低溫泵系統(tǒng)的故障分析與排除

蔡阿寧（西安空間電子信息技術(shù)研究院，西安　710000）

低溫泵系統(tǒng)的故障分析與排除

蔡阿寧
（西安空間電子信息技術(shù)研究院，西安710000）

低溫泵主要用于核工業(yè)、航空、航天工業(yè)，尤其在載人航天、運(yùn)載火箭、大型加速器、空間有效載荷等重大科技工程中得到廣泛的應(yīng)用，提供所需的真空環(huán)境。在長(zhǎng)期使用低溫泵的過程中，認(rèn)真總結(jié)低溫泵在使用過程中出現(xiàn)的故障，并分析加以排除。對(duì)低溫泵在運(yùn)行中的故障分析和排除以及設(shè)備的維護(hù)提供參考。

低溫泵系統(tǒng)；故障；原因；排除

0　引言

低溫泵是采用低溫介質(zhì)將抽氣面冷卻到20 K以下，低溫抽氣面就能大量冷凝氣體分子，形成很大的抽氣作用。低溫泵廣泛的應(yīng)用于核工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)，尤其在載人航天、運(yùn)載火箭、大型加速器、空間有效載荷等重大科技工程中得到應(yīng)用，提供所需的真空環(huán)境。低溫泵的優(yōu)點(diǎn)是抽速大，對(duì)被抽氣體沒有選擇性，極限真空度可達(dá)10-13Pa，從而獲得清潔的超高真空環(huán)境。在長(zhǎng)期使用低溫泵的過程中，認(rèn)真總結(jié)低溫泵在使用過程中出現(xiàn)的故障，并分析加以排除。為低溫泵獲得清潔超高真空環(huán)境的實(shí)驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)故障和排除故障時(shí)提供參考。

1　低溫泵的結(jié)構(gòu)與工作原理

低溫泵系統(tǒng)主要包括低溫泵、氦氣壓縮機(jī)、氦氣管路和電源電路等部分組成［1］。低溫泵的工作原理是通過低溫表面把真空室氣體分子冷凝、吸附和捕集氣體分子，從而達(dá)到抽真空的目的。是由制冷機(jī)及冷凝低溫泵腔體、粗抽閥門、排氣閥門、吹氣閥門、溫度傳感器和再生加熱器組成，如圖1所示。

目前，低溫泵廣泛采用的是閉循環(huán)氦氣膨脹制冷機(jī)，如斯特林循環(huán)制冷機(jī)、索爾文循環(huán)制冷機(jī)和G-M循環(huán)制冷機(jī)等，其中G-M循環(huán)制冷機(jī)應(yīng)用比較廣泛。

在低溫泵內(nèi)設(shè)有氦氣制冷機(jī)冷卻，由一級(jí)擋板和輻射屏組成的一級(jí)冷陣與一級(jí)冷頭相連接，溫度通常在45～100 K范圍內(nèi)。二級(jí)冷陣和二級(jí)冷頭相連接，由一定數(shù)量的銅質(zhì)碟形盤片或是銅質(zhì)圓錐體組成，外表面鍍鎳，內(nèi)表面粘有活性炭顆粒形成一種特殊的吸附層，溫度通常在10～20 K范圍內(nèi)。

在低溫泵中一級(jí)和二級(jí)冷頭上分別安裝有加熱器。在一級(jí)冷頭加熱器上施加幾瓦熱能，以保障一級(jí)冷頭溫度為65 K左右的理想工作溫度，同時(shí)保障了二級(jí)冷頭在溫度10～14 K的最佳工作溫度。在低溫泵再生的時(shí)候，兩個(gè)加熱器同時(shí)工作，加熱冷頭的熱量伴隨著吹入的氮?dú)鈱?duì)流和傳導(dǎo)使得低溫泵各部分在幾分鐘內(nèi)達(dá)到和保持40～60℃，保障不會(huì)點(diǎn)燃可燃性氣體。

