全密封氣溶膠系統(tǒng)的整體漏率優(yōu)化設(shè)計

姚永峰

（上海工物高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，上海 201306）

工業(yè)的快速發(fā)展為我國邁入世界強(qiáng)國奠基了基礎(chǔ)，但在快速發(fā)展的同時，越來越多的研發(fā)單位開始注意研發(fā)人員健康的重要性，如化工、核領(lǐng)域和藥物等工作環(huán)境的空氣中混入了對人體有害的物質(zhì)，形成看不見摸不著的氣溶膠，吸入人體后會對健康產(chǎn)生較大危害。

本文涉及的新型氣溶膠監(jiān)測儀稱為全密封氣溶膠監(jiān)測儀，是一款檢測含有放射性物質(zhì)的氣溶膠，可通過探測器探測放射性物質(zhì)的能譜圖，再通過算法算出濃度值，從而算出判斷限來確認(rèn)被檢測氣溶膠是否符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。本文主要論述了該設(shè)備的全密封機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達(dá)到系統(tǒng)不泄露且最終驗證滿足設(shè)備整體漏率指標(biāo)的目的。

1 氣溶膠概述

氣溶膠是以空氣為分散介質(zhì)，以固態(tài)或液態(tài)的微粒為分散質(zhì)的膠體體系。分散介質(zhì)為空氣、分散質(zhì)為液態(tài)的氣溶膠稱為霧，分散質(zhì)是固態(tài)的氣溶膠稱為煙。自然界中為固態(tài)或液態(tài)的微粒包括塵土、炭黑、水滴及其凝結(jié)核、凍結(jié)核等，還包括細(xì)菌、微生物、植物花粉以及孢子等，也可人工制造，如煙幕等。氣溶膠的粒子范圍為10-3μm～104μm，由此可見氣溶膠微粒的尺寸變化可達(dá)5～7個數(shù)量級[1]。從流體力學(xué)角度來看，氣溶膠實質(zhì)上是氣態(tài)為連續(xù)相且固、液態(tài)為分散相的多相流體。

2 全密封氣溶膠監(jiān)測儀系統(tǒng)

全密封氣溶膠監(jiān)測儀用來監(jiān)測某環(huán)境是否含放射性氣體的一種監(jiān)測設(shè)備。在監(jiān)測環(huán)境中對待測容器罐取樣，將該容器罐接入全密封氣溶膠監(jiān)測儀，形成內(nèi)循環(huán)，最終達(dá)到監(jiān)測目的。

全密封氣溶膠監(jiān)測儀的系統(tǒng)框架圖如圖1所示。為了達(dá)到監(jiān)測的目的，系統(tǒng)由控制數(shù)據(jù)及處理終端、α能譜測量模塊、數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制模塊、嵌入式控制模塊、供電模塊以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊共6個模塊組成。而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊由在線監(jiān)測模塊和結(jié)構(gòu)模塊相互集成而成。

圖1 系統(tǒng)框架

本文研究以使整體滿足漏率為主要目的，因此主要講解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的全密封設(shè)計。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的密封設(shè)計

3.1 基本原理與結(jié)構(gòu)

基本原理分2步。第一步是采集樣本。將采集泵作為動力源，使氣溶膠在一定時間循環(huán)起來。循環(huán)過程中經(jīng)過采樣濾紙，濾紙上會殘留氣溶膠的懸浮物，即可達(dá)到采樣的目的。第二步是讀取樣本。在讀取采樣數(shù)據(jù)的過程中，需要在真空環(huán)境下進(jìn)行測量，以取得更精確的數(shù)據(jù)。此時需要控制2個電磁閥前、后端的管路，通過采集泵進(jìn)行抽真空。在真空環(huán)境下可以穩(wěn)定地測量出累積在濾紙上的放射性核素能量，從而為后續(xù)計算賦值。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊示意圖如圖2所示。整個氣溶膠循環(huán)通過采集泵提供動力，使氣溶膠循環(huán)起來。氣溶膠接入全密封監(jiān)測儀進(jìn)氣口后，通過進(jìn)氣口手動球閥、進(jìn)氣口電磁閥到采集腔，進(jìn)行氣溶膠檢測。氣體從采集腔出來后，經(jīng)過四通裝置到流量計，再通過動力源采集泵流到出氣口電磁閥。經(jīng)過出口手動球閥后與容器的另一端相通，實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊示意圖

