試驗臺架獨立抽空和自動吹洗系統(tǒng)的研制

王 旸

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

圖2 系統(tǒng)獨立抽空和自動吹洗改造局部示意圖Fig.2 Partial schematic diagram of system independent evacuation and automatic flushing renovation

本院某考核試驗系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，包含兩組考核樣機(jī)，若按照傳統(tǒng)方式布置，一般安裝在供收料管線兩側(cè)，從而最大程度地利用空間。該考核系統(tǒng)應(yīng)用于新機(jī)型研制階段，可實現(xiàn)一組樣機(jī)（A 組）用于計劃進(jìn)行長期運行考核，另一組樣機(jī)（B 組）進(jìn)行多批次的更換考核。如圖1 所示，其中B 組樣機(jī)更換考核設(shè)備時，延續(xù)常規(guī)技術(shù)路線進(jìn)行拆機(jī)需要完成4 步操作。包括機(jī)器全部停機(jī)，停機(jī)后系統(tǒng)8次的吹洗，吹洗結(jié)束后對B 組樣機(jī)拆機(jī)，A 組樣機(jī)重新啟動。其中拆除B 組樣機(jī)時，A 組必須陪同停機(jī)，整個B 組樣機(jī)拆除操作時長約42h，其中需要人工操作和監(jiān)控的時長為18h。因此，從提高工作效率的角度，本文研制了一套帶有獨立抽空和自動吹洗系統(tǒng)的試驗臺架，用于減少試驗過程中人工操作和監(jiān)控的時長。

圖1 各組樣機(jī)試驗操作時長示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test operation time of each group of prototypes

1 考核試驗系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及模擬試驗

1.1 考核試驗系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

實驗過程中人工操作和監(jiān)控的時長主要集中在A 組樣機(jī)重新啟動，以及階梯供料和B 組反復(fù)吹洗的時長。針對以上3 個操作環(huán)節(jié)，具體分析耗費長時間操作的主要原因。首先，目前試驗系統(tǒng)運行現(xiàn)狀為A 組和B 組共用1 套供收料管線和抽空管線。因此，A 組B 組需要同時停車后，A組機(jī)器才可重新啟動；其次，根據(jù)《新型樣機(jī)工藝操作規(guī)程》要求，B 組樣機(jī)停車需要占用較長時間，A 組樣機(jī)重新啟動后必須進(jìn)行臺階供料；最后，在B 組停機(jī)后，機(jī)器解體前吹洗去污是必不可少的環(huán)節(jié)，并且嚴(yán)格按照操作規(guī)程，完成氮氣的充入與抽空，其標(biāo)準(zhǔn)操作為充氣壓力要求100hPa，充氣速度不大于300Pa/s，抽空壓力10Pa，重復(fù)8 次。最終確定吹洗的實際操作時長約6h，其中占用人工資源現(xiàn)場操作總時長3h，重復(fù)操作較多，因此有自動化提升的可能。

為此提出了改變系統(tǒng)現(xiàn)狀的初步設(shè)想：設(shè)計兩套獨立供收料管線以及抽空管線，并增設(shè)自動吹洗系統(tǒng)。但由于獨立抽空功能能夠解決A 組陪同停機(jī)的問題，而兩套獨立供收料管線成本將增加數(shù)十萬，因而最終確定解決方案為增加獨立抽空功能和設(shè)計自動吹洗系統(tǒng)，突破現(xiàn)有試驗系統(tǒng)操作的局限性。根據(jù)解決方案確定實際目標(biāo)為將原有系統(tǒng)更換設(shè)備的人工操作時長約18h，通過新系統(tǒng)的研制可以保證機(jī)器不停機(jī)條件下，將時間降低至2h。