圖1　低溫泵的結(jié)構(gòu)示意圖

2　低溫泵系統(tǒng)在運(yùn)行中的故障分析

2.1壓縮機(jī)故障對(duì)抽氣性能的影響

2.1.1壓縮機(jī)氦氣壓差對(duì)抽氣性能的影響

壓縮機(jī)供給制冷機(jī)的氦氣壓力與制冷機(jī)的壓力之差為壓差。這個(gè)壓差的變化會(huì)導(dǎo)致制冷溫度的相應(yīng)變化［2］，如圖2所示。通常制冷機(jī)故障會(huì)導(dǎo)致壓差減小、制冷能力降底和運(yùn)行溫度的升高都會(huì)使低溫泵的抽氣性能變差。由壓縮機(jī)的故障引起的壓差變化，原因有三個(gè)方面：一是壓縮機(jī)的進(jìn)出氣閥門的密封損壞以及壓縮機(jī)的活塞環(huán)漏氣；二是油氣分離器的回油孔發(fā)生了堵塞；其次是除了壓縮機(jī)的故障以外還有四種可能性：（1）制冷機(jī)中的壓力和溫度的變化并且包括超負(fù)荷；（2）真空度被破壞；（3）環(huán)境溫度較高會(huì)使平衡壓力在啟動(dòng)前超過正常值，初始供壓差就會(huì)低；（4）環(huán)境溫度較低則使平衡壓力在啟動(dòng)前低于正常值。該情況無(wú)需向壓縮機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)充氦氣，過多的氦氣會(huì)引起壓縮機(jī)內(nèi)部溫度過高，因而對(duì)壓縮機(jī)閥門的壽命產(chǎn)生不利影響。

2.1.2壓縮機(jī)的超溫運(yùn)行對(duì)抽氣性能的影響

在壓縮機(jī)中工作的氦氣、潤(rùn)滑油及各部位機(jī)械零件的任何一項(xiàng)發(fā)生過熱都會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)引起其余部件過熱，其過程是累積的，有可能引發(fā)全系統(tǒng)的故障。發(fā)生此情況時(shí)，壓縮機(jī)產(chǎn)生的潤(rùn)滑油裂解物質(zhì)將嚴(yán)重污染制冷機(jī)，導(dǎo)致低溫泵系統(tǒng)的工作壽命減少，甚至損壞。

圖2　制冷量與冷頭溫度的關(guān)系曲線圖

壓縮機(jī)的壓縮熱負(fù)載及低溫泵的抽氣熱負(fù)載、真空室的輻射熱負(fù)載、泵壁的熱負(fù)載、氣體分子的傳導(dǎo)熱負(fù)載、低速電機(jī)的摩擦熱負(fù)載等一起進(jìn)入氦氣流中，由于冷卻系統(tǒng)是閉合的，所以必須保障冷卻系統(tǒng)維持正常，否則制冷系統(tǒng)能力下降，使得制冷溫度升高。超溫運(yùn)行加速壓縮機(jī)的磨損，增加潤(rùn)滑油的裂解，最終導(dǎo)致吸附器的飽和及制冷機(jī)被污染，引起低溫泵不能工作。

2.1.3壓縮機(jī)的泄漏對(duì)抽氣性能的影響

壓縮機(jī)的泄漏有漏氣和漏油兩種現(xiàn)象。對(duì)于漏油現(xiàn)象，通過認(rèn)真細(xì)致的檢查容易發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。其表現(xiàn)為運(yùn)行時(shí)供氣壓力和出氣壓力累進(jìn)降低。隨著制冷機(jī)的流量降低而造成制冷能力下降，制冷溫度會(huì)逐步升高，從而引起低溫泵的性能變壞。

2.2制冷機(jī)故障對(duì)抽氣性能的影響

制冷機(jī)是利用高壓、高純氦氣在冷頭腔體內(nèi)進(jìn)行西蒙膨脹獲得冷效應(yīng)，達(dá)到制冷效果。造成制冷機(jī)的故障原因有機(jī)械部件的磨損、工作氦氣泄漏、密封件老化、氦氣被污染、超負(fù)荷運(yùn)行。

2.2.1制冷機(jī)零件的磨損對(duì)性能的影響

在制冷機(jī)上安裝1個(gè)低速電機(jī)或者氣動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)1個(gè)被稱為置換器的部件，在活塞腔體里面做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。置換器的運(yùn)動(dòng)又促使了放氣閥門和排氣閥門運(yùn)動(dòng)。由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，閥門的傳動(dòng)軸承和傳動(dòng)器軸承會(huì)出現(xiàn)損壞，有可能引起傳動(dòng)軛及其襯套損壞。任何金屬零件的損壞，碎片都會(huì)被吸入傳動(dòng)電機(jī)，引發(fā)惡性循環(huán)，電機(jī)磨損以致于損壞。另外進(jìn)出氣閥門的運(yùn)動(dòng)不正常能夠?qū)е麻y門開關(guān)不到位，引起氣路堵塞產(chǎn)生不正常的壓差，從而使壓縮機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障。另外，制冷機(jī)中的傳動(dòng)部分故障都會(huì)導(dǎo)致制冷能力的損失，使運(yùn)行溫度升高，造成低溫泵不能正常工作。