值得注意的是，采集腔是全密封設(shè)備的核心采集單元，要求進(jìn)氣口手動球閥、進(jìn)氣口電磁閥和采集腔處在同一直線上，目的是當(dāng)氣溶膠進(jìn)入設(shè)備管路后、到達(dá)濾紙前，盡可能避免氣溶膠粒子掛壁、殘留拐彎處等不利因素，保證探測器能夠精準(zhǔn)采集氣溶膠的真實數(shù)據(jù)。

此外，在整個系統(tǒng)方案中可以看出，采集泵和冷水機(jī)相連，原因是采集泵在工作狀態(tài)下會產(chǎn)生熱量，被密封后，需要將密封腔室內(nèi)的溫度導(dǎo)到外部，通過冷水機(jī)與外界進(jìn)行熱交換。

3.2 關(guān)鍵器件選型

對氣溶膠循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件進(jìn)行選型時，市面上少有能滿足＜1×10-8Pa·m3/s漏率指標(biāo)要求的器件，因此需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行二次處理。

關(guān)鍵器件選型的主要核心漏率指標(biāo)一覽表見表1。從表1可以看出，進(jìn)出口電磁閥、采樣泵、壓力傳感器、溫/濕度傳感器都需要經(jīng)過密封才可達(dá)到漏率指標(biāo)要求。

表1 氣路循環(huán)關(guān)鍵器件選型的核心漏率指標(biāo)和措施

3.3 管路、管接頭的選型

氣溶膠監(jiān)測結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是使氣溶膠全部流經(jīng)濾紙膜，將α粒子殘留在濾紙上，通過探測器檢測出α粒子數(shù)，以更精準(zhǔn)地計算出氣溶膠濃度?；谏鲜鲆?，在設(shè)計過程中，應(yīng)使氣溶膠流體經(jīng)過的地方盡可能光滑，避免α粒子掛壁。因此設(shè)計要求管路內(nèi)壁光滑。由于流體內(nèi)含有氫，氫具有易燃易爆的特性，因此必須具有防爆設(shè)計。在管路的選型上，管徑計算很重要。該工況要求流速v=15m/s，流量Q=60L/min的氣溶膠，管路的流量如公式（1）所示。

可推導(dǎo)D=（4Q/VΠ）1/2=0.0092m=9.2mm。采用內(nèi)壁直徑＞9.2mm的管材，經(jīng)過選型，擬采用1/2″、壁厚為0.049″的管材，并計算其內(nèi)徑，如公式（2）所示。

除去內(nèi)部的流阻，選用1/2″的管徑基本符合要求。另外，管路還需要防爆，該型號工作額定壓力值為25.493MPa（3700psig），完全滿足防爆要求。因此，后面的管路設(shè)計基本按照1/2″的管路進(jìn)行選型設(shè)計。與之相配的管接頭采用密封性能優(yōu)良的卡套接頭。擰螺絲時前卡套、后卡套擠壓卡套接頭，形成金屬密封，一般情況下都能達(dá)到漏率＜1×10-12Pa·m3/s的密封效果。安裝時應(yīng)嚴(yán)格按照供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝拆。

3.4 密封溝槽設(shè)計

在全密封、高標(biāo)準(zhǔn)的要求下，細(xì)微的漏點也會導(dǎo)致整個項目前功盡棄，因此可拆卸的端面密封設(shè)計尤為重要，研究溝槽設(shè)計和“O”形圈的選型是關(guān)鍵。從設(shè)計思路來看，為了達(dá)到降低泄露率、低壓低逸散的效果，本文采用高過盈、高填充設(shè)計方案。

為了取得理想的密封效果，進(jìn)行密封設(shè)計時，根據(jù)漏率＜1×10-9Pa·m3/s的級別進(jìn)行設(shè)計。該密封設(shè)計為中低級的真空密封。該等級密封主要使用彈性體的“O”形圈進(jìn)行密封，其彈性體的肖氏硬度通常為65～80度，其嚙合表面細(xì)微凹凸的能力較好，因此是良好的真空密封件。

