Les infraestructures científiques avançades requereixen connexions hermètiques que s'ha de treballar en condicions extremes. Aquestes interfícies elèctriques han de combinar integritat contra el buit, resistència a la radiació, aïllament a altes tensions i fiabilitat a llarg termini.
De l'expertesa demostrada a nous desafiaments científics
Els connectors ermètics són uns dels components més petits dels sistemes que serveixen. A més, són també els més crítics. Un conjunt de magnetes superconductors requereix anys d’enginyeria, mesos d’assemblatge i un procés de posada en marxa que no es pot repetir fàcilment. Un cop instal·lat i refrigerat, les seves interfícies elèctriques ja no són accessibles.
Per tant, un connector que perd la seva estanquitat pot obligar a escalfar tota la unitat, desmuntar-la i tornar-la a posar en funcionament. En altres paraules, la intervenció no es mesura en els components substituïts, sinó en els mesos d’inactivitat. El flanc que porta aquests connectors no és un accessori. És, sobretot, un component que no pot fallar.
En aquest context, la tecnologia creada per a un programa científic sovint resol el mateix problema en un altre. Per exemple, VAC-TRON va treballar amb GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i ASG Superconductors en el projecte FAIR (Instal·lació per a la Investigació d'Antipartícules i Ions). Els mètodes d'enginyeria, el coneixement tècnic de fabricació i les pràctiques de validació procedents de l'ecosistema de l'ITER van ser incorporats directament a una nova família de connectors hermètics personalitzats per a imants superconductors.
Com a resultat, l'expertesa adquirida en la investigació de la fusió ara serveix per a la física de partícules d'avantguarda.
FAIR i els multiplets superconductors Super-FRS
FAIR Està en construcció a Darmstadt, Alemanya. És una de les infraestructures de recerca més ambicioses del món per a l’estudi dels ions, els antiprotons i la matèria nuclear. El seu separador de fragments super (Super-FRS) guia, enfoca i separa els raigs de partícules mitjançant multiplets superconductors construïts per ASG Superconductors. Cada multiplet emmagatzema diversos imants de diferents tipus en un únic criostàtic, amb els bobinats en heli líquid a temperatures properes al zero absolut.
Aquests conjunts pesen entre trenta i setanta tones, i el més pesant d’ells arriba als setanta. A dins, cada presa de voltatge, sensor de temperatura, sonda de nivell d’heli i línia de diagnòstic ha d’estar connectada amb el món exterior. Cada un d’ells travessa dos límits diferents a través de connectors hermètics muntats a la torreta del criostat: un límit d’heli a pressió i un límit d’aïllament a buit. A més, cada límit imposa la seva pròpia combinació de requisits de seguretat contra fuites, pressió i dielèctricitat.
Per satisfer aquestes demandes, VAC-TRON va desenvolupar solucions de connectors hermètics personalitzades amb superconductors GSI i ASG, dissenyades per a la integració en els conjunts magnètics del Super-FRS.
Escala i geometria: Mides dels connectors ermètics i les seves brides
En la majoria de discussions sobre connectors ermètics, el flanc és considerat com un component d'embalatge. Aquí es tracta d'un component estructural, tèrmic i dielèctric per si mateix. Per tant, les seves dimensions determinen gran part de l'enginyeria.
Les interfícies d'aquest programa varien des de DN 100 fins a DN 350 en acer inoxidable. Una única vàlvula porta a terme entre dos i onze conductes de connexió. Les configuracions dels pins varien segons la vàlvula, ja que ho fan els senyals. Una vàlvula de voltatge, un sensor de temperatura, una sonda de nivell d'heli i una línia de diagnòstic tenen diferents quantitats de conductors, necessitats d'aïllament diferents i conseqüències diferents en cas de fallada. Un conjunt complet pesa des de menys de sis quilos al final més petit fins a més de trenta al més gran.
Aquests números són importants per tres raons que són fàcils de passar per alt fins que es té el component en mans.
