2 000 m3高真空(10-3Pa)系統(tǒng)漏率分析和安裝工藝控制實踐

2 000 m3高真空(10-3Pa)系統(tǒng)漏率分析和安裝工藝控制實踐

陸長勝1，岳向吉2，巴德純2,石教瀾3，黃金祥3

(1. 武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院 武漢 430081; 2. 東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 沈陽 110819；3. 武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司 武漢430081；)

摘要：隨著科技和科研的需要，真空裝備開始向大型化，高真空方向發(fā)展。本文針對容積在2 000 m3量級大型高真空系統(tǒng)的安裝工藝控制和靜態(tài)保壓漏率進行分析，重點對系統(tǒng)的總裝工藝控制過程進行論述，并考慮到在工程實際中的不確定性和查補漏困難的問題，通過對漏率分析，計算材料表面放氣等“虛漏”量，提出在高(超高)真空工程設(shè)計和建設(shè)中一種基于“虛漏”閾值保壓指標(biāo)的計算方法，結(jié)果顯示滿足安裝質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：大型高真空容器；漏率分析；靜態(tài)保壓指標(biāo)；安裝工藝控制

中圖分類號：TB74文獻標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-04-26；修訂日期：2015-05-19

作者簡介：陸長勝(1973-)，男，碩士，講師，主要研究方向為真空技術(shù)、機械工程、CAD/CAM技術(shù)教學(xué)與研究等。

Assembly technology and leak rate analyze of 2 000 m3high vacuum vessel

LU Chang-sheng1, YUE Xiang-ji2, BA De-chun2,SHI Jiao-lan3, HUANG Jin-xiang3

(1. Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China;

2. Northeastern University, Shenyang 110819, China; 3.Wuhan Yi Ye Steel Structure CO.， LTD, Wuhan 430080,China)

Abstract：Vacuum equipment goes toward large scale and high vacuum nowadays. This essay analyses the assembly technology and static leak rate of large scale high vacuum vessel of 2 000 m3 volume. Considering the problem of uncertainty and difficulty of leak-checking in the project, this essay lays stress on the assembly technology of the system, calculates the virtual leak of material surface deflation and puts forward to the calculation method on the basis of keeping pressure index of virtual leak threshold in the design of high (ultra-high) vacuum project design and construction.

Keywords：large-scale high vacuum vessel; leak rate analyses; static pressure- keeping ; assembly technology

0前言

四川某科研試驗新區(qū)二期工程中與低密度風(fēng)洞配套的設(shè)備——高真空系統(tǒng)，其設(shè)備包括2 000 m3真空球罐、真空管道、閥門、高真空泵組等，其中2 000 m3真空球罐是目前國內(nèi)單體容積最大、極限負(fù)壓最低的高真空球罐，同時系統(tǒng)要求按照“最小壓升率指標(biāo)考核系統(tǒng)的靜態(tài)密閉性”。由于該系統(tǒng)龐大，90%以上設(shè)備需現(xiàn)場拼裝；加之，真空度要求高，對泵組、閥門的安裝精度和密閉性要求特別高，所以對焊接質(zhì)量、現(xiàn)場安裝提出了高要求。

1系統(tǒng)漏率分析和靜態(tài)保壓指標(biāo)的計算

高真空系統(tǒng)主要參數(shù)見表1所示。由于系統(tǒng)要求按照“最小壓升率指標(biāo)考核系統(tǒng)的靜態(tài)密閉性”。該系統(tǒng)的極限真空度為10-3Pa，屬于高真空，必須考慮材料放氣等“虛漏”對系統(tǒng)的靜態(tài)壓升率指標(biāo)的影響。

表1　高真空系統(tǒng)主要參數(shù)