本設(shè)備的工況介質(zhì)為內(nèi)部壓強(qiáng)為50kPa的負(fù)低壓、溫度為14℃～25℃的低真空環(huán)境，但進(jìn)行設(shè)備驗收時，需要將漏率值抽到本底＜5×10-10Pa·m3/s，此時真空度為0.1Pa～0.6Pa，屬于中高真空的范圍，因此進(jìn)行設(shè)計時需要根據(jù)中高真空的標(biāo)準(zhǔn)。

真空密封通常與液壓靜密封不同，在此工況下，其溝槽設(shè)計應(yīng)遵行如下設(shè)計思路。1）安裝溝槽空間幾乎100%被“O”形圈變形后的體積充滿，可增加接觸面積并延長氣體透過彈性體擴(kuò)散的時間。2）“O”形圈截面壓縮率約30%。3）“O”形圈內(nèi)徑拉伸率為0.5%～2%，可使“O”形圈內(nèi)圈更好地貼合溝槽內(nèi)圈。4）安裝溝槽各表面光潔度應(yīng)比液壓靜密封高。5）“O”形圈應(yīng)選用兼容氣體、低氣體滲透率和低壓縮形變的材料。

基于上述要求，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)有的空間進(jìn)行溝槽設(shè)計布局。本文以電磁閥密封腔室為例。腔室的密封溝槽為矩形密封溝槽，周長為763.42mm，折算為成圓形的直徑為Ф243.13mm，該直徑為選擇“O”形圈的必要條件，可選擇市面上現(xiàn)有的內(nèi)徑Ф239mm、線徑4.2mm的“O”形圈。然后需要通過理論計算來確定是否滿足上述要求。計算表格見表2～表4，表中通過內(nèi)部計算公式算出了相應(yīng)數(shù)值，已知條件包括溝槽內(nèi)徑、預(yù)計選用的“O”形圈的內(nèi)徑/線徑。經(jīng)過計算，填充率為95.5%，幾乎接近100%，滿足上述條件1；“O”形圈的過盈率（即壓縮率）為31%，接近30%，滿足上述條2；內(nèi)徑拉伸率為1.73%，為0.5%～2%，滿足上述條件3。

表2 計算表格

表3 基本尺寸

表4 進(jìn)階尺寸

為了滿足條件3，除了“O”形圈內(nèi)圈可以更好地貼合溝槽的內(nèi)圈外，還要考慮盡量貼合溝槽內(nèi)圈，以填補(bǔ)加工誤差引起的端面間隙?！癘”形圈擠壓示意圖如圖3所示?！癘”形圈在溝槽中受介質(zhì)壓力作用下會發(fā)生變形，“流”向間隙位置，達(dá)到密封效果。

圖3 “O”形圈擠壓示意圖

為了滿足條件4，“O”形圈將貼近規(guī)則或不規(guī)則的密封端面，密封表面不應(yīng)有開槽、劃痕和凹坑等加工痕跡。尤其是在真空密封環(huán)境下，微小的劃痕都有可能會成為小分子（氫、氦分子）的逃逸通道。確認(rèn)溝槽的位置和基本尺寸后，需要在微觀上對其限定。溝槽的公差一般在溝槽內(nèi)、外側(cè)，根據(jù)如圖4所示的限定條件給出表面粗糙度和溝槽的r角。一般密封要求越高，給定的限定條件就越高，加工成本也就越高，需要在實際生產(chǎn)中綜合考慮性能和成本間的關(guān)系。

圖4 溝槽尺寸

電磁閥密封腔室安裝溝槽尺寸見表5，表5為結(jié)合圖4的限定條件和實際環(huán)境情況選用的溝槽尺寸。

表5 電磁閥密封腔室安裝溝槽尺寸（mm）

為了滿足條件5，密封材料的彈性體一般采用氟橡膠（FKM）進(jìn)行密封。氟橡膠是一種耐熱/耐油性好、放氣量小、透氣性低、耐高溫且耐各種介質(zhì)的密封材料。在高溫、真空中出氣率較低（在2.6×10-7Pa下的失重為2.3%），可用于10-5～10-7Pa的真空密封。采用雙“O”形圈密封結(jié)構(gòu)，烘烤到200℃，加上冷卻措施可到10-8Pa的超高真空，因此氟橡膠的真空氫能極好[2]，具有邵氏硬度75度以上的高密度有機(jī)分子，具有良好的回彈性，對小分子氣體的密封較好?；谏鲜鰞?yōu)點，較適宜采用氟橡膠。