Manutenció
No es pot manipular un flanc d'acer inoxidable de trenta quilos com un producte acabat de fabricar, sobretot amb dotzenes de connectors de vidre a l'interior. Per tant, cada unitat s'envia amb un cargol elevador, protectors individuals per als pins i un embalatge amb suport de foam. Al cap i a la fi, el moment més probable de danyar una junta hermètica no és durant el funcionament, sinó durant el desmuntatge i la instal·lació.
Distorsió
Soldar dotzenes de connectors en una placa d'acer inoxidable gruixuda empenta la calor cap a la peça. No obstant això, la seva planitud i la seva superfície de soldadura són part de la especificació, i la cara de soldadura està acabada amb un raig de 0,8 micres. Per tant, la seqüència de soldadura i la quantitat de calor no són detalls de la planta de fabricació. Són inputs de disseny.
Llibertat de disseny
Un connector de configuració mixta amb onze connectors en un sol flanc no és un producte estàndard. L'arquitectura interna del multiplet determina les posicions, juntament amb les distàncies d'aïllament necessàries entre els pins, entre el pin i la carcassa i entre els connectors adjacents. A més, cada posició està gravada individualment i es vincula a una taula d'identificació de connectors. Per tant, un connector específic en un flanc determinat es remunta a un circuit específic dins d'un magnet determinat. La geometria personalitzada d'aquest tipus de connectors és on s'atura un proveïdor de catàlegs i s'inicia un proveïdor d'enginyeria.
Conductes hermètiques sota radiació
Cada connector d'aquest programa utilitza Tecnologia de segellat vidre-metàl·lic (GTMS), amb cargols en AISI 316L i pins en Aliatge 52, de color daurat dur i recoberts de níquel. L'Aliatge 52 aconsegueix el seu lloc no per les seves propietats elèctriques, sinó per la seva expansió tèrmica, que coincideix amb la del vidre de segellat. Un segellat vidre-metàl·lic és un segell de compressió. Per tant, una discrepància de pocs parts per milió per grau separa una junta hermètica d'una fuita lenta.
El client va especificar un patró de connectors militars per poder treballar amb una interfície ja provada i àmpliament disponible. Però, pel que fa al cable, els corresponents models militars convencionals utilitzen insercions de polímer o elastòmer per aïllar i mantenir els contactes. Amb la dosi acumulada de gamma, aquests materials es fragilen, emeten gasos i perden la resistència dielèctrica. VAC-TRON va subministrar, per tant, models personalitzats. El patró militar es manté, de manera que la interfície i la pràctica de manipulació es mantenen estàndard, però el PEEK substitueix el material d'aïllament.
Al costat de la part de la flancera la qüestió canvia. El vidre és relativament estable davant de la irradiació, i és precisament per això que la tancada de vidre contra el metall és la millor opció per a les penetracions elèctriques en entorns nuclears. Però la hermeticitat no resideix al vidre. Resideix a la interfície vidre-metall, on les tensions residuals es concentren i on un segell realment perd la seva integritat. I el pitjor és que no s'anuncia com un problema. S'anuncia com una fuita lenta, durant mesos o anys d'ús, en un component que ningú pot arribar a tocar.
Per aquest motiu vam seleccionar el vidre de segellat basant-nos en proves en lloc de en els valors de la fitxa tècnica, i per això la prova d'irradiació va incloure unitats segellades en lloc de cupons de vidre. El procés de qualificació d'ITER va demostrar la resistència a la radiació del vidre seleccionat: estabilitat a llarg termini fins a una dosi acumulada total de 6 MGy, a velocitats de dosi de 4 kGy per hora o menys.
Disseny dielèctric: tres atmosferes en un sol conjunt
En aquest programa no hi ha una sola exigència de voltatge. Els circuits que travessen aquests límits funcionen amb potencials molt diferents, des de 100 Vdc fins a 3.000 Vdc. Per tant, cada interfície rep la seva pròpia verificació: resistència dielèctrica entre cada pin i la carcassa, resistència d'aïllament superior a 1 GΩ a 500 Vdc i corrents de fuita inferiors a 1 a 3 µA segons el circuit.
