Fachbeitrag: Leckageraten verstehen – Wie aussagekräftig ist ein einzelner Messwert tatsächlich?

Wer einen Vakuumprozess betreibt oder instand hält, sollte verstehen, was die Leckagerate genau beschreibt, wie sie gemessen wird und welche Faktoren sie beeinflussen. Ebenso wichtig ist, wie sie sich auf die Prozessstabilität und die Auslegung des Systems auswirkt.

Die Einheit der Leckagerate
Die für die Leckagerate am häufigsten verwendete Einheit ist mbar·l/s (Millibar-Liter pro Sekunde). Um Leckageraten zu verstehen, müssen wir zunächst das Verhalten von Gasen betrachten. Da sich Gase verdichten können, lässt sich die Gasmenge, die durch ein Leck strömen kann, nicht allein durch Volumen oder Druck beschreiben. Wenn Gas aus der Umgebung in ein Vakuumsystem mit niedrigerem Druck gelangt, dehnt es sich aus. Aus diesem Grund wird die Gasmenge als Produkt aus Druck multipliziert mit dem Volumen (p·V) in der Einheit mbar·l angegeben.

Zusätzlich wird für die Leckagerate eine zeitliche Komponente benötigt, die angibt, wie viel Gas während eines bestimmten Zeitraums durch ein Leck strömt. Die entsprechende Formel wäre also p·V/t, ausgedrückt in mbar·l/s. Am Beispiel eines Gaszylinders lässt sich p·V gut veranschaulichen: Ein 50-Liter-Zylinder mit einem Druck von 200 bar enthält eine Gasmenge von 10.000 bar·l oder 10.000.000 mbar·l. Dabei wird deutlich, warum Druck und Volumen beim Vergleich von Gasmengen zusammen betrachtet werden müssen: Weder Volumen noch Druck allein reichen aus, um eine Gasmenge zu beschreiben.

Bei einer Druckanstiegsprüfung ist daher das Systemvolumen wesentlicher Teil der Berechnung. In einer großen Kammer bedeutet der gleiche Druckanstieg im gleichen Zeitraum eine viel größere Gasmenge als in einer kleinen Kammer. Deshalb muss das Ergebnis immer im Verhältnis zum geprüften Volumen interpretiert werden: Leckagerate = (ΔP × V) / t.

Hier die Aufschlüsselung:

• mbar: die Druckkomponente, die angibt, wie stark verdichtet das Gas ist
• Liter: die Volumenkomponente
• pro Sekunde: Zeitraum, innerhalb dessen die austretende Gasmenge gemessen wird

Zusätzlich sollte beachtet werden, dass je nach Branche und Region andere, äquivalente Einheiten gängig sind. So werden auch Pa·m³/s, Torr·l/s und sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) verwendet. Beim Vergleich von Spezifikationen, die in unterschiedlichen Einheiten angegeben sind, ist Vorsicht geboten. Zur Vereinfachung kann hier ein Einheitenumrechner verwendet werden, um schnell zwischen für die Leckagerate gebräuchlichen Einheiten umzurechnen und Fehlinterpretationen beim Vergleich von Werten zu vermeiden.

Faktoren, die die Leckagerate beeinflussen
Die Rate, mit der Gas durch ein Leck strömt, ist kein fester Wert. Sie ändert sich mit den Betriebsbedingungen und wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Betreiber sollten sich dessen bewusst sein, um Messungen korrekt zu interpretieren und keine falschen Schlüsse zu ziehen.

Der Einfluss des Drucks
Die Druckdifferenz an einem Leck ist der Unterschied zwischen dem Druck innerhalb des Vakuumsystems und dem Druck außerhalb. Dies gilt natürlich auch für druckbeaufschlagte Systeme gegen Atmosphärendruck oder einem reduzierten Druck. Generell lässt sich sagen: Je höher die Druckdifferenz, desto höher die Leckagerate, da die Druckdifferenz den Gasfluss antreibt. Der Zusammenhang ist jedoch nicht ganz so einfach. Mit zunehmendem Vakuum steigt die Leckagerate nicht unbegrenzt weiter an.