3.5 密封腔室設(shè)計

由于電磁閥和采集泵的漏率指標(biāo)達(dá)不到要求，因此需要對電磁閥和采集泵單獨(dú)二次密封處理。

3.5.1 電磁閥密封腔室設(shè)計

電磁閥采用二次密封的方案，同軸電磁閥封裝于密封殼中，以滿足整體漏率要求，密封外殼可拆裝。詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計布局如圖5所示。安裝底板、密封外殼和“O”形圈，組合成為密封腔室，通過4個ISO-KF25緊箍延伸管路與系統(tǒng)連接。設(shè)計按照漏率＜1×10-9Pa·m3/s的級別進(jìn)行。

圖5 電磁閥密封腔室

在結(jié)構(gòu)布局方面，將電磁閥（入）和電磁閥（出）共用密封腔室，空間和成本都得到較大節(jié)省。由于電磁閥的漏率指標(biāo)沒有達(dá)到要求，因此存在一定泄漏量，隨著時間推移，密封腔室內(nèi)會存在一定量氫氣，為了安全考慮，在密封腔室內(nèi)部增加氫氣傳感器，以檢測氫氣濃度。超過閾值時，傳感器向上位報警，可以通過泄壓閥將氫氣排掉。內(nèi)部線纜通過氫氣貫穿件和電磁閥貫穿件與外部連接，同時為了防止錯誤插拔，本文將2個貫穿件進(jìn)行了防呆設(shè)計。

電磁閥的密封腔室采用3mm的304不銹鋼板材，焊接工藝采用氬弧焊接，加工完成后通過氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢漏，以確保腔室漏率要求。

3.5.2 采集泵密封腔室設(shè)計

由于采集泵漏率指標(biāo)達(dá)不到要求，因此采用二次密封的方式進(jìn)行設(shè)計。二次密封的密封腔室的設(shè)計與電磁閥密封腔設(shè)計類似，溝槽設(shè)計在理論與上文介紹的思路一致，在此就不再詳細(xì)贅述。

此外，由于該腔室的體積較大，設(shè)計時還要考慮焊接影響，防止焊接時應(yīng)力消除導(dǎo)致變形鈑金變形，因此需要增加加強(qiáng)筋以保證焊接不易變形。

3.6 采集腔模塊設(shè)計

采集腔是采集氣溶膠數(shù)據(jù)的重要器件。設(shè)計時為了防止氣溶膠顆粒掛壁，要求內(nèi)部表面粗糙度在Ra=0.6μm以下，氣流通道以光滑平緩的原則進(jìn)行設(shè)計。如圖6所示，模塊主要由12種零件組成一個漏率低于10-9Pa·m3/s的密封腔室。

圖6 采集腔

測試濾紙事先安裝在濾紙快裝組件上，以抽屜的形式經(jīng)過導(dǎo)軌安裝在待測區(qū)，并進(jìn)行高密封固緊。此時快裝組件安裝完畢。采用抽屜式的安裝方式能快速更換濾紙，增加手柄可使抽拉過程更方便。

在采集泵的負(fù)壓下，待測的氣溶膠通過上管件接頭進(jìn)入腔室，再通過分流罩的球面將氣溶膠均勻地分散到腔室內(nèi)部，充盈在腔體內(nèi)部，非常有利于氣溶膠均勻地通過濾紙，為準(zhǔn)確采集氣溶膠的數(shù)據(jù)打下良好的基礎(chǔ)。在濾紙下面增加一個燒結(jié)濾芯，使其起到支撐濾紙的作用。最后氣溶膠通過下管件接頭流入下一環(huán)節(jié)。

此外，為了該采集腔模塊能夠更好地集成到氣溶膠的設(shè)備上，本文進(jìn)行了模塊化設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)緊湊，便于維護(hù)安裝。

