隨著科技進(jìn)步，真空裝備向大型化，高真空的方向發(fā)展。本文針對(duì)大型真空容器的檢漏和密封設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。當(dāng)容器容積在2000 m³ 量級(jí)時(shí)，氦質(zhì)譜檢漏儀接到前級(jí)真空側(cè)理論上能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)和清除時(shí)間約10 s，檢漏靈敏度約1×10^-9 Pa·m3/s 的總裝檢漏。考慮到總裝檢漏實(shí)際實(shí)施上的不確定性和補(bǔ)漏困難的問題，通過密封和檢漏設(shè)計(jì)，提高建造過程中的檢漏水平和質(zhì)量顯得尤為重要。文中對(duì)焊縫檢漏、大型真空法蘭的密封及檢漏結(jié)構(gòu)、大型真空閥門的使用等進(jìn)行了分析。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，某些用途的真空裝置向大型化，高真空度的方向發(fā)展。在宇航模擬、國(guó)防科技、核電及高能物理等領(lǐng)域，許多真空容器容積在幾百至幾千立方米，真空度可達(dá)到高真空甚至超高真空，如容積2000 m³，極限真空度達(dá)10^-3 Pa 的真空裝備業(yè)已建造完成。相對(duì)于常規(guī)真空設(shè)備，大型真空裝備除需要合理設(shè)計(jì)真空獲得系統(tǒng)外，對(duì)真空容器的設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)也提出了更高的要求，其中漏率控制是至關(guān)重要的問題。為此，本文針對(duì)容積在2000 m³ 量級(jí)的高真空容器的檢漏及檢漏和密封設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論。

1、檢漏靈敏度及反應(yīng)和清除時(shí)間

　　氦質(zhì)譜檢漏儀由于靈敏度高、性能穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用于真空系統(tǒng)的檢漏，對(duì)于大型真空系統(tǒng)，考慮檢漏工作的經(jīng)濟(jì)性及可操作性，常采用氦氣噴吹的真空檢漏方法。檢漏一般要求檢漏靈敏度高，反應(yīng)和清除時(shí)間短，但過大的容器容積易產(chǎn)生兩者的矛盾，造成漏檢和難以確定漏孔位置等問題，甚至無法實(shí)施檢漏。

　　真空檢漏法中檢漏儀器可以連接到真空系統(tǒng)的高真空側(cè)(即被檢容器上，如圖1 中A 點(diǎn))或前級(jí)真空側(cè)(即主泵的排氣口處，如圖1 中B 點(diǎn))。以下分別討論：

圖1 檢漏儀的連接位置示意圖

　　1.1、檢漏儀接在高真空側(cè)

　　檢漏儀連接到高真空側(cè)且檢漏時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，其檢漏靈敏度為：

　　由式(1)和式(2)可見，真空系統(tǒng)的抽速S 對(duì)檢漏靈敏度和反應(yīng)及清除時(shí)間都有影響。減小S可以提高檢漏靈敏度，當(dāng)只用檢漏儀自身的真空系統(tǒng)抽氣(nS=SHe)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)氦質(zhì)譜檢漏儀的最佳檢漏工況。但減小S，tr、tc 會(huì)迅速增大。大型真空容器制成球罐為宜，必然存在較長(zhǎng)的焊縫和法蘭連接。2000 m³ 的高真空球罐焊縫可達(dá)480 m，為了確定漏點(diǎn)位置，噴吹示漏氣體的位置不宜過大，因此，需要較高的檢漏靈敏度，如針對(duì)焊縫要求每300 mm 長(zhǎng)漏氣率≤10^-9 Pa·m³/s。德國(guó)普發(fā)HLT560 型氦質(zhì)譜檢漏儀的檢漏靈敏度為5×10^-13 Pa·m3/s，抽速SHe=2.5 L/s。根據(jù)式(1)有nS≤5000 L/s，根據(jù)式(2)tr=tc≥400 s，加之實(shí)際操作中通常以3tr、3tc 作為反應(yīng)和清除的判定時(shí)間，可見，檢漏儀直接連接到高真空側(cè)的檢漏方式不具備可行性。

　　1.2、檢漏儀接在前級(jí)真空側(cè)

　　檢漏儀連接到前級(jí)真空側(cè)且檢漏時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，其檢漏靈敏度為：