El que converteix això en un problema de disseny en lloc d’una qüestió de especificació és l’atmosfera. Tres d’elles es troben en un sol conjunt: l’aire al costat atmosfèric, l’aïllament buit entre les parets del criòstat i l’heli pressuritzat al costat de processament. La resistència dielèctrica és una propietat del medi almenys tan important com la geometria. Una distància segura a l’aire no és necessàriament segura a l’heli. Igualment, una distància qualificada a pressió atmosfèrica no és necessàriament qualificada en buit. Per tant, cada interfície ha de coincidir amb el medi que realment està enfrontant, a la tensió que el circuit realment suporta.
Això és el que un producte estàndard no pot solucionar, i és la raó per la qual es van desenvolupar aquests connectors hermètics en lloc d’escollir-ne d’altres. Un connector dimensionat per a l’aire i instal·lat contra un límit d’heli acabarà fallant. I el pitjor és que fallarà en un lloc que ningú pot inspeccionar.
Soldadura certificada: Unió de connectors hermètics a la flama
La junta connector-flange és on l'assamblea té èxit o fracassa. Es tracta d'una soldadura de pressió en acer inoxidable austenític, sense metall de soldadura, i ha de mantenir-se a prova d'escapament durant tota la vida útil de la instal·lació.
Les soldadures làser de VAC-TRON realitzen aquestes juntes seguint un procediment qualificat. Aquest procediment compleix amb les normes EN ISO 15609-4 i té la qualificació ISO 15614-11:2017, amb la qualificació del soldador a la norma UNE-EN ISO 9606-1 i l'examen visual a la norma UNE-EN ISO 17637. L'acceptació es basa en el nivell de qualitat B de la norma ISO 13919-1, el més estricte definit per a les soldadures amb làser i raigs electrònics. A més, un laboratori independent acreditat realitza l'examen macrografic i micrografic segons la norma ISO 17639.
Certificació Aquí no hi ha documents adjunts al procés. En canvi, és l'únic motiu pel qual una junta feta una vegada es pot fer de manera idèntica en tota una sèrie de producció.
Interconnexions hermètiques qualificades: validar primer, fabricar després
Aquestes són peces personalitzades. En un disseny a mida, els problemes que són importants són els que ningú preveia. A més, el pitjor moment per descobrir-los és a mig camí d'una sèrie de producció.
Validació abans de la producció
Per tant, el programa comença amb una maqueta en lloc de començar amb la producció. VAC-TRON fabrica i inspecciona una unitat totalment funcional, amb brides representatives, connectors representatius i soldadures representatives, i la lliura al client. El client la prova aleshores en les condicions reals de treball de la instal·lació. La fabricació en sèrie només es fa després que aquesta unitat superi els controls. Això afegeix temps a la part inicial del pla de producció. A canvi, elimina el risc de reensamblament d’una totalitat de lots, el que, en els connectors hermètics personalitzats, no és un negoci gens favorable.
Testificació en tres fases
Un cop publicada la sèrie, la verificació no és estadística. Una única filtració pot obligar a escalfar un conjunt de magnetes, desmuntar-lo i tornar-lo a posar en marxa. Per tant, la presa de mostres no és una estratègia de qualitat acceptable. En canvi, la prova es realitza en tres etapes. Cada connector passa per una prova individual abans de la soldadura: aïllament contra la pressió d’heli, resistència a la tensió i resistència dielèctrica. Cada connector passa per la mateixa prova de nou després de la soldadura, perquè la mateixa soldadura pot afectar la seguretat de la junta que hi ha al seu voltant. Finalment, el connector complet es qualifica com un conjunt, amb proves de pressió en cicles repetits i una prova final de filtració d’heli de tota la unitat.
Un component que va passar a la primera fase i no va funcionar a la segona us ha dit alguna cosa útil. Un component provat només a la finalització no ho ha fet.