首先，計算和確定系統(tǒng)的“虛漏”，包括對放氣(qf)、滲氣(qs)、固體或液體蒸發(fā)(qz)氣流量進行全面的計算分析。

放氣量的計算與分析[1,3]。容器被抽空后，暴露于真空下的各種材料構(gòu)件的表面將把原來在大氣壓下所吸收和吸附的氣體解析出來。材料的放氣速率除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受材料的制造工藝、儲存狀況、預(yù)處理工藝(如清洗、烘烤、氣體放電轟擊、表面處理等)等因素影響。S30408 (06Cr19Ni10)材料與1Cr18Ni9Ti相近，借用現(xiàn)有的1Cr18Ni9Ti的數(shù)據(jù)進行放氣量的計算。由于材料放氣率隨時間和溫度變化，是時間和溫度的函數(shù)，本系統(tǒng)高真空球罐在常溫下工作，實驗階段也不允許進行高溫烘烤，這里只考慮時間對放氣速率的影響。

考慮系統(tǒng)在調(diào)試過程中系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不規(guī)律且不是長期穩(wěn)定的暴露于低真空[2]，這里的放氣速率可以約取等效于經(jīng)歷100 h的放氣，原材不銹鋼放氣速率為

q1j=1.1364×10-5Pa·m3/(m2s)

此時高真空球罐的表面放氣量為：

qf=q1j×S=1.25×10-2Pa·m3/s

考慮到密封材料、真空封脂的蒸發(fā)和升華，擴散泵油的返油等都不是影響靜態(tài)壓升的主要因素；同時，真空罐體內(nèi)施工的真空衛(wèi)生問題也必須重視，以減少有害物質(zhì)的殘留；在密閉試驗時還可以通過真空抽氣操作來控制和提高高真空球罐密閉考核指標(biāo)?？梢源_定系統(tǒng)的虛漏主要為材料表面放氣，其他因素可以忽略。

高真空球罐在制造、安裝過程中的漏氣均較小，可不考慮。

就一般靜態(tài)真空系統(tǒng)設(shè)計而言[4,2]，考慮到真空系統(tǒng)氣源計算的精度和諸多不可預(yù)測的因素，這里將“虛漏”理論計算值作為該真空系統(tǒng)靜態(tài)壓升率指標(biāo)的參考值，提高一個數(shù)量級作為該系統(tǒng)靜態(tài)保壓的工程控制指標(biāo)，是符合真空工程實際情況的，則可以得出該系統(tǒng)最大允許漏率確定為

qtot=ω*qx·tot=0.125 Pa·m3/s

則該系統(tǒng)靜態(tài)密閉性計算壓升率指標(biāo)M為

系統(tǒng)24 h靜態(tài)保壓壓升計算指標(biāo)為Δp=4.81 Pa。

所以，可以初步確定該系統(tǒng)24 h靜態(tài)保壓壓升工程控制指標(biāo)應(yīng)小于10 Pa。

2系統(tǒng)制造、裝配工藝過程控制要點

針對該真空系統(tǒng)容積超大，真空度要求高的特殊性，為了達到該系統(tǒng)的安裝質(zhì)量指標(biāo)(即以最小壓升率指標(biāo)考核系統(tǒng)的密閉性)，設(shè)備制造和安裝過程中制定分步控制指標(biāo)。

球罐及管道制作、安裝工藝控制。球罐及管道采用S30408不銹鋼材料，其材料須符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對每塊板材分規(guī)格和爐批號標(biāo)識和分類存放。下料時不允許表面產(chǎn)生污染和損傷，切割下料時用的導(dǎo)軌、卡具等均采用同質(zhì)材料，下料切口和邊緣不應(yīng)有焊渣、裂縫、壓痕等，作業(yè)操作人員必須穿軟底膠鞋在球片上操作。 球片采用多點冷壓緩慢成型壓制工藝，成型后對切割坡口整形，然后進行工廠預(yù)裝，保證每塊對接球片的棱角度、錯邊量和間隙滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

球片的現(xiàn)場焊接組裝采用散裝法，施工工序如圖1。以赤道帶為基準(zhǔn)進行組焊接裝，組裝順序為：赤道帶-南溫帶-南極帶-北溫帶-北極帶-附件。球片的組裝要保證每塊對接的球片的棱角度、錯邊量和間隙均能滿足設(shè)計要求。

