用于真空絕熱管路抽抽技術(shù)的研究

用于真空絕熱管路抽抽技術(shù)的研究

1不經(jīng)內(nèi)部抽空管路該管道從1995年8月至10月、1999年9月至12月兩次“重新泵送”，然后在2002年12月期間調(diào)整了一些管道的“部分減壓和水分恢復”含義上的抽象。在本規(guī)范中，它被定義為不加熱、加熱和泵送的真空。這批真空管路經(jīng)過了10年的使用和13次低溫介質(zhì)的冷流(液氫沸點20.39K,液氧沸點90.19K),其絕熱性能依然保持良好,究其原因在于系統(tǒng)每隔3～4年進行一次重新抽真空,其抽空過程的嚴謹性及抽空工藝與設備配置的合理性保證了抽空結(jié)果的可靠和實際使用的要求?，F(xiàn)就抽空過程所涉及到的各項內(nèi)容作一回顧并對三次抽空試驗的結(jié)果比對作一探討,供實際工程中使用。2半數(shù)控制器抽空系統(tǒng)一般由抽空工裝和抽空裝置、真空測量、控制等組件組成。抽空裝置一般包括抽氣管路、閥門、真空泵或真空機組等。測量真空組件是指真空計,控制真空組件包括水、電和真空測量的控制部件。2.1主泵抽速的確定選取主泵的主要依據(jù)是:a.主泵的極限壓力比被抽管件夾層極限壓力低半個到一個數(shù)量級;b.管件夾層壓力在主泵最佳抽速的壓力范圍內(nèi);c.由管件夾層的最大放氣量、系統(tǒng)漏氣量及所需要的工作壓力來確定主泵抽速;d.被抽氣體種類、被抽氣體的成分以及氣體含灰塵、雜質(zhì)等情況;e.管件夾層被污染程度;f.投資及日常維護運轉(zhuǎn)的費用。對于本文所研究的系統(tǒng),管件最高極限壓力為10-1Pa,管路要求的漏放氣速率在1.33×10-6～1.33×10-5Pa·L/s之間。綜合上述條件考慮,系統(tǒng)選取立式渦輪分子泵,它是一種近于無油的潔凈真空泵,具有承受大氣的沖擊、啟動快、制動快的優(yōu)點。在真空室壓力小于1.0×10-1Pa時,能夠保證機組穩(wěn)定運行。2.2臨界前級壓力選取前級泵的原則是:a.能達到主泵工作所需要的前級壓力;b.在主泵允許的臨界前級壓力下,能將主泵所排出的最大氣體量及時抽走;c.兼作粗抽泵使用的前級泵還需滿足粗抽時間及粗抽真空度的要求。對于本文所研究的系統(tǒng),選用旋片式機械泵,它是目前真空工業(yè)應用最多的機械泵。2.3.2高真空計在抽空技術(shù)中一般選用低真空計測量低真空區(qū)間的氣體壓力,選用超高真空計測量高真空區(qū)間的氣體壓力。對于本文所研究的系統(tǒng),當粗抽時(分子泵尚未啟動),選擇(低真空計)熱電偶真空計作為測量元件;分子泵啟動后,選擇熱陰極電離真空計(高真空計)作為測量元件。2.4抽壓劑的選擇根據(jù)實際現(xiàn)場需要選擇,抽空工藝管路所用材料應滿足以下要求:a.氣密性好;b.內(nèi)部表面吸氣量盡量少,若有吸氣應易于除氣;c.化學性能穩(wěn)定;d.熱穩(wěn)定性好;e.其容積易于準確計算。對于本文所研究的系統(tǒng),選擇1Cr18Ni9Ti作為抽空工藝管路的材料,它也與被抽管路所用材料相同,此種材料的不銹鋼具有出氣量小、良好的可焊性和釬焊性,化學性能穩(wěn)定。抽空設備中所用到的管架(或稱平臺),要保證工作狀態(tài)的穩(wěn)固和穩(wěn)定性。3輔助工具的準備(1)主泵機組、檢漏機組由專業(yè)人員調(diào)試合格;(2)準備置換用氦氣、高純氮;(3)準備循環(huán)水(冷卻水);(4)準備動力電及電纜;(5)準備抽空、檢漏用輔助用品,主要包括標準漏孔、檢漏儀、真空脂、真空封泥、噴槍、氣囊等。