1.2 樣機(jī)考核運行模擬試驗

針對需要解決的問題進(jìn)行了試驗?zāi)M，首先是系統(tǒng)獨立抽空功能的試驗?zāi)M。試驗過程為A 組在原系統(tǒng)管線考核，B 組使用移動泵組模擬獨立抽空線路。在原有設(shè)定操作環(huán)節(jié)中，可實現(xiàn)B 組機(jī)器獨立抽空停車，A 組機(jī)器不停機(jī)情況下0.5h 內(nèi)完成直接供料至額定工況繼續(xù)考核。接下來是手動吹洗模擬試驗，在試驗管線初始狀態(tài)檢查無誤后，操作人員進(jìn)行手動操作測試，期間監(jiān)控管線壓力，完成氮氣的吹入和抽空，重復(fù)操作8 遍共用時6h，其中需要人工現(xiàn)場監(jiān)控，操作時間3h。設(shè)想設(shè)備與吹洗管線連通后，使用自動控制取代人工操作及監(jiān)控，預(yù)計將整個吹洗過程的人工操作時長可縮減至1.5h。通過以上模擬試驗和自動控制設(shè)想，可以看出增加獨立抽空管路后，人工參與操作的恢復(fù)樣機(jī)供料時長縮減至0.5h，累加樣機(jī)自動吹洗作業(yè)中人工參與時長，整個試驗的人工操作時長可縮減至2h，因此目標(biāo)值可行。

2 技術(shù)改進(jìn)措施

2.1 改造方案

首先針對獨立抽空系統(tǒng)，建立獨立抽空管線與臺架連接。一種改進(jìn)方案是在臺架供料端另一側(cè)安裝，另一種方案是從供料端同側(cè)安裝。由于同側(cè)安裝管線復(fù)雜，難于實現(xiàn)將抽空線從供料線分離出來，因而選擇在另一側(cè)安裝抽空線，且加裝控制閥門與樣機(jī)相連。其次，自動吹洗系統(tǒng)，借鑒氣體流向原理和編程控制程序，滿足抽空不同階段對速度要求的不同，設(shè)計了帶限流裝置和不帶裝置的兩條管線，同時考慮到閥門損壞時需要手動切換線路，因此構(gòu)思出了抽空線路的改造設(shè)計方案。

2.2 確定細(xì)化方案

根據(jù)設(shè)計方案分解確定細(xì)化方案，其中包括管徑、氣源、自動閥門、閥門鏈接方式，控制系統(tǒng)、限流裝置、抽空泵、測量計、管道材質(zhì)，是否有獨立支撐10 個部分。

第一，氣源的選擇。氮氣（N2）[1]通常狀況下是一種無色無味的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冷卻至-195.6℃時，變成無色液體即液氮，冷卻至-218.8℃時，液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮氣的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，常溫下很難跟其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。對比罐裝氮氣和液氮儲罐，液氮的優(yōu)點為：首先是制備簡單，成本低廉；其次是液氮運輸安全，使用方便，而且液氮的降溫能力強(qiáng)。因此綜合考慮，選擇液氮作為氣源。

第二，閥門的優(yōu)選。自動閥門是自動吹洗設(shè)備中的關(guān)鍵零件，針對氣動閥門和電磁閥門進(jìn)行試驗篩選。首先，氣動閥門需要通過壓空線中的氣體對閥門進(jìn)行控制，然后通過氣缸里的活塞上下運行帶動閘板打開和關(guān)閉閥門，而電磁閥門通過控制器按設(shè)定的通信協(xié)議傳輸信號對閥門的通斷進(jìn)行控制，并可以實現(xiàn)閥門正常的通斷和對異常誤動作情況進(jìn)行指示燈指示和報警。針對兩種不同工作原理的閥門，通過斷電試驗測試閥門斷電后的開關(guān)狀態(tài)，均可達(dá)到要求。再次，通過低溫試驗驗證了短時低溫狀態(tài)對閥門無影響，最終根據(jù)試驗結(jié)果選擇采用價格便宜，斷電可以閉合的電磁閥門。

第三，閥門連接器選擇。閥門連接一般有承插焊、螺紋連接、KF 接口等方式，選擇閥門連接方式時必須注意兩個要點：首先是閥門和管道間安裝空間的限制，其次是連接器密封性的保證。通過對比優(yōu)選，選擇了滿足安裝漏率小于1.3×10-7（Pa·L/s），同時更方便拆裝的KF 連接口。