2.2.2制冷機(jī)污染對(duì)抽氣性能的影響

制冷機(jī)的污染主要來源：（1）充氣時(shí)用了污染的氦氣；（2）清洗技術(shù)不良；（3）從壓縮機(jī)帶來的油氣或者液體油；（4）氣缸與排出器密封環(huán)磨損的粉塵污染等。

根據(jù)多年的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，有的低溫泵1年補(bǔ)1次氦氣，有的則需要半年補(bǔ)1次氣或者次數(shù)更多一些，這樣補(bǔ)氣帶進(jìn)了空氣或者用了不純凈的氣體，就造成了直接污染。在壓縮機(jī)和制冷機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的震動(dòng)中，可能使密封件老化及連接件松動(dòng)而破壞了密封性，也造成了污染。

由于不正確的清洗方法都會(huì)引起水氣、氮和氫的污染。維修后的低溫泵一定要將各個(gè)部件抽真空到規(guī)定的真空度，并且保持一定的時(shí)間。但是系統(tǒng)的污染則大部分是由于清潔后抽真空時(shí)引起的。抽真空時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)引起機(jī)械泵油的返流，就必然造成污染。

壓縮機(jī)的長(zhǎng)期工作會(huì)加速壓縮機(jī)的磨損，同時(shí)也加速了潤(rùn)滑油的裂解，當(dāng)油的裂解速率可能超過活性炭吸附速率時(shí)，就被高壓氦氣帶入到制冷單元的一二級(jí)蓄冷器中，伴隨著一二級(jí)活塞的磨損粉塵一起堵塞蓄冷器，時(shí)間越長(zhǎng)污染越嚴(yán)重。這樣極大的減少了蓄冷器的交換面積，使氣流進(jìn)出不暢。GIFFORD研究表明，若蓄冷器的損失為2%，由此引起的制冷量損失可達(dá)到27%。

理想的蓄冷器要求熱容量大，氣流和填料之間的接觸面接大，有良好的熱交換，對(duì)氣流的阻力小，填料的容積小以及沿氣流方向雖有極大的溫度梯度，但導(dǎo)熱小等。蓄冷器受污染和局部堵塞后使得蓄冷器的容積和壓力降都發(fā)生了變化。GIFFORD實(shí)驗(yàn)測(cè)出容積和壓力降損失的制冷量為總制冷量的41.3%。

2.2.3制冷機(jī)密封件的老化與損壞抽氣性能的影響

制冷機(jī)中的密封件老化及損壞會(huì)引起排出器漏氣而使制冷能力降低，引起工作溫度上升［3］。密封件的故障分四種類型：（1）一級(jí)排出器的KAP密封環(huán)老化和磨損；（2）二級(jí)排出器的密封環(huán)的故障；（3）傳動(dòng)軛軸的KAP密封組合的損壞；（4）進(jìn)、排氣閥門的TAFLONO型環(huán)的磨損和“O”型密封圈的老化等。

由于漏氣使壓差減小，制冷量隨之減小和溫度上升，使得低溫冷泵的抽氣性能惡化。一二級(jí)活塞環(huán)的泄漏，從壓縮機(jī)來的部分高壓氦氣不經(jīng)過蓄冷器預(yù)冷而直接進(jìn)入冷室，膨脹后的部分冷氦氣直接通過排氣閥門，造成制冷機(jī)制冷量損失，使得低溫泵系統(tǒng)不能工作。

2.3真空度的破壞對(duì)低溫泵抽氣性能的影響

真空系統(tǒng)中真空度的破壞歸納起來有三種類型：（1）低溫泵在啟動(dòng)時(shí)未達(dá)到1 Pa左右的開啟要求，或者是低溫泵的過渡壓力太高，使得低溫泵在制冷時(shí)無(wú)法將大量的氣體分子抽走，達(dá)不到要求的絕熱真空，氣體分子的熱傳導(dǎo)無(wú)法克服制冷機(jī)繼續(xù)制冷。過渡真空壓力過高不但破壞低溫泵的正常工作，還帶來對(duì)低溫吸附劑的污染；（2）制冷機(jī)制冷能力下降，引起運(yùn)行溫度上升，使低溫泵的抽氣性能減弱，而使真空度進(jìn)一步降低，破壞了制冷能力發(fā)生累進(jìn)式的影響；（3）真空系統(tǒng)有空氣或者氦氣泄漏進(jìn)入真空容器，而破壞絕熱真空。

3　低溫泵系統(tǒng)故障的排除

低溫泵系統(tǒng)故障分為壓縮機(jī)故障和真空抽氣系統(tǒng)故障兩部分。故障排查順序一般是先檢查氦氣壓縮機(jī)部分，再檢查真空抽氣系統(tǒng)，根據(jù)檢查結(jié)果再進(jìn)一步排除故障。

