Kiểm tra rò rỉ màng lọc HEPA: nguyên lý, quét đầu dò và cách đọc kết quả

Một phòng sạch đạt cấp sạch trong báo cáo phân loại vẫn có thể có một màng lọc HEPA bị thủng. Hai phép thử này đo hai thứ khác nhau: phân loại đo nồng độ hạt trong không khí phòng, còn kiểm tra rò rỉ màng lọc đi tìm một lỗ cục bộ trên bề mặt lọc, khung lọc hoặc gioăng — chỗ mà không khí chưa lọc lọt thẳng vào phòng. Bài viết giải thích nguyên lý phép thử rò rỉ màng lọc đã lắp đặt, hai phương pháp được công nhận, cách quét đầu dò, ngưỡng đánh giá và những chỗ phép thử hay bị làm sai.

Phân loại và kiểm tra rò rỉ là hai phép thử khác nhau

Đây là điểm phải rõ trước khi bàn kỹ thuật, vì nhầm lẫn ở đây dẫn tới hồ sơ thiếu hạng mục.

Phân loại phòng sạch đo nồng độ hạt trong không khí tại một số điểm phân bố trong phòng, rồi đối chiếu với giới hạn của cấp sạch. Kết quả là một kết luận về căn phòng.

Kiểm tra rò rỉ màng lọc đã lắp đặt quét toàn bộ bề mặt lọc và toàn bộ chu vi khung để tìm điểm rò cục bộ. Kết quả là một kết luận về từng bộ lọc, kèm bản đồ vị trí rò nếu có.

Một lỗ nhỏ trên màng lọc có thể không đủ để kéo nồng độ trung bình của cả phòng vượt giới hạn cấp sạch — nhất là ở phòng lớn có nhiều bộ lọc — nhưng ngay bên dưới lỗ đó là một luồng khí chưa lọc thổi thẳng xuống. Nếu chỗ đó là nơi sản phẩm hở thì phòng “đạt cấp sạch” chẳng có ý nghĩa gì.

Rò rỉ xuất hiện ở đâu trên một bộ lọc đã lắp

Tên gọi “thử rò rỉ màng lọc” dễ gây hiểu nhầm rằng chỉ thử phần vật liệu lọc. Thực tế phép thử phải phủ toàn bộ đường mà không khí có thể đi vòng qua lớp lọc:

Vị trí rò	Nguyên nhân điển hình	Ghi chú khi quét
Bề mặt vật liệu lọc	Thủng khi vận chuyển, lắp đặt hoặc va chạm khi vệ sinh	Quét toàn bộ diện tích, không bỏ sót góc
Mối dán giữa vật liệu lọc và khung	Keo dán không đều hoặc lão hoá theo thời gian	Quét dọc toàn bộ đường dán phía trong khung
Gioăng giữa khung lọc và hộp lọc	Siết không đều, gioăng chai cứng, khung cong	Quét dọc toàn bộ chu vi tiếp xúc
Thân hộp lọc và mối nối ống gió	Mối ghép hở, ri-vê lỏng, silicon nứt	Đây là phần hay bị bỏ nhất trong phép thử
Khung trần và mối ghép trần	Lắp không kín, chuyển vị kết cấu theo thời gian	Kiểm tra khi có dấu hiệu rò mà không tìm ra trên lọc

Hai dòng cuối bảng giải thích một tình huống hay gặp: quét hết bề mặt lọc không thấy gì nhưng nồng độ dưới trần vẫn cao bất thường. Khi đó nguồn rò thường nằm ở phần kết cấu chứ không ở bộ lọc, và phải mở rộng phạm vi quét.

Nguyên lý: tạo thử thách rồi soi phía sau

Phép thử gồm ba bước theo đúng thứ tự:

1. Đưa sol khí thử vào phía trên bộ lọc. Sol khí thử là một đám hạt lỏng cỡ dưới micromét, được sinh ra bằng đầu phun chuyên dụng và đưa vào đường gió cấp, sao cho nó phân bố đều trên toàn bộ tiết diện trước khi tới bộ lọc.
2. Đo nồng độ phía trên. Đây là mẫu số của phép tính. Không đo được nồng độ phía trên thì không tính được phần trăm xuyên qua, và phép thử mất cơ sở định lượng.
3. Quét phía dưới bộ lọc. Đầu dò di chuyển sát mặt lọc theo đường quét phủ kín, đo nồng độ phía sau tại từng vị trí.