標準漏孔、規(guī)管應符合測量要求;(6)安裝抽空工藝管,并與主泵機組及檢漏儀連接,安裝時螺栓均勻用力,對稱擰緊,保證密封可靠;(7)安裝支承被抽管件的管架或平臺;(8)安裝真空規(guī)管及真空計;(9)主泵機組試運行,檢查真空計測量情況,按使用說明書進行操作,并檢查供電供水。4采用隨機抽取試驗在抽空之前,為確保管路無大漏,管路密封性滿足抽空要求,應先選取一定比率的管件做氣密性試驗。例如在2002年12月部分管件的“冷抽空”過程中,就采用了隨機抽取(為了體現(xiàn)科學試驗的普遍性原則)的方法,選取液氫軟管一根、液氧硬管一根做氣密性試驗。將管路一端用堵蓋密封嚴密,另一端用帶有接管嘴的工裝堵蓋密封,通入1.6MPa氮氣,檢查進氣軟管、管路接頭、密封處是否漏氣,穩(wěn)壓5min后進行1h保壓試驗,見下表。5真空管的真空處理現(xiàn)就1995年和1999年“重新抽真空”與2002年“降低壓強回升、部分恢復真空度”兩種不同抽空情況分別介紹如下。5.1抽放氣系統(tǒng)改造a.被抽管件上架:對中安裝工藝抽空閥,位置應合適,并對此處進行檢漏,采用氦噴吹法,由噴槍噴吹的位置確定漏孔的位置,對有疑點處采用盒罩法檢漏。合格后關(guān)閉工藝抽空管通往檢漏儀之間的閥門。b.測量產(chǎn)品管件剩余壓強:當工裝管壓強回升小于1×10-1Pa時,關(guān)閉工藝閥,穩(wěn)定2min后,記錄此時工裝管真空壓強,記為p1;再分別打開各組封口閥,穩(wěn)壓1min后,記錄此時夾層與工裝管真空壓強,記為p2。真空管件內(nèi)剩余壓強由下式計算:式中p—真空管件夾層真空壓強,Pa;V1—工裝管容積,L。c.對工裝及管件夾層充N2氣,進行抽空前的氮氣置換。d.安裝加熱測溫裝置:每組中間管件外壁安置測溫傳感器,底部均勻安置加熱板若干塊,外部罩石棉被保溫隔熱,并密封加熱腔,管件加熱溫度控制在120℃～150℃,封口閥處的溫度不高于60℃(有冷卻水循環(huán)),并做好記錄。e.管件加熱:連接封口閥冷卻水、通水,并對產(chǎn)品管件進行加溫,溫度升至規(guī)定值后,保溫48h。f.開分子泵機組連續(xù)抽真空,每隔1h記錄機組及管件真空壓強。抽空時間安排6～7天,連續(xù)24h開機。g.檢測熱漏放氣速率:真空管件在抽空第5天,關(guān)閉抽空工藝閥,檢測熱漏放氣速率,積累數(shù)據(jù),為進行靜態(tài)升壓提供數(shù)據(jù)。h.靜態(tài)升壓:停止抽空,拆下石棉被,在常溫下進行夾層管件靜態(tài)升壓,時間為72h。i.測漏放氣速率、滿足要求后進行產(chǎn)品封口:抽空機組對工裝管再抽真空至5×10-3Pa,分別測各產(chǎn)品管件真空壓力,計算其漏放氣速率。漏放氣速率由下式計算:式中p—管件夾層真空壓強,Pa;V—管件真空容積,L;t—管件壓強回升時間,s。為使真空系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)達到工作壓力,應盡可能減少放氣的影響,可采取以下措施:(1)用放氣速率低的材料制作真空系統(tǒng)零部件;(2)采用噴砂、機械拋光、電化學拋光等表面處理措施;(3)采用三氯乙烯、四氯化碳、丙酮、汽油、乙醚等有機溶劑或堿液等化學清洗方法,以及電化學清洗、超聲波清洗去除污染物;(4)系統(tǒng)抽氣時,采用烘烤方法加速材料放氣;(5)操作時盡可能縮短真空系統(tǒng)暴露大氣的時間;(6)真空系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)時,應在真空狀態(tài)下保存。所得結(jié)果和管件真空壓力與漏放氣速率的設計值相比較,若符合要求,則繼續(xù)對產(chǎn)品抽至極限真空,一般開機抽空7天后,進行封口。j.