3.7 四通裝置的設(shè)計

為了監(jiān)測管路內(nèi)的環(huán)境，如溫度、濕度和壓力等關(guān)鍵指標(biāo)，需要在管道內(nèi)部安裝相應(yīng)的傳感器。但又因為漏率要求較高，所以只能通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式來達(dá)成漏率指標(biāo)。四通裝置如圖7所示，巧妙地利用四通將溫濕度、壓力傳感器集成在一起，箭頭流入①號為口進(jìn)氣，箭頭流出②號為口出氣，③號口為壓力傳感器連接部分，④號口為溫濕度傳感器連接部分，端面采用“O”形圈進(jìn)行密封，另外為了防止貫穿件1和貫穿件2插拔錯誤，將2個貫穿件進(jìn)行了防呆設(shè)計。

圖7 四通裝置

4 驗證合格測試

4.1 檢測合格標(biāo)準(zhǔn)

整機(jī)漏率指標(biāo)為＜1×10-8Pa·m3/s。

4.2 檢測方法

由于需要達(dá)到整體漏率指標(biāo)，本檢測利用氦罩法進(jìn)行檢漏。氦罩法是利用氦氣罩（一般用所料薄膜罩）把被檢測容器的可疑部位全部包起來，將罩中空氣趕出，再充入氦氣，使氦的濃度升高。此時，檢漏儀的輸出指示值如有變化，就表示被氦氣罩住的部分有漏孔，檢漏儀所指示的漏率即為該氦罩區(qū)域的總漏率[3]。

用檢漏儀對氣室抽真空至本底，待本底信號＜5.0×10-10Pa·m3/s，對整個設(shè)備套裝柔性氦罩。現(xiàn)場驗證如圖8所示，通過氦罩將被檢測部位包住，利用真空泵將氦罩內(nèi)空氣抽走，再對氦罩內(nèi)充氦氣，保證氦罩內(nèi)氦氣充足的情況下檢測15min。檢漏儀泄露信號平穩(wěn)后，檢漏值小于漏率指標(biāo)即為合格。

圖8 現(xiàn)場驗證

需要說明的是，15min的等待時間是非常嚴(yán)格的，在這段時間內(nèi)，管道內(nèi)部為0.1Pa～0.6Pa的真空環(huán)境，為了驗證氦罩內(nèi)的氦分子很難滲透到管道內(nèi)部，同時使氦罩內(nèi)的氦氣濃度保持在一定范圍內(nèi)，需要每5min向氦罩內(nèi)再充入一定氦氣。為了保證15min的驗收可靠性，檢驗時需要將檢測等待時間延長至20min，以冗余量來確保驗收成功。

4.3 驗證結(jié)果

測試的數(shù)據(jù)記錄見表6。

表6 測試數(shù)據(jù)

通過表6數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)備的漏率測量結(jié)果為20min內(nèi)的數(shù)據(jù)均＜1×10-8Pa·m3/s且數(shù)據(jù)呈下降趨勢，說明密封效果較好，沒有出現(xiàn)滲漏等現(xiàn)象，符合漏率指標(biāo)要求，驗證合格。

5 結(jié)論

作為一個成功的項目，全密封氣溶膠監(jiān)測儀已對客戶完成交付，得到了客戶的認(rèn)可。成功的關(guān)鍵主要是研發(fā)初期對需求的充分理解，對高性能密封技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

該設(shè)備是一款完全從0到1的新產(chǎn)品，雖然在開發(fā)過程中出現(xiàn)了一些小問題，但研究方向是正確的，最終完成了整個設(shè)備的交付。全密封氣溶膠連續(xù)檢測儀的結(jié)構(gòu)密封看似簡單，但一定要注意“局部微漏，全盤皆漏”，設(shè)計、裝配和驗證都需要嚴(yán)謹(jǐn)對待。

該設(shè)備的開發(fā)運(yùn)用了真空技術(shù)，使科研人員能夠判斷所處的研究環(huán)境是否會對健康產(chǎn)生威脅。該款監(jiān)測儀解決了用戶的痛點，為各類科研機(jī)構(gòu)的科研人員保駕護(hù)航。