用于真空绝热管路抽抽技术的研究

用于真空绝热管路抽抽技术的研究

1不经内部抽空管路该管道从1995年8月至10月、1999年9月至12月两次“重新泵送”，然后在2002年12月期间调整了一些管道的“部分减压和水分恢复”含义上的抽象。在本规范中，它被定义为不加热、加热和泵送的真空。这批真空管路经过了10年的使用和13次低温介质的冷流(液氢沸点20.39K,液氧沸点90.19K),其绝热性能依然保持良好,究其原因在于系统每隔3～4年进行一次重新抽真空,其抽空过程的严谨性及抽空工艺与设备配置的合理性保证了抽空结果的可靠和实际使用的要求。现就抽空过程所涉及到的各项内容作一回顾并对三次抽空试验的结果比对作一探讨,供实际工程中使用。2半数控制器抽空系统一般由抽空工装和抽空装置、真空测量、控制等组件组成。抽空装置一般包括抽气管路、阀门、真空泵或真空机组等。测量真空组件是指真空计,控制真空组件包括水、电和真空测量的控制部件。2.1主泵抽速的确定选取主泵的主要依据是:a.主泵的极限压力比被抽管件夹层极限压力低半个到一个数量级;b.管件夹层压力在主泵最佳抽速的压力范围内;c.由管件夹层的最大放气量、系统漏气量及所需要的工作压力来确定主泵抽速;d.被抽气体种类、被抽气体的成分以及气体含灰尘、杂质等情况;e.管件夹层被污染程度;f.投资及日常维护运转的费用。对于本文所研究的系统,管件最高极限压力为10-1Pa,管路要求的漏放气速率在1.33×10-6～1.33×10-5Pa·L/s之间。综合上述条件考虑,系统选取立式涡轮分子泵,它是一种近于无油的洁净真空泵,具有承受大气的冲击、启动快、制动快的优点。在真空室压力小于1.0×10-1Pa时,能够保证机组稳定运行。2.2临界前级压力选取前级泵的原则是:a.能达到主泵工作所需要的前级压力;b.在主泵允许的临界前级压力下,能将主泵所排出的最大气体量及时抽走;c.兼作粗抽泵使用的前级泵还需满足粗抽时间及粗抽真空度的要求。对于本文所研究的系统,选用旋片式机械泵,它是目前真空工业应用最多的机械泵。2.3.2高真空计在抽空技术中一般选用低真空计测量低真空区间的气体压力,选用超高真空计测量高真空区间的气体压力。对于本文所研究的系统,当粗抽时(分子泵尚未启动),选择(低真空计)热电偶真空计作为测量元件;分子泵启动后,选择热阴极电离真空计(高真空计)作为测量元件。2.4抽压剂的选择根据实际现场需要选择,抽空工艺管路所用材料应满足以下要求:a.气密性好;b.内部表面吸气量尽量少,若有吸气应易于除气;c.化学性能稳定;d.热稳定性好;e.其容积易于准确计算。对于本文所研究的系统,选择1Cr18Ni9Ti作为抽空工艺管路的材料,它也与被抽管路所用材料相同,此种材料的不锈钢具有出气量小、良好的可焊性和钎焊性,化学性能稳定。抽空设备中所用到的管架(或称平台),要保证工作状态的稳固和稳定性。3辅助工具的准备(1)主泵机组、检漏机组由专业人员调试合格;(2)准备置换用氦气、高纯氮;(3)准备循环水(冷却水);(4)准备动力电及电缆;(5)准备抽空、检漏用辅助用品,主要包括标准漏孔、检漏仪、真空脂、真空封泥、喷枪、气囊等。标准漏孔、规管应符合测量要求;(6)安装抽空工艺管,并与主泵机组及检漏仪连接,安装时螺栓均匀用力,对称拧紧,保证密封可靠;(7)安装支承被抽管件的管架或平台;(8)安装真空规管及真空计;(9)主泵机组试运行,检查真空计测量情况,按使用说明书进行操作,并检查供电供水。4采用随机抽取试验在抽空之前,为确保管路无大漏,管路密封性满足抽空要求,应先选取一定比率的管件做气密性试验。例如在2002年12月部分管件的“冷抽空”过程中,就采用了随机抽取(为了体现科学试验的普遍性原则)的方法,选取液氢软管一根、液氧硬管一根做气密性试验。将管路一端用堵盖密封严密,另一端用带有接管嘴的工装堵盖密封,通入1.6MPa氮气,检查进气软管、管路接头、密封处是否漏气,稳压5min后进行1h保压试验,见下表。5真空管的真空处理现就1995年和1999年“重新抽真空”与2002年“降低压强回升、部分恢复真空度”两种不同抽空情况分别介绍如下。5.1抽放气系统改造a.被抽管件上架:对中安装工艺抽空阀,位置应合适,并对此处进行检漏,采用氦喷吹法,由喷枪喷吹的位置确定漏孔的位置,对有疑点处采用盒罩法检漏。