由熟練技術(shù)的專業(yè)人員將封口堵塞插進各管件,將工藝閥桿旋出,卸下工藝抽空閥,旋上封口罩,把管件抬下,封口罩處釬焊點固,管口保證封堵狀態(tài)。特別說明:以上抽空過程是指“重新抽空”,嚴格抽空工序和流程,對管件進行重新抽真空,此種方法能夠全面提高管件真空度到產(chǎn)品極限真空,可將絕熱性能差的管件真空度恢復到出廠狀態(tài),甚至更好。在抽空周期無特別限制、各種抽空設備齊全的條件下進行。5.2真空抽抽5.2.1管件夾層壓強回升測試前準備工作a.連接抽空機組及工藝管路,抽空機組調(diào)試運行,工藝管檢漏,包括抽空閥伸拔時的檢漏。b.被測管件上架:將工藝管分別與管件抽空嘴連接,但抽空嘴保持關(guān)閉狀態(tài),抽空裝置如下圖:2002年進行的抽空中,共有14根真空軟、硬管上架。5.2.2檢測壓強回升:方法同5.1中b項。5.2.3對工裝及管件夾層充N2氣,進行抽空前的氮氣置換。5.2.4開分子泵機組連續(xù)抽真空,每隔1h記錄機組及管件真空壓強。5.2.5連續(xù)抽空48h～72h,時間由預計達到的封口真空壓強視具體情況而定,測量管件封口壓強。例如2002年抽空,所用的工藝為:連續(xù)抽空48h后,動態(tài)下真空值在2.7×10-4Pa時,(動態(tài)真空值統(tǒng)一是為了所得結(jié)果的基準保持一致性)先測左邊管路封口真空壓強:關(guān)左邊工藝閥及左邊各組管件封口閥,穩(wěn)定2min后,記錄此時工裝管真空壓強,記為p1;再分別打開左邊各組管件封口閥,穩(wěn)壓1min后,記錄此時夾層與工裝管真空壓強,記為p2;再測右邊同一組數(shù)據(jù):方法同上,做好記錄。管件封口壓強也由式(1)計算。5.2.6將封口堵塞插進各管件,將工藝閥桿旋出,卸下工藝抽空閥,旋上封口罩,把管件抬下,封口罩處釬焊點固,管口保證封堵狀態(tài)。特別說明:“降低壓強回升,部分恢復真空度”這種抽空方法是在要求抽空周期短、管件真空度未破壞的條件下進行,此方法可使管件原有真空度得到適當提高,在真空管件需要急用,又需要其具有較理想的真空度時可供采用。6管道漏放氣速率筆者選錄1999年與2002年的抽空結(jié)果作一探討,將未抽前管內(nèi)漏放氣速率、未抽前管內(nèi)剩余壓強及抽空后管內(nèi)封口真空壓強各值經(jīng)過計算列于下表。a.由上表可得,真空管件在2002年抽空前測得的管內(nèi)剩余壓強在100Pa以下的管件為100%,而1999年重新抽真空前管內(nèi)剩余壓強在100Pa以下的為14.3%,大大低于這一回測得的值,這說明經(jīng)過1999年重抽空后這批備件保持了較好的絕熱性能。1999年重抽空方法得當,結(jié)果令人信服。b.管件真空壽命探討:通常,低溫下真空多層絕熱要求的夾層壓強為p≤133×10-4Pa,假定在常溫下管件夾層在真空壽命內(nèi)允許的壓強回升為Δp≤100Pa,(且此值是近年來抽真空領域內(nèi)普遍認可的壓強回升值)假設真空壽命分別為3年、4年,則分別計算出管件夾層常溫下允許的漏放氣速率,即經(jīng)歷3年、4年后,管件在未抽空前允許的漏放氣速率,將計算出的允許漏放氣速率與表2中測得的真實值相比較,結(jié)果如下:①對于3m軟件,夾層體積V=12L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓強回升Δp=100Pa;考核1999年抽空前管件,管內(nèi)漏放氣速率在9.51×10-6Pa·L/s以下的管件只有2#和6#;而2002年管件未抽空前管內(nèi)漏放氣速率均滿足允許漏放氣速率,這表明重新抽空的管件在超過3年到達第4年后,管件的絕熱性能嚴重下降,漏放氣速率增大。