Ab einem bestimmten kritischen Wert bestimmt die Druckdifferenz nicht länger den Gasfluss. Nach dem Übergang in den Bereich der sogenannten "verblockten Strömung" wird der Durchfluss durch eine weitere Druckreduzierung nicht mehr erhöht. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich eintretendes Gas mit zunehmendem Vakuum auf ein größeres Volumen ausdehnt, sodass die Vakuumpumpe einen höheren Volumenstrom bewältigen muss.

Der Einfluss der Temperatur
Die Temperatur wirkt sich in zweierlei Hinsicht auf die Leckagerate aus: durch das Gas selbst und durch das Material der Bauteile im System. Gasmoleküle bewegen sich bei höheren Temperaturen schneller, wodurch sich der Durchfluss durch einen bestimmten Leckpfad erhöht. Vor allem aber dehnen sich Dichtungsmaterialien temperaturabhängig aus bzw. ziehen sich zusammen, z. B. O-Ringe, Dichtungen und Polymerschläuche: Bei Kälte werden sie hart und ziehen sich zusammen, bei Wärme werden sie weich und können sich verformen. Auch auf die Durchlässigkeit der in Vakuumsystemen verwendeten Materialien hat die Temperatur Einfluss. Dies fällt besonders bei Elastomeren ins Gewicht, deren Permeabilität mit steigender Temperatur deutlich zunehmen kann.

Ein System kann bei Umgebungstemperatur dicht erscheinen, während bei normaler Betriebstemperatur eine messbare Leckage auftritt – oder umgekehrt. Systeme, die große Temperaturunterschiede durchlaufen, sollten immer unter repräsentativen Betriebsbedingungen geprüft werden.

Der Einfluss der Position der Leckage
Während die Vakuumpumpe aktiv pumpt, herrscht im System ein Druckgradient, bei dem der Druck am Pumpeneinlass am niedrigsten ist und zum Prozessende hin allmählich ansteigt. In kompakten Systemen mit kurzen Rohrleitungen ist das Druckgefälle minimal, bei längeren oder engeren Rohrleitungen ist es stärker ausgeprägt.

Ein Leck in der Nähe des Pumpeneinlasses weist daher die größte Differenz zwischen internem Druck und Atmosphärendruck und entsprechend die höchste Leckagerate bei gleicher Defektgröße auf. Ein ähnlicher Defekt, der sich näher am Prozess befindet, wo der Druck höher und die Druckdifferenz geringer ist, lässt weniger Gas hindurch.

Der Einfluss der Gasart
Auch die Gasart spielt eine Rolle – inwiefern, hängt vom Druck im System ab. Bei höherem Druck, wenn die Gasmoleküle sich dicht beieinander befinden und sich zusammen bewegen, bestimmt die Viskosität des Gases, wie leicht es durch eine Leckage strömen kann. Bei niedrigerem Druck, wenn sich die Moleküle unabhängiger und in größerem Abstand zueinander bewegen, wird das Molekulargewicht zum entscheidenden Faktor, da leichtere Moleküle auch leichter durch das Leck strömen.

Dies ist besonders relevant bei Prozessen, in denen andere Gase als Luft verwendet werden, also z. B. Stickstoff, Argon, Kältemittel, Wasserstoff oder andere Inertgase, da die tatsächliche Leckagerate in diesen Fällen vom Ergebnis einer Prüfung mit Luft abweichen kann.

Der Einfluss der Leckagerate auf die Prozessstabilität
Da sowohl Druck als auch Temperatur Auswirkungen auf die Leckagerate haben und beide Größen in den meisten Anwendungen nicht konstant bleiben, ist die effektive Leckagerate kein Festwert. Mit sich ändernden Betriebsbedingungen verändert sich auch die Leckagerate. Dies führt zu Schwankungen im Prozess, deren Ursache oftmals schwer zu ermitteln ist.