第四，控制器的選擇。工控機(jī)式的保護(hù)與自動化有很多優(yōu)越性，基于不同系列工控機(jī)和嵌入式視窗操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)中小型試驗系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)和自動化功能。工控機(jī)式保護(hù)裝置的保護(hù)實現(xiàn)方法和基于單片機(jī)的繼電保護(hù)裝置有很大的區(qū)別，工控機(jī)的控制形式經(jīng)過動模實驗表現(xiàn)出很好的抗干擾能力，運行穩(wěn)定可靠，還具有用戶界面友好直觀，處理分析試驗數(shù)據(jù)的功能齊全等優(yōu)點。因此，選擇了可編程靈活且能實現(xiàn)吹洗工藝流程的工控機(jī)作為該試驗系統(tǒng)的控制器。

第五，限流裝置的選擇。限流裝置在試驗系統(tǒng)中的作用是限制流體的流量或降低流體的壓力，一般選用限流孔板安裝至系統(tǒng)管道內(nèi)。該類限流孔板為同心銳孔板，流體通過孔板產(chǎn)生壓差，流量隨壓差增大而增大，但當(dāng)壓差超過一定數(shù)值，即超過臨界壓差時，即使壓力增大，流量也將維持一定的數(shù)值不再增加。因此，根據(jù)限流孔板的原理選定適合吹洗充氮抽空速度要求的孔板孔徑作為限流裝置。

第六，測量計的選擇。應(yīng)用于該試驗系統(tǒng)中對壓力的精密測量需要較高的要求，所需的壓力傳感器是測量管道氣體的表壓、絕對壓力、負(fù)壓和壓差，也就是必須提供試驗中吹洗作業(yè)時以高純氮氣為工作介質(zhì)，用測量的量程更廣的測量計來測量管道壓力。因此，該試驗裝置選壓力真空計[2]來測量管道壓力。使用時壓力最高可達(dá)到數(shù)兆帕，滿足試驗需求。

第七，管徑的選擇。由于系統(tǒng)建設(shè)空間所限，只針對DN15 和DN25 管徑進(jìn)行對比選擇，基于流體力學(xué)理論導(dǎo)出等溫氣體管道壓降計算模型和公式，理論計算帶有彎頭和閥門的水平或垂直管道流動的壓降差，通過計算最終選擇壓降[3,4]更小的DN25 的管道。

第八，抽空泵的選擇。試驗中的吹洗作業(yè)需要應(yīng)用抽空泵組將管道內(nèi)充入的氮氣抽空，并保證管道壓力在10Pa以內(nèi)，而單一種類的真空泵不能完全適用該試驗系統(tǒng)的極限抽空要求，因此根據(jù)要求的工作壓強(qiáng)范圍和條件選用了不同類型的真空泵組成機(jī)組，即應(yīng)用羅茨泵和璇片泵的組合泵作為本次試驗系統(tǒng)的抽空設(shè)備。

第九，管道材質(zhì)優(yōu)選。通過對比相同公稱直徑且符合屈度等性能要求的各種管材，科學(xué)評分后進(jìn)行由高到低的排序，最終找到適合該試驗系統(tǒng)具有更耐腐蝕的不銹鋼作為管道材料。

第十，支撐的選擇。獨立抽空的系統(tǒng)有6 個DN25 手動閥門，手動閥門的重量是35.09kg，通過利用ANSYS軟件[5]對抽空系統(tǒng)管道關(guān)鍵部位進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，分析其變形情況、受力情況。軟件仿真結(jié)果表明，該抽空系統(tǒng)的關(guān)鍵部位的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其承受能力，最終確定對獨立抽空系統(tǒng)設(shè)計獨立支撐。