現(xiàn)場焊縫焊接工藝控制[5]。焊縫漏率每300 mm長焊縫控制在小于1×10-9Pa·m3/s?？紤]到焊接一次結(jié)晶中，低熔點共晶物聚積，在熱應(yīng)力的作用下易形成焊接熱裂紋，同時可能存在碳化物聚集，造成脆硬組織裂紋。要嚴(yán)格控制高真空側(cè)焊縫一次成型，大氣側(cè)焊縫僅作為加強焊縫，焊縫在焊接各階段都進行缺陷測試，最大限度地防止熱裂紋的產(chǎn)生，確保焊縫質(zhì)量要求。

圖1　球罐現(xiàn)場焊接施工工序 Fig.1　Construction procedure on spot

焊前對所有焊接表面進行清理和修補，清除焊接飛濺物，溶渣，氧化皮、焊疤、油污等雜質(zhì)，不使用碳鋼刷清理壓力容器的內(nèi)表面，采用機械拋光時，拋光磨料選用氧化鋁，拋光等級由粗到細(xì)順序逐級提高。

設(shè)備可拆密封連接工藝控制。工藝控制主要是管道、閥門間的法蘭連接，按要求高真空閥門處法蘭的漏率控制在每300 mm長小于1×10-8Pa·m3/s。

法蘭連接的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計符合GB/T6070-95《真空法蘭》要求，所有配偶件加工表面的粗糙度為1.6以上。裝配前法蘭密封槽和密封圈應(yīng)仔細(xì)清潔，法蘭和膠圈密封表面無徑向擦傷和劃痕。在法蘭壓緊密封圈、墊時應(yīng)垂直、均勻壓緊，避免密封件產(chǎn)生橫向運動搓傷。對焊接后法蘭的尺寸和形位公差必須重新檢測和校正。法蘭連接的可拆靜密封連接不使用真空油脂。

3系統(tǒng)總裝調(diào)試檢漏和靜態(tài)密閉試驗[6]

3.1系統(tǒng)總裝調(diào)試檢漏

系統(tǒng)總裝完成后，總體檢漏分為兩步：即正壓檢漏法和氦質(zhì)譜檢漏儀真空檢漏法。采用充壓法,其靈敏度一般較低，只能達到1×10-2Pa·L/S托升/秒?？紤]到該系統(tǒng)容積特大，如果充氨氣對系統(tǒng)存在腐蝕的隱患,同時大容積的混和氨氣,注入和排泄都很復(fù)雜，且對人體和環(huán)境有害，不宜采用。所以采用沖入大氣，采用超聲波檢漏，對被檢測容器內(nèi)充入1.15倍的大氣壓。超聲波檢漏采用LD300超聲檢漏儀，重點檢測可能出現(xiàn)漏氣的管道、閥門法蘭連接處及焊縫經(jīng)過補焊的部位等可能出現(xiàn)的較大漏點。對于系統(tǒng)懷疑可能存在的微小漏點，采用正壓超聲波粗檢不能檢測的出來，利用氦質(zhì)譜檢漏儀按照檢漏盒法對系統(tǒng)進行復(fù)檢的雙重檢漏模式，這樣即保證了檢漏工作的效率，也保證了檢漏的質(zhì)量，可以查找絕大多數(shù)系統(tǒng)微小漏點。

3.2靜態(tài)密閉試驗

完成正壓超聲波初檢和處理完檢出漏點后。在調(diào)試完真空抽氣系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部進行四氯化碳清洗和烘干，設(shè)計了檢漏路線,在真空泵的最遠(yuǎn)端，即2 000 m3球罐的最底端，安裝了真空計，設(shè)計支管連接氦質(zhì)譜檢漏儀接到前級真空側(cè)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)和清除時間為10 s，檢漏靈敏度為1×10-9Pa·m3/s的總裝檢漏。進行連續(xù)抽真空和靜態(tài)保壓實驗，其保壓曲線如圖2所示。