El paquet de documentació
La documentació entregada reflecteix el mateix principi: registres de proves d'acceptació de fàbrica, plànols de construcció i models 3D, certificat de conformitat, declaració de conformitat CE, procediment de soldadura i registres de qualificació, i certificats de material segons la norma EN 10204 3.1. Per a un client de Big Science, la documentació no és una despesa administrativa afegida a la part. En la pràctica, representa la meitat de la part.
Què realment es transfereix entre els programes científics
És temptador descriure la transferència de tecnologia com la reutilització d'un producte en un nou context. Això rarament passa i no va ser el que va passar aquí. Cap component de l'ITER va ser instal·lat en un multiplet de Super-FRS.
El que es va transferir va ser la tecnologia de segellat i la manera com la qualifiquem. Primer, el propi vidre, juntament amb una comprensió de com es comporta un segellat vidre-metàl·lic sota una dosi acumulada. Això vol dir saber que la tolerància a la radiació s’ha de demostrar en el conjunt segellat, en lloc de deduir-ho a partir d’una fitxa tècnica, i disposar dels procediments necessaris per avalar-ho. En segon lloc, l’aparell procedimental que un programa de fusió obliga a construir: plans de qualificació, traçabilitat, paquets de documentació i la disciplina de provar cada unitat en lloc d’una mostra. En aquests entorns, després de tot, un error en el camp de treball costa mesos de funcionament perdut.
La conseqüència comercial és uns cicles de desenvolupament més curts i un menor risc de qualitat per al client. La conseqüència tècnica és encara més simple. Un proveïdor que ja hagi resolt la versió difícil d'un problema comença des d'una posició diferent que aquell que no ho ha fet.
Més enllà de FAIR: On les connexions hermètiques també s'enfronten als mateixos límits
La mateixa combinació de restriccions es troba present en àmbits molt allunyats de la física de partícules. Els sistemes aeroespacials en entorns de radiació, la instrumentació nuclear, els equips criogènics, els dispositius mèdics implantables i de diagnòstic i la monitorització industrial d'alta integritat comparteixen una necessitat comuna. Tots ells requereixen Interfícies elèctriques hermètiques que sobreviuen en condicions on el manteniment no és pràctic ni possible.
L'actiu transferible no és un número de peça. És una cadena de processos qualificats: selecció de vidres de segellat amb un comportament de radiació demostrat, materials de pins adaptats a l'expansió, disseny dielèctric contra el medi correcte, soldadura certificada al nivell B de la norma ISO 13919-1 i verificació al 100% amb una documentació que sobrevisqui a una auditoria. VAC-TRON aplica la mateixa cadena a Interconnexions multipin i Unes connexions úniques en tots els sectors als quals serveix.
Conclusió: Quins connectors ermètics han de tenir
El programa Super-FRS mostra què han de tenir les connexions hermètiques en un entorn sense falles. No un connector, sinó un conjunt. Un flanc d’acer inoxidable porta una població variable de connexions hermètiques de vidre a metall en un disseny a mida. Cada circuit s’adapta al medi que ha de suportar. Les soldadures làser sota un procediment homologat el mantenen units. Una làmina de segellat homologada mitjançant proves d’irradiació sobre els conjunts hermètics hi està integrada. I una maqueta valida tot el disseny abans que es fabriqui cap peça de sèrie.
Cada unitat és a continuació provada. No només una mostra de la loteria, sinó cada connector i cada flanc completat, verificats per a una estanquitat superior a 1×10⁻⁸ mbar·l·s⁻¹ abans de ser enviats.
Cap d’aquests requisits és notable per separat. Complir-los tots alhora, de manera repetible, en una sèrie de producció i poder demostrar-ho posteriorment és tot el que implica l’enginyeria.
Tens una interfície hermètica que no pot fallar? Explica'ns la teva candidatura I us explicarem què cal per aconseguir-ho.
VAC-TRON fabrica connectors hermètics de vidre a metall a Barcelona des de 1985, produint més de dos milions de peces a l'any per a clients de tot el món, segons la certificació ISO 9001, EN 9100 i ISO 14001. Desenvolupem i homologem connectors hermètics personalitzats per a entorns de buit, pressió i radiació en el nostre propi centre de fabricació.
