Leckagen sicher finden mit Wasserstoff

Dipl.-Ing. (FH) Axel Hollain, Entwicklung, Mesystec GmbH & Co. KG, Brüggen

Man kennt das ja, ein Produkt hat den langen Weg durch die Fertigung hinter sich gebracht und ist nun endlich fertig. Es muß „nur noch“ auf Dichtheit geprüft werden, um an den wartenden Kunden ausgeliefert zu werden.

Und je nach dem wie hoch die Anforderungen und die Qualitätsansprüche an das Produkt geknüpft sind, desto genauer muss das Prüfverfahren sein, mit dem die Dichtheit nachgewiesen werden muss. Am gebräuchlichsten sind mittlerweile gängige Druckanstiegs- oder Druckabfallsysteme, auch die Detektion von Gasblasen über Ultraschallsensorik wird eingesetzt.

Ganz zu schweigen von der klassischen Methode, den Prüfling unter Druckabschluss ins Wasserbad zu tauchen und rein visuell auf austretende Luftblasen zu achten, um dann (entsprechende Erfahrung vorausgesetzt), entscheiden zu können, ob der Prüfling i.O. oder n.i.O. ist.

Jedes Unternehmen wägt diese Frage nach Aufwand und Nutzen der angebotenen Lösungsvorschläge ab. Dabei sollten u.a. folgende Auswahlkriterien für das geeignete Prüfverfahren herangezogen werden:

– Ist das Prüfverfahren genau genug?

– Wie lange dauert eine Prüfung?

– Auf welche Queremp- findlichkeiten (zum Beispiel Temperaturdrift bei Druckmessungen) muss man bei der Messung achten?

– Wie groß sind Aufwand und Kosten, die für die evtl. Nacharbeit eines schlechten Prüfteils anfallen?

Speziell der letzte Punkt spielt in vielen Unternehmen eine nicht zu vernachlässigende Rolle.

Leckagen an zu prüfenden Produkten nachzuweisen ist die eine Sache, die genaue Ortung der undichten Stelle ist eine andere.

Das Verfahren, welches hier vorgestellt wird, arbeitet nach der Tracergasmethode (Spürgasmethode). Dieses Verfahren ist zwar nicht neu, aber mit dem Lecksuchgerät H2100 ist eine praxisorientierte, effiziente Alternative zu den herkömmlichen Systemen am Markt erschienen.

Das arbeiten mit Tracergas bedeutet, dass der Prüfling mit einem Gas beaufschlagt wird, welches mit einem geeigneten Detektor an der Leckstelle geortet werden kann.

Der Vorteil dieser Dichtheitsprüfung liegt darin, dass man mit der Sondenspitze direkt an der Oberfläche des Prüflings entlanggeht und das Gas, welches an der Leckstelle entweicht, sofort detektieren kann. Bei dem H2100 handelt es sich um ein kleines, akkubetriebenes, tragbares Gerät, das über ein Kabel mit einer Handsonde verbunden ist.

Es ist für die Messung von Wasserstoff konzipiert und lässt sich in drei Messbereichen betreiben. Im Gegensatz zu anderen Lecksuchgeräten befindet sich der Sensor direkt in der Handsondenspitze, ein Umstand der gleich mehrere positive Eigenschaften mit sich bringt: Die Messprobe muss nicht erst über eine Pumpe angesaugt werden, die Reaktionszeit (ca. 2 Sek.) vom Eindringen des Gases in den Sensor bis zur Signalausgabe am Gerät, ist im Gegensatz zu Lecksuchern mit Pumpe viel kürzer, die Länge der Verbindungsleitung kann je nach Einsatzzweck variieren.

Die Auswertung des Sensorsignals findet Mikroprozessor gesteuert im Gerät statt, welches die gemessene Gaskonzentration optisch über eine LED-Balkenanzeige und akustisch über einen Warnton, (in der Frequenz dem Signal entsprechend) ausgibt.

Tracergase gibt es verschiedene, zum Beispiel He (Helium), SF6 (Schwefel Hexaflorid) oder N2O (Lachgas) um nur einige zu nennen. H2 Wasserstoff dagegen ist relativ neu in dieser Verfahrenstechnik. Ein Grund dafür war, dass es keine geeignete Sensorik für dieses Gas gab.

Mittlerweile ist die Halbleiterindustrie soweit, es gibt kleine Chipsensoren, die selektiv auf Wasserstoff reagieren. Diese Sensorik beruht auf der Grundlage von Edelmetallen (zum Beispiel Palladium), welches in Verbindung mit Wasserstoff ein Metallhydrid bildet und dadurch seine elektrischen Eigenschaften ändert.