3 改進(jìn)措施實施效果

根據(jù)細(xì)化的改造方案，完成具體的實施效果。

實施效果1：設(shè)計管道圖紙，選用管材實現(xiàn)系統(tǒng)管道搭建。具體操作是選用CAD 和犀牛繪圖軟件設(shè)計管線圖。根據(jù)管線圖定制符合設(shè)計要求的不銹鋼材料管道，保證尺寸合格，并按照設(shè)計圖紙完成安裝，系統(tǒng)管線安裝完畢后使用探漏儀進(jìn)行探漏，探漏合格。

實施效果2：制作支撐架，與獨立抽空系統(tǒng)連接，實現(xiàn)管道受力點支撐。具體操作是設(shè)計獨立支撐圖紙后，使用ANSYS 軟件進(jìn)行受力分析，最后完成支撐架的現(xiàn)場安裝，安裝完成后測試水平度達(dá)標(biāo)，受力點均勻。

實施效果3：安裝真空計，實現(xiàn)管道壓力值的實時監(jiān)測。具體操作是真空計按照設(shè)計圖紙安裝，并使用儀表和現(xiàn)場系統(tǒng)檢查是否工作正常，最終通過管道壓力監(jiān)控判斷信號輸出穩(wěn)定，探漏合格。

實施效果4：安裝KF 接口的電磁閥門，并加裝簡易孔板，保證閥門漏率合格，不過流。具體操作是選擇電磁閥門連通孔板閥門連接口，并按圖紙要求安裝，安裝前對閥門進(jìn)行探漏和過流檢查，安裝后檢查電磁閥門符合工藝要求，并可以根據(jù)接收信號進(jìn)行開關(guān)，漏率合格。

實施效果5：在工藝流程轉(zhuǎn)化正確條件下，完成工控機(jī)安裝調(diào)式，工控機(jī)安裝完成后，實現(xiàn)工控機(jī)與閥門的通訊，確保閥門開關(guān)控制正確。具體操作是安裝工控機(jī)時，對工控機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，實施后檢查程序能接收信號，按吹洗工藝流程執(zhí)行閥門正確動作。

圖3 系統(tǒng)改造過程樹圖Fig.3 System transformation process tree diagram

圖4 系統(tǒng)管線搭接流程圖Fig.4 Flow chart of system pipeline connection

實施效果6：選擇合適真空泵組，并按照圖紙完成安裝，實現(xiàn)運行平穩(wěn)，達(dá)到抽空要求。具體操作是選擇極限抽空達(dá)到10-2Pa 重級的WAU251/D40B 的真空泵組，將選好的泵組按圖紙接進(jìn)系統(tǒng)。檢查泵運行平穩(wěn)，啟動后抽空線壓力達(dá)到5Pa。

實施效果7：銅管連接液氮，實現(xiàn)液氮跟系統(tǒng)連接。具體操作是將液氮用銅管跟電磁閥門連接好，保證液氮不會從連接處漏出。

4 效果檢查總結(jié)

圖5 系統(tǒng)改進(jìn)后各組樣機(jī)試驗操作時長示意圖Fig.5 Schematic diagram of the test operation time of each group of prototypes after the system improvement

系統(tǒng)完成后，通過測量實際操作的人工用時來驗證實施效果。優(yōu)化系統(tǒng)前，人工操作時間是3 個階段，包括B組停車前的抽料，B 組樣機(jī)停車后的吹洗作業(yè)，以及A 組樣機(jī)陪同停車后再次啟動和階梯供料，累計共18h。通過獨立抽空管線節(jié)省了A 組樣機(jī)啟動環(huán)節(jié)，且A 組樣機(jī)卸料后進(jìn)行供料時不必分臺階進(jìn)行，只需0.5h 就可直接恢復(fù)考核工況，同時自動吹洗系統(tǒng)將人工干預(yù)時長縮短至1h。人工干預(yù)總時長1.5h，目標(biāo)達(dá)成。該實施效果有效降低了工作人員勞動強(qiáng)度，并在一定程度上實現(xiàn)了自動化作業(yè)，同時保證了臺架試驗的可靠性和穩(wěn)定性越來越好。