合格后关闭工艺抽空管通往检漏仪之间的阀门。b.测量产品管件剩余压强:当工装管压强回升小于1×10-1Pa时,关闭工艺阀,稳定2min后,记录此时工装管真空压强,记为p1;再分别打开各组封口阀,稳压1min后,记录此时夹层与工装管真空压强,记为p2。真空管件内剩余压强由下式计算:式中p—真空管件夹层真空压强,Pa;V1—工装管容积,L。c.对工装及管件夹层充N2气,进行抽空前的氮气置换。d.安装加热测温装置:每组中间管件外壁安置测温传感器,底部均匀安置加热板若干块,外部罩石棉被保温隔热,并密封加热腔,管件加热温度控制在120℃～150℃,封口阀处的温度不高于60℃(有冷却水循环),并做好记录。e.管件加热:连接封口阀冷却水、通水,并对产品管件进行加温,温度升至规定值后,保温48h。f.开分子泵机组连续抽真空,每隔1h记录机组及管件真空压强。抽空时间安排6～7天,连续24h开机。g.检测热漏放气速率:真空管件在抽空第5天,关闭抽空工艺阀,检测热漏放气速率,积累数据,为进行静态升压提供数据。h.静态升压:停止抽空,拆下石棉被,在常温下进行夹层管件静态升压,时间为72h。i.测漏放气速率、满足要求后进行产品封口:抽空机组对工装管再抽真空至5×10-3Pa,分别测各产品管件真空压力,计算其漏放气速率。漏放气速率由下式计算:式中p—管件夹层真空压强,Pa;V—管件真空容积,L;t—管件压强回升时间,s。为使真空系统在较短的时间内达到工作压力,应尽可能减少放气的影响,可采取以下措施:(1)用放气速率低的材料制作真空系统零部件;(2)采用喷砂、机械抛光、电化学抛光等表面处理措施;(3)采用三氯乙烯、四氯化碳、丙酮、汽油、乙醚等有机溶剂或碱液等化学清洗方法,以及电化学清洗、超声波清洗去除污染物;(4)系统抽气时,采用烘烤方法加速材料放气;(5)操作时尽可能缩短真空系统暴露大气的时间;(6)真空系统停止运转时,应在真空状态下保存。所得结果和管件真空压力与漏放气速率的设计值相比较,若符合要求,则继续对产品抽至极限真空,一般开机抽空7天后,进行封口。j.由熟练技术的专业人员将封口堵塞插进各管件,将工艺阀杆旋出,卸下工艺抽空阀,旋上封口罩,把管件抬下,封口罩处钎焊点固,管口保证封堵状态。特别说明:以上抽空过程是指“重新抽空”,严格抽空工序和流程,对管件进行重新抽真空,此种方法能够全面提高管件真空度到产品极限真空,可将绝热性能差的管件真空度恢复到出厂状态,甚至更好。在抽空周期无特别限制、各种抽空设备齐全的条件下进行。5.2真空抽抽5.2.1管件夹层压强回升测试前准备工作a.连接抽空机组及工艺管路,抽空机组调试运行,工艺管检漏,包括抽空阀伸拔时的检漏。b.被测管件上架:将工艺管分别与管件抽空嘴连接,但抽空嘴保持关闭状态,抽空装置如下图:2002年进行的抽空中,共有14根真空软、硬管上架。5.2.2检测压强回升:方法同5.1中b项。5.2.3对工装及管件夹层充N2气,进行抽空前的氮气置换。5.2.4开分子泵机组连续抽真空,每隔1h记录机组及管件真空压强。5.2.5连续抽空48h～72h,时间由预计达到的封口真空压强视具体情况而定,测量管件封口压强。例如2002年抽空,所用的工艺为:连续抽空48h后,动态下真空值在2.7×10-4Pa时,(动态真空值统一是为了所得结果的基准保持一致性)先测左边管路封口真空压强:关左边工艺阀及左边各组管件封口阀,稳定2min后,记录此时工装管真空压强,记为p1;再分别打开左边各组管件封口阀,稳压1min后,记录此时夹层与工装管真空压强,记为p2;再测右边同一组数据:方法同上,做好记录。管件封口压强也由式(1)计算。5.2.6将封口堵塞插进各管件,将工艺阀杆旋出,卸下工艺抽空阀,旋上封口罩,把管件抬下,封口罩处钎焊点固,管口保证封堵状态。特别说明:“降低压强回升,部分恢复真空度”这种抽空方法是在要求抽空周期短、管件真空度未破坏的条件下进行,此方法可使管件原有真空度得到适当提高,在真空管件需要急用,又需要其具有较理想的真空度时可供采用。6管道漏放气速率笔者选录1999年与2002年的抽空结果作一探讨,将未抽前管内漏放气速率、未抽前管内剩余压强及抽空后管内封口真空压强各值经过计算列于下表。a.