Das wohl am häufigsten in der Industrie anzutreffende Tracergas ist das Helium.

Es ist nicht brennbar, ungiftig und die Hintergrundkonzentration in unserer Atmosphäre ist sehr gering (ca. 5 ppm). Dieses Gas hat eine niedrige physikalische Dichte und lässt sich hochauflösend detektieren, zum Beispiel über die Massenspektrometrie. Wasserstoff wurde dagegen lange Zeit nicht eingesetzt weil es wie schon erwähnt keine geeignete Sensorik gab, ein weiterer Grund dürfte auch die Angst bzw. der Respekt vor dessen Brennbarkeit gewesen sein (oder die Frage: Wie händelt man dieses Gas am sichersten?).

Aber bei der richtigen Anwendung eignet sich Wasserstoff hervorragend als Tracergas.

Gegenüber Helium ist Wasserstoff deutlich preiswerter, die Wasserstoffmoleküle sind kleiner und leichter als die des Heliums. Dadurch bewegt es sich viel agiler und schneller durch Leckagen. Wasserstoff haftet dadurch auch nicht so leicht an Oberflächen, wie es zum Beispiel beim Helium der Fall ist. Diese negative Eigenschaft des Heliums läßt das Arbeiten an einem durch ein Grobleck verursachten mit Helium „verseuchten“ Arbeitsplatz mehrere Minuten unmöglich machen.

Bei der Verwendung von Wasserstoff als Tracergas nimmt man aus Sicherheitsgründen handelsübliche Mischungen aus Stickstoff und Wasserstoff. Hier hat sich das Formiergas 5 durchgesetzt, welches auch in der metallverarbeitenden Industrie als Schutzgas beim Schweißen Verwendung findet. Das Formiergas 5 ist eine Mischung aus 95 Prozent Stickstoff N2 und 5 Prozent Wasserstoff H2, also eine relativ verdünnte Konzentration. Durch die sensible Sensorik des H2100 ist es dennoch möglich, kleinste Leckagen zu detektieren. Schon eine Konzentrationserhöhung von 1 ppm (vor der Leckageöffnung) führt zur deutlichen Signalgebung. Dies ermöglicht, selbst unter Feld-Arbeitsbedingungen, Leckraten in der Größenordnung von 1*10-5 cm3/s aufzuspüren. Die Ungefährlichkeit von Formiergas 5 ist in der ISO 10156 festgelegt. Hier werden H2/N2-Mischungen bis zu einem Wasserstoffanteil von 5,7 Prozent als unbrennbar deklariert.

Das Einsatzgebiet für die Dichtheitsprüfung mit Wasserstoff ist breit gefächert. In der Automobilindustrie findet sie zum Beispiel Anwendungen im Bereich der Qualitätssicherung für die Serienproduktion von Benzinpumpen, hier wird die Tracergasmethode jedoch nicht mit einem Handgerät manuell ausgeführt, sondern mit einer vollständig automatisierten Version. In der Chemischen Industrie kommt die manuelle Suchtechnik zum tragen, wenn es darum geht, Rohrleitungssysteme und deren Verbindungsstellen auf Dichtheit zu prüfen. Auch im Bereich der Betreiber von Industrieöfen findet das H2100 seinen Einsatzzweck. Speziell hier ist es so, dass das Prüfmittel Formiergas gar nicht erst zusätzlich herangezogen werden muss, weil es in vielen Fällen als Oxydationsschutz des Stückkguts im Ofen schon vorhanden ist. Das heißt, ein mit Formiergas gefluteter Ofen lässt sich mit dem handlichen, tragbaren Gerät leicht an den in Frage kommenden Stellen überprüfen. Durch den flexiblen, biegsamen Handsondenhals am H2100 kommt man auch an sonst unzugängliche Stellen wie zum Beispiel die Verrohrung von PKW Klimaanlagen.

Auch im Handwerk lassen sich Arbeitsprozesse wie die Überprüfung von Wasserleitungen oder Fußbodenheizungen vereinfachen. Dort wo das Leitungssystem mit Druckluft beaufschlagt wird, um dann über einen längeren Zeitraum einen Druckabfall festzustellen, weiß man immer noch nicht wo sich die Leckagen befinden. Wird das System dagegen mit Formiergas gefüllt, braucht man mit dem Handgerät nur noch den Leitungen und deren Verbindungen zu folgen und findet direkt die fehlerhaften Stellen. Zusammenfassend hat sich das H2100 im Bereich der Leckortung bereits bestens in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten bewährt. Der Sicherheit der Produkte und der Zufriedenheit der Kunden steht mit diesem Prüfmittel nichts mehr im Wege.