Die Auswirkungen dieser Variabilität unterscheiden sich je nach Prozess. Bei der Wärmebehandlung führt eine zwischen den Chargen schwankende Leckagerate zu Veränderungen der Atmosphäre in der Kammer. Die Folge können eine uneinheitliche Oxidation und eine schwankende Oberflächenqualität sein. In chemischen Prozessen bedeutet eine schwankende Leckagerate geringfügig unterschiedliche Vakuumbedingungen zwischen Chargen, was die Reaktionsgeschwindigkeiten und Produktkonsistenz beeinträchtigen kann.

Wie die Leckagerate die Systemauslegung beeinflusst
Nicht jedes Leck verursacht sofort einen Prozessausfall, was ein falsches Gefühl der Sicherheit vermitteln kann. Wenn das System weiterhin funktioniert, wird das Leck oft als akzeptabel betrachtet und nicht weiter beachtet.

Was dabei außer Acht gelassen wird, ist die Auslegungsreserve. Vakuumprozesse werden mit einem gewissen Reserve-Saugvermögen zur Berücksichtigung realer Betriebsbedingungen ausgelegt. Ein Leck zehrt diese Reserve schleichend auf. Das System funktioniert weiterhin, jedoch mit geringerer Toleranz gegenüber allen anderen Faktoren, die zusätzliche Anforderungen bedeuten können, wie z. B. eine nachlassende Dichtung an anderer Stelle, eine Änderung der Prozessbedingungen, etwa eine erhöhte Dampfbelastung, oder einfach der fortschreitende

Verschleiß anderer Bauteile.
Bis das Leck ein merkliches Problem verursacht, ist die Reserve bereits aufgebraucht. Und was als akzeptable Leckagerate begann, ist zu dem Grund geworden, aus dem das System nicht mehr läuft.

Ein Leck führt nicht zwangsläufig zu einem Ausfall. Doch es zehrt an der Sicherheitsreserve, bis ein Ausfall unvermeidbar wird.

Fazit
Die Leckagerate ist kein einzelner, feststehender Wert. Sie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Druck, Temperatur, Stelle der Leckage und Gasart. Ein Leck, das unter bestimmten Bedingungen unbedeutend erscheint, kann sich unter anderen Umständen als kritisch erweisen. Nur wer die Faktoren versteht, die die Leckagerate bedingen, kann diese wirksam beheben.

Praktische Maßnahmen

• Führen Sie Prüfungen unter Betriebsbedingungen durch. Leckageratenmessungen bei Umgebungstemperatur oder im Grobvakuum spiegeln möglicherweise nicht die tatsächliche Leistung wider. Führen Sie Prüfungen unter repräsentativen Betriebsbedingungen durch.
• Berücksichtigen Sie das Systemvolumen. In einem großen System kann auch ein kritisches Leck bei der Prüfung unentdeckt bleiben. Bei Anwendung der Druckanstiegsmethode muss das Ergebnis im Kontext des Systemvolumens interpretiert werden: Leckagerate = (ΔP × V) / t.
• Legen Sie fest, welche Leckagerate für Ihren Prozess akzeptabel ist. Es gibt keine universell akzeptable Leckagerate. Legen Sie Ihren Grenzwert basierend auf Ihren Prozessanforderungen und der verfügbaren Sicherheits-Auslegungsreserve fest, nicht auf der Grundlage allgemeiner Faustregeln.
• Überwachen Sie die Leckagerate im Laufe der Zeit. Eine einzelne Messung ist wenig aufschlussreich. Ein steigender Trend weist darauf hin, dass Ihre Reserve aufgezehrt wird und Handlungsbedarf besteht, bevor es zu einer Leistungsbeeinträchtigung kommt.
• Warten Sie nicht bis zum Ausfall. Bis ein Leck ein sichtbares Problem verursacht, ist die Auslegungsreserve bereits aufgebraucht. Nehmen Sie Dichtheitsprüfungen in Ihr reguläres Wartungsprogramm auf und reagieren Sie frühzeitig und geplant auf Abweichungen.