Tỉ số giữa nồng độ đo được phía sau và nồng độ phía trên chính là mức xuyên qua tại vị trí đó. Ngưỡng để gọi là rò rỉ theo bản tiêu chuẩn hiện hành là 0,01% mức xuyên qua — và điều đáng chú ý là ngưỡng này nay áp dụng chung cho cả hai phương pháp đo, thay vì mỗi phương pháp một ngưỡng như các bản trước.

Ba bước trên cho thấy vì sao phép thử này không thể làm bằng cách “cầm máy đếm hạt rà dưới trần”: không có sol khí thử và không có phép đo nồng độ phía trên thì không có mẫu số, và mọi con số thu được chỉ là nồng độ phòng chứ không phải mức xuyên qua.

Vì sao phải thử ở cỡ hạt xuyên qua nhiều nhất

Trực giác thông thường là hạt càng nhỏ càng dễ lọt qua màng lọc. Với màng lọc sợi thì không đúng, vì hai cơ chế bắt hạt hoạt động ngược chiều nhau.

Hạt lớn bị bắt do quán tính và do chặn cơ học: chúng không kịp lượn theo dòng khí nên đâm vào sợi. Hạt rất nhỏ lại bị bắt do khuếch tán: chúng chuyển động hỗn loạn mạnh nên va vào sợi ngay cả khi dòng khí đi vòng qua. Ở khoảng giữa có một cỡ hạt mà cả hai cơ chế đều yếu — đó là cỡ hạt xuyên qua nhiều nhất, với màng lọc HEPA thường nằm trong vùng khoảng một phần mười tới ba phần mười micromét.

Hệ quả cho phép thử: sol khí thử phải chứa nhiều hạt trong vùng cỡ này, và thiết bị đo phải nhìn thấy được vùng cỡ đó. Thử bằng hạt lớn sẽ cho kết quả đẹp giả tạo, vì màng lọc bắt hạt lớn rất tốt kể cả khi nó có lỗ nhỏ.

Hai phương pháp: quang kế và máy đếm hạt

Tiêu chí	Quang kế sol khí	Máy đếm hạt quang học
Đại lượng đo	Tổng khối lượng sol khí trên thể tích	Số hạt theo từng kênh cỡ hạt
Sol khí thử	Cần nồng độ cao, phải phun liên tục	Nồng độ thấp hơn nhiều, có trường hợp dùng nền sẵn có
Tốc độ quét	Nhanh, khoảng 5 cm mỗi giây	Chậm hơn, thời gian thử dài hơn
Nhạy với nền	Ít bị ảnh hưởng nhờ nồng độ thử cao	Nhạy, phải đo và kiểm soát nền cẩn thận
Phù hợp nhất với	Phòng sạch dược, nơi được phép dùng sol khí dầu	Phòng sạch điện tử và bán dẫn, nơi hạn chế sol khí dầu

Lựa chọn giữa hai phương pháp thường không nằm ở kỹ thuật mà ở ràng buộc của nhà máy. Sol khí dầu để lại lớp bám mỏng trên mọi bề mặt phía sau bộ lọc; ở nhà máy bán dẫn và điện tử, lớp bám đó là ô nhiễm không chấp nhận được, nên phương pháp dùng máy đếm hạt với sol khí nồng độ thấp trở thành lựa chọn mặc định.

Về thiết bị đo, phép quét cần một máy đếm hạt xách tay có đủ lưu lượng để cho kết quả kịp thời khi đầu dò di chuyển. Các dòng như máy đếm hạt tiểu phân PMS Lasair Pro 350 hoặc máy đếm hạt tiểu phân PMS Lasair III 350L ở mức 50 lít/phút thuộc nhóm hay được dùng cho công việc này; khi cần theo dõi thêm dải hạt lớn trong cùng đợt khảo sát thì máy đếm hạt tiểu phân PMS Lasair III 310C phủ tới 25 µm.

Quét đầu dò: tốc độ, khoảng cách, đường đi

Ba tham số hình học quyết định phép quét có phát hiện được rò rỉ hay không.