3.1壓縮機(jī)故障的排除

壓縮機(jī)的故障有潤(rùn)滑油泄漏、氦氣泄漏、壓縮機(jī)完全不能運(yùn)轉(zhuǎn)、壓縮機(jī)開啟后只能運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘就停機(jī)、壓縮機(jī)發(fā)出很大的噪聲。根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)制成對(duì)照表1，便于使用中排除壓縮機(jī)的故障。

3.2真空抽氣系統(tǒng)故障的排除

真空抽氣系統(tǒng)故障常見現(xiàn)象是被抽容器的壓力升高，原因有真空系統(tǒng)漏氣、低溫泵出現(xiàn)故障。可以用氦質(zhì)譜檢漏儀分別對(duì)低溫泵和真空容器進(jìn)行檢漏，若未發(fā)現(xiàn)異常可以按照表2對(duì)照逐一排除。

4　低溫泵系統(tǒng)的維護(hù)

低溫泵系統(tǒng)的維護(hù)可分為定期維護(hù)和不定期維護(hù)兩類。定期維護(hù)是由壓縮機(jī)排出的高壓氦氣流，實(shí)際上是油氣混合物，經(jīng)過熱交換器和分油器后使油氣分開，但是進(jìn)入吸附器的氦氣流仍然含有油分子和油的裂解物。當(dāng)吸附器對(duì)油分子和油裂解物的吸附速率等于或小于壓縮機(jī)排氣流所含油分子或油裂解物時(shí)，吸附器就必須更換。要根據(jù)不同壓縮機(jī)所要求的定期維護(hù)時(shí)間更換吸附器，對(duì)于CRYOTORR（R）8的低溫泵來說，定期維護(hù)是運(yùn)行10 000 h后更換壓縮機(jī)吸附器。不定期維護(hù)是正常運(yùn)轉(zhuǎn)的低溫泵通常很少需要補(bǔ)氣。如果制冷系統(tǒng)的補(bǔ)氣次數(shù)很多時(shí)，就必須要檢查系統(tǒng)是否漏氣。重復(fù)補(bǔ)氣會(huì)造成制冷系統(tǒng)的污染，導(dǎo)致低溫泵不能工作。另外，制冷機(jī)低溫泵在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，不斷受到被抽容器中的灰塵、雜質(zhì)、腐蝕性物質(zhì)及油蒸氣的污染，當(dāng)?shù)蜏乇梦狡髦械奈絼﹪?yán)重污染，使得低溫泵對(duì)氦、氖、氫等不可凝氣體的抽氣能力下降，甚至無(wú)法工作時(shí)，此時(shí)必須更換二級(jí)冷陣的吸附器。

表1　壓縮機(jī)故障列表及相應(yīng)的排除方法

表2　低溫泵故障排除表

5　總結(jié)

結(jié)合低溫泵、制冷機(jī)和壓縮機(jī)所構(gòu)成的低溫泵系統(tǒng)，分別對(duì)低溫泵系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析。同時(shí)把壓縮機(jī)和低溫泵可能出現(xiàn)故障的原因和排除的方法列成表格。對(duì)于精密設(shè)備，使用時(shí)應(yīng)更加小心認(rèn)真，才能達(dá)到所需的技術(shù)指標(biāo)。

［1］邊少雄.小型低溫制冷機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［2］中強(qiáng).低溫泵冷凝泵的結(jié)構(gòu)和維護(hù)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2002（4）：246-248。

［3］趙開濤.G-M制冷機(jī)性能研究［J］.低溫工程，1989（4）：41-45.

DYSFUNCTION ANALYSISANDM ITIGATION SOLUTIONOFCRYOPUMPSYSTEM

CAI A-ning
（CAST-Xi’an Instituteof Space Radio Technology，Xi’an710000，China）

Cryopump system providesvacuum environmentneeded and ismainly used in nuclear industry，aviation industry and space industry，especially in national large science and technology projects such asmanned spaceflights，launch vehicles，large acceleraters and space payloads，etc..This paper summarize the failure causes and debuggingmethods of the cryopump system in operation，and w ill provide reference for failure analysis and elimination，equipmentmaintenance during cryopump system operations.

cryopump system；failure；cause；elimination

TB65

A

1006-7086（2016）04-0233-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.011

2016-06-14

蔡阿寧（1969-），男，陜西武功人，高級(jí)工程師，從事真空與低溫設(shè)備的運(yùn)行管理等工作。E-mail：caianing@126.com。