因此對于這批管件,其真空壽命定為3年,3年至4年間,管件仍可使用,但絕熱性能將受影響,而管件超過4年后則不推薦再使用。為了進一步驗證這一結(jié)論,再將表2中所列的4m硬管、2m硬管、3m硬管、凹凸三通、2.78m三通、2.5m三通在管件經(jīng)歷3年、4年后允許漏放氣速率分別做一計算,其結(jié)果如下:②4m硬管:夾層體積V=22.4L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓強回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為管件經(jīng)歷4年后,漏放氣速率均不滿足允許漏率,而經(jīng)歷3年后,漏放氣速率滿足允許漏率。③2m硬管:夾層體積V=11.2L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓強回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為管件經(jīng)歷4年后,漏放氣速率均不滿足允許漏率,而經(jīng)歷3年后,漏放氣速率滿足允許漏率。④3m硬管:夾層體積V=16.8L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓強回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為管件經(jīng)歷4年后,漏放氣速率均不滿足允許漏率,而經(jīng)歷3年后,漏放氣速率滿足允許漏率。⑤凹凸三通:夾層體積V=8L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為設經(jīng)歷3年后,管件夾層壓回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為管件經(jīng)歷4年后,漏放氣速率均不滿足允許漏率,而經(jīng)歷3年后,漏放氣速率滿足允許漏率。⑥2.78m三通:夾層體積V=17L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為設經(jīng)歷3年后,管件夾層壓回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為管件經(jīng)歷4年后,漏放氣速率均不滿足允許漏率,而經(jīng)歷3年后,漏放氣速率滿足允許漏率。⑦2.5m三通:夾層體積V=15L;設經(jīng)歷4年后,管件夾層壓回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為設經(jīng)歷3年后,管件夾層壓回升Δp=100Pa;則允許漏放氣速率為管件經(jīng)歷4年后,漏放氣速率均不滿足允許漏率,而經(jīng)歷3年后,漏放氣速率滿足允許漏率。結(jié)論:所研究管件真空壽命定為3年。3年至4年間,管件仍可使用,但絕熱性能將受影響,而管件超過4年后則不推薦再使用。100Pa作為檢驗真空管件在常溫下在真空壽命期內(nèi)壓強回升指標具有切實可行性。c.真空夾層漏放氣的影響:確保真空夾層優(yōu)良的氣密性是獲得并長期保持夾層優(yōu)良真空度的先決條件。為此,焊縫、夾層結(jié)構(gòu)分成及總成均應仔細檢漏;夾層中材料的放氣是引起夾層真空度下降的另一個主要原因;放氣的來源有夾層內(nèi)外金屬壁的放氣,鋁箔及鍍鋁聚酯薄膜的放氣以及隔墊材料的放氣。為使真空系統(tǒng)在較短的時間內(nèi)達到工作壓力,應盡可能減少放氣的影響,可采取以下措施:(1)用放氣速率低的材料制作真空系統(tǒng)零部件;(2)采用噴砂、機械拋光、電化學拋光等表面處理措施;(3)采