Kích thước đầu dò. Bản tiêu chuẩn hiện hành đã đơn giản hoá lựa chọn cho phương pháp quang kế xuống hai dạng: đầu dò chữ nhật khoảng 1 × 8 cm, hoặc đầu dò tròn đường kính khoảng 3,6 cm. Đầu dò rộng phủ nhanh hơn nhưng pha loãng tín hiệu của một lỗ nhỏ vào một thể tích lớn hơn.

Tốc độ quét. Với quang kế, tốc độ tham chiếu vào khoảng 5 cm mỗi giây, tương đương phủ chừng một foot vuông mỗi phút. Đây là con số ràng buộc trực tiếp với kích thước đầu dò: đầu dò rộng hơn thì phải quét chậm hơn để giữ cùng thời gian lưu trên mỗi đơn vị diện tích. Với máy đếm hạt, tốc độ phải chậm hơn nữa vì cần đủ thời gian tích luỹ số đếm.

Khoảng cách và đường đi. Đầu dò giữ cách bề mặt lọc vài centimét và quét theo các đường song song chồng mép nhau, không để khoảng hở giữa hai đường kề. Đường quét phải phủ cả phần khung và chu vi gioăng, không chỉ phần vật liệu lọc.

Sai lầm phổ biến nhất trong ba tham số này là quét quá nhanh. Nó không tạo ra kết quả sai rõ ràng để ai đó phát hiện — nó chỉ đơn giản làm phép thử bỏ sót lỗ nhỏ, và báo cáo vẫn ghi “đạt”.

Đọc kết quả và xử lý khi phát hiện rò rỉ

Khi một vị trí vượt ngưỡng, quy trình xử lý gồm bốn bước:

1. Xác nhận lại tại chỗ. Dừng đầu dò tại vị trí nghi ngờ và đo tĩnh để loại trừ nhiễu do thao tác quét.
2. Khoanh vùng. Quét chậm quanh vị trí để xác định biên của lỗ rò và ghi toạ độ trên sơ đồ bộ lọc.
3. Xử lý theo bản chất lỗi. Lỗ nhỏ trên vật liệu lọc có thể vá trong giới hạn diện tích mà tiêu chuẩn và nhà sản xuất lọc cho phép; rò ở gioăng thì siết lại hoặc thay gioăng; rò ở kết cấu thì làm kín lại phần kết cấu.
4. Thử lại toàn bộ bộ lọc sau khi xử lý. Không thử lại riêng chỗ vừa vá, vì thao tác sửa có thể tạo ra lỗ mới ở chỗ khác.

Hồ sơ phải giữ lại cả vị trí rò đã phát hiện và cách xử lý, không chỉ giữ kết luận cuối cùng. Bản đồ vị trí rò qua nhiều kỳ thử là dữ liệu tốt để phát hiện quy luật — ví dụ luôn rò ở cùng một cạnh của cùng một hộp lọc là dấu hiệu vấn đề kết cấu chứ không phải vấn đề bộ lọc.

Sáu chỗ phép thử hay bị làm sai

• Không đo nồng độ phía trên. Không có mẫu số thì không có phần trăm xuyên qua, và phép thử mất tính định lượng.
• Sol khí thử phân bố không đều. Nếu một vùng của bộ lọc nhận ít sol khí thử hơn hẳn thì vùng đó thực chất chưa được thử.
• Quét quá nhanh. Lỗi âm thầm nhất, luôn nghiêng về phía kết luận “đạt”.
• Bỏ qua khung và gioăng. Nhiều lỗi rò thực tế nằm ở đây chứ không trên vật liệu lọc.
• Dùng cỡ hạt không phù hợp. Thử bằng hạt lớn cho kết quả đẹp mà không nói gì về khả năng chặn hạt ở vùng cỡ xuyên qua nhiều nhất.
• Không thử lại toàn bộ sau khi vá. Thao tác sửa có thể sinh lỗi mới ngoài vị trí vừa xử lý.

Với phép thử ở dải cỡ hạt nhỏ trong phòng sạch cấp cao, thiết bị nhìn được tới ngưỡng 0,1 µm như máy đếm hạt tiểu phân PMS Lasair III 110 mở rộng được phạm vi quan sát xuống vùng cỡ hạt mà màng lọc chặn kém nhất.