1～6.真空曲線 圖2　靜態(tài)保壓真空曲線 Fig.2　Static pressure vacuum curve

圖2中曲線1為6月14日至6月15日曲線，從0.84 Pa開始保壓，13.5 h后真空度為8.5 Pa,漏率為0.354 629 63 Pa·m3/s；曲線2為6月15日至6月16日曲線，從0.014 Pa開始保壓，15 h后真空度為3.5 Pa,漏率為0.145 25 Pa·m3/s；曲線3為6月16日至6月17日曲線，從0.007 8 Pa開始保壓，14 h后真空度為200 Pa,漏率為8.928 022 321 4 Pa·m3/s,查出漏點,已處理完畢；曲線4為6月17日至6月18日曲線，從0.005 7 Pa開始保壓，11 h后真空度為3 Pa,漏率為0.170 130 682 Pa·m3；曲線5為6月18日至6月19日曲線，從0.004 7 Pa開始保壓，11 h后真空度為25 Pa,漏率為1.420 178 5 Pa·m3/s；曲線6為6月19日至6月20日曲線，從0.003 9 Pa開始保壓，17 h后真空度為5.5 Pa,漏率為0.202 062 5 Pa·m3/s。

保壓曲線分析：

第一次保壓曲線是6月14日到6月15日曲線1，其壓升曲線滿足典型的壓力-時間曲線關(guān)系，開始1.5 h上升較快，主要原因是材料表面放氣影響，而后上升速度逐漸減慢而趨于平衡。

6月16日到6月17日曲線2反映系統(tǒng)在保壓8.5 h時出現(xiàn)漏點，查驗是法蘭密封圈問題。6月18日到6月19日曲線3經(jīng)判斷屬于無效數(shù)據(jù)，予以剔除。

本次保壓實驗由于是連續(xù)的，中間沒有對系統(tǒng)破空，在6月15日，6月17日和6月19日實驗所做的曲線4、5、6真實地反映出材料放氣影響逐漸趨于穩(wěn)定，其壓升曲線能夠真實有效的反映系統(tǒng)的密閉性。

從試驗曲線結(jié)果分析，其真空極限壓力達到10-3Pa數(shù)量級，平均12 h保壓壓升平均值為4 Pa。換算成24 h靜態(tài)保壓壓升平均值為8 Pa左右。

根據(jù)系統(tǒng)漏率分析和靜態(tài)保壓指標(biāo)的計算的結(jié)果，確定的該系統(tǒng)24h靜態(tài)保壓指標(biāo)為10 Pa，實際24 h靜態(tài)保壓壓升平均值為8 Pa左右，結(jié)果驗證了2 000 m3高真空(10-3Pa)系統(tǒng)在制作、安裝等工程施工過程中工藝控制的可行性，可以滿足以“最小壓升率指標(biāo)考核系統(tǒng)密閉性”的安裝質(zhì)量要求。

4結(jié)論

(1)經(jīng)對本系統(tǒng)的綜合分析，認(rèn)為靜態(tài)保壓壓升的主要原因還是由于現(xiàn)場焊接存在的未檢測出的焊接微缺陷和難于查找的安裝缺陷等造成的，針對真空容積過于龐大，現(xiàn)場焊縫和設(shè)備安裝接口面大的項目。在系統(tǒng)的設(shè)計時就必須要科學(xué)的計算和分配各環(huán)節(jié)的漏率控制指標(biāo)，必須從源頭開始實施過程控制，特別要嚴(yán)格設(shè)備制造工藝和安裝工藝，現(xiàn)場設(shè)備的安裝和焊接必須有詳細(xì)的過程控制方案，才能滿足用戶真空環(huán)境的要求。

(2)超大容積高(超高)真空靜態(tài)保壓指標(biāo)的確定，由于真空內(nèi)表面積較大，表面處理降低材料的放氣速率成本太高，如果按照常規(guī)“24 h靜態(tài)保壓壓升低于10%”的指標(biāo)考核不符合大部分工程實際，所以在靜態(tài)保壓指標(biāo)的確定上必須要予以重新考慮，本文提出的基于“虛漏”值的保壓指標(biāo)的計算方法符合常規(guī)超大容積高真空工程技術(shù)的現(xiàn)狀。

(3)該系統(tǒng)在極限真空度(10-3Pa)下其靜態(tài)保壓時間僅為10 s左右，即使在理想狀態(tài)下也超不過100 s，所以，在涉及到超大容積超高真空度(<10-5Pa)要求的系統(tǒng)，如何降低材料的表面放氣量等也是今后真空材料處理的一個研究方向。

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