. En cambio, los sistemas con agua, jabón o reactores, aunque, por un lado, permitan la localización de perdidas muy pequeñas tienen costes de realización irrisorios, no son automatizables y por tanto necesitan a la fuerza un control visual y por consiguiente un juicio por parte del operador. Este papel quiere también profundizar en los detalles técnicos los principios de funcionamiento y las consideraciones inherentes los instrumentos en presión de tipo aceptable/rechazable. La selección del método de ensayo más adecuado depende generalmente de los siguientes parámetros:  Valor del límite de pérdida admitida  Tipo de ensayo: localización de la pérdida o medición de la misma.  Especificaciones de la pieza a.: dimensiones, límites de resistencia a la presión o al vacío, materiales de ensamblaje, terminaciones de la superficie, etc. 4

 Condiciones de uso y de ensayo  Parámetros de seguridad y de ambiente 3. PROCEDIMIENTO 3.1. Materiales y Personas Involucradas  Manómetro  Gas Inerte ( en caso de que no se utilice Aire)  Dos Operarios 3.2. Herramientas  Cronómetro 3.3. Criterios de Aprobación En este ensayo de fugas los criterios se aplicaran en base a referencias normativas. En base a lo siguiente:  Verificación de conexiones  Verificación de ausencia de filtraciones  Verificación de la presión 3.4. Conjunto de Actividades En esta prueba de fugas se seguirá el siguiente conjunto de pasos, para cada uno. En el siguiente orden: FUGAS: 1. Prueba a realizarse con Aire, o gas inerte, el cual se puede llevar a cabo mediante tramos o todo el cilindro. 2. Previo a esta prueba verificar si está completamente sellado, válvulas, orificios, etc. Inspección primer operario. 3. Operar a presiones bajas, desde 15 a 20 KPa, mediciones bajo la lectura de un manómetro, Proceso llevado a cabo segundo operario. 4. Esperar 15 minutos para que se lleve a cabo la medición de la presión, hasta poder estabilizarse. 5. Una vez estabilizada la presión, tomar la lectura dada por el manómetro de tres a cinco veces. 6. Verificar que no exista disminución de presión, este lleva a cabo el primer operario. 7. Registrar la presión y duración de la prueba. 8. Evaluar fugas, en velocidad y desplazamiento que permita efectuar presiones estables. Nota: Si al tener la lectura dada por el manómetro no existe una caída de presión, se ha verificado que:  Que no exista fugas, por lo tanto pasa la prueba.  Registro y paso de calificación de prueba de fugas 4. APLICACIONES  Recipientes y componentes herméticos Para prevenir la entrada de contaminación o preservar internamente los fluidos contenidos. Por ejemplo: dispositivos electrónicos, circuitos integrados, motores y contactos sellados.  Sistemas herméticos Para prevenir la pérdida de los fluidos contenidos. Por ejemplo: sistemas hidráulicos y de refrigeración; en la industria petroquímica: válvulas, tuberías y recipientes.  Recipientes y componentes al vacío Para asegurar si existe un deterioro rápido del sistema de vacío con el tiempo. Por ejemplo: tubos

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de rayos catódicos, artículos empacados en vacío y juntas de expansión.  Sistemas generadores de vacío Para asegurar que las fugas se han minimizado y mejorar su desempeño. 5. REFERENCIAS [1] NTE- INEN. [2] http://atcinc.net/es/leak-testing-4/ [3] http://blog.utp.edu.co/metalografia/ensayos-nodestructivos/

[4] http://es.slideshare.net/miguelfive/pruebas-hidrostticaspor-burbujas- fugas-y-cambio [5] Leybold-Heraeus handbook. [6] Vacuum components standard systems. Leybold. [7] ISO international standard N° 3753. [8] ISO international standard N° I 35 [9] DIN 25 412

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