由上表可得,真空管件在2002年抽空前测得的管内剩余压强在100Pa以下的管件为100%,而1999年重新抽真空前管内剩余压强在100Pa以下的为14.3%,大大低于这一回测得的值,这说明经过1999年重抽空后这批备件保持了较好的绝热性能。1999年重抽空方法得当,结果令人信服。b.管件真空寿命探讨:通常,低温下真空多层绝热要求的夹层压强为p≤133×10-4Pa,假定在常温下管件夹层在真空寿命内允许的压强回升为Δp≤100Pa,(且此值是近年来抽真空领域内普遍认可的压强回升值)假设真空寿命分别为3年、4年,则分别计算出管件夹层常温下允许的漏放气速率,即经历3年、4年后,管件在未抽空前允许的漏放气速率,将计算出的允许漏放气速率与表2中测得的真实值相比较,结果如下:①对于3m软件,夹层体积V=12L;设经历4年后,管件夹层压强回升Δp=100Pa;考核1999年抽空前管件,管内漏放气速率在9.51×10-6Pa·L/s以下的管件只有2#和6#;而2002年管件未抽空前管内漏放气速率均满足允许漏放气速率,这表明重新抽空的管件在超过3年到达第4年后,管件的绝热性能严重下降,漏放气速率增大。因此对于这批管件,其真空寿命定为3年,3年至4年间,管件仍可使用,但绝热性能将受影响,而管件超过4年后则不推荐再使用。为了进一步验证这一结论,再将表2中所列的4m硬管、2m硬管、3m硬管、凹凸三通、2.78m三通、2.5m三通在管件经历3年、4年后允许漏放气速率分别做一计算,其结果如下:②4m硬管:夹层体积V=22.4L;设经历4年后,管件夹层压强回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为管件经历4年后,漏放气速率均不满足允许漏率,而经历3年后,漏放气速率满足允许漏率。③2m硬管:夹层体积V=11.2L;设经历4年后,管件夹层压强回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为管件经历4年后,漏放气速率均不满足允许漏率,而经历3年后,漏放气速率满足允许漏率。④3m硬管:夹层体积V=16.8L;设经历4年后,管件夹层压强回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为管件经历4年后,漏放气速率均不满足允许漏率,而经历3年后,漏放气速率满足允许漏率。⑤凹凸三通:夹层体积V=8L;设经历4年后,管件夹层压回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为设经历3年后,管件夹层压回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为管件经历4年后,漏放气速率均不满足允许漏率,而经历3年后,漏放气速率满足允许漏率。⑥2.78m三通:夹层体积V=17L;设经历4年后,管件夹层压回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为设经历3年后,管件夹层压回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为管件经历4年后,漏放气速率均不满足允许漏率,而经历3年后,漏放气速率满足允许漏率。⑦2.5m三通:夹层体积V=15L;设经历4年后,管件夹层压回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为设经历3年后,管件夹层压回升Δp=100Pa;则允许漏放气速率为管件经历4年后,漏放气速率均不满足允许漏率,而经历3年后,漏放气速率满足允许漏率。结论:所研究管件真空寿命定为3年。3年至4年间,管件仍可使用,但绝热性能将受影响,而管件超过4年后则不推荐再使用。100Pa作为检验真空管件在常温下在真空寿命期内压强回升指标具有切实可行性。c.真空夹层漏放气的影响:确保真空夹层优良的气密性是获得并长期保持夹层优良真空度的先决条件。为此,焊缝、夹层结构分成及总成均应仔细检漏;夹层中材料的放气是引起夹层真空度下降的另一个主要原因;放气的来源有夹层内外金属壁的放气,铝箔及镀铝聚酯薄膜的放气以及隔垫材料的放气。为使真空系统在较短的时间内达到工作压力,应尽可能减少放气的影响,可采取以下措施:(1)用放气速率低的材料制作真空系统零部件;(2)采用喷砂、机械抛光、电化学抛光等表面处理措施;(3)采