　　當(dāng)V/S>>Vb/S1 時(shí)，其中Vb 為B 點(diǎn)處的容積，反應(yīng)和清除時(shí)間仍可用式(2)計(jì)算。如設(shè)可接受的tr=tc=10 s，需要nS≥200000 L/s。主泵使用擴(kuò)散泵時(shí)n=1.6，S≥125000 L/s，檢漏時(shí)可采用3 套抽速45000 L/s 擴(kuò)散泵+1200 L/s 羅茨泵+150 L/s 滑閥泵(2 臺(tái))并聯(lián)抽氣，此時(shí)，nS1=3600 L/s，檢漏靈敏度可達(dá)7.2×10^-10 Pa·m3/s。這表明理論上2000 m3量級(jí)的真空容器能夠在檢漏時(shí)間和檢漏靈敏度上尋求可行的整體檢漏方案。

　　但在具體實(shí)施中，由于容器大、焊縫及密封部位長(zhǎng)，實(shí)際的檢漏時(shí)間和檢漏靈敏度與理論計(jì)算差異也較大，應(yīng)進(jìn)一步仔細(xì)分析，留有足夠余量。且在具體實(shí)施檢漏前應(yīng)對(duì)檢漏方案的實(shí)際反應(yīng)、清除時(shí)間、檢漏靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，對(duì)于建造完成的大型真空容器，一旦發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)實(shí)施補(bǔ)漏的難度也較大。因此，作者更強(qiáng)調(diào)通過密封和檢漏設(shè)計(jì)，提高建造過程中的檢漏水平和質(zhì)量，以確保大型真空容器的漏率得到有效控制。但這不意味著總裝檢漏可以忽略，如大型真空容器抽空運(yùn)行中受氣體壓力作用會(huì)產(chǎn)生較大變形，極可能影響連接部位的密封性能，這只能依靠總裝檢漏確認(rèn)，所以，不斷通過實(shí)踐完善和提高大型容器的總裝檢漏技術(shù)水平是真空工程領(lǐng)域的重要課題之一。

2、密封和檢漏設(shè)計(jì)

　　2000 m3 量級(jí)的真空容器的特點(diǎn)是為滿足強(qiáng)度要求真空室壁較厚，焊縫長(zhǎng)，需要大型閥門控制氣體流動(dòng)及使用大型真空法蘭進(jìn)行連接，應(yīng)在密封或檢漏設(shè)計(jì)中給予重點(diǎn)關(guān)注。

　　2.1、焊縫設(shè)計(jì)及檢漏

　　2000 m³ 量級(jí)的真空球罐直徑可達(dá)15.7 m，所用板材厚度較厚，如30 mm。焊縫不但要求良好的氣密性，也必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度，應(yīng)采用內(nèi)外雙面焊接。其中內(nèi)部焊縫對(duì)保證氣密性至關(guān)重要，焊縫應(yīng)深度熔焊、連續(xù)、且有利于獲得光滑清潔的真空表面，不能產(chǎn)生氣孔、虛焊等焊接缺陷。外部焊縫主要保證機(jī)械強(qiáng)度。內(nèi)外焊縫間可能存在小空間，這是真空技術(shù)中應(yīng)避免或妥善處理的有害空間。當(dāng)內(nèi)外焊縫都有微小漏孔時(shí)，這種小空間對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響會(huì)顯著延長(zhǎng)檢漏時(shí)間而極易造成漏檢。當(dāng)僅內(nèi)部焊縫有微小漏孔時(shí)，小空間內(nèi)氣體向真空容器的泄漏對(duì)真空抽氣極為不利。因此，焊縫檢漏的關(guān)鍵是確保內(nèi)部焊縫不漏。常規(guī)的做法是外部焊縫斷續(xù)焊接或設(shè)置鉆孔塞孔，對(duì)于大型真空容器器壁較厚的情況，也可在確認(rèn)外部焊接對(duì)內(nèi)部焊縫氣密性無影響的前提下，采用焊接內(nèi)部、檢漏、焊接外部的工藝流程。

　　大型真空容器焊縫檢漏通常采用鐘罩法(檢漏盒法)。把焊縫分成若干小段，每次采用鐘罩罩住一小段焊縫進(jìn)行真空檢漏，如圖2 所示。首先將鐘罩與被檢件相連并密封好。檢漏時(shí)打開閥1 并關(guān)閉閥2，用真空泵將鐘罩抽空。然后關(guān)閉閥1，打開閥2，使鐘罩與檢漏儀連通。然后在鐘罩扣住的被檢件的反面用局部氦罩施氦進(jìn)行檢漏。檢漏時(shí)，鐘罩必須與被檢件表面很好的吻合，因此，鐘罩大小形狀應(yīng)合理設(shè)計(jì)，兼顧檢漏效率、靈敏度并與被檢焊縫的表面曲率相適應(yīng)。為了與被檢件表面密封，鐘罩材料應(yīng)有撓性，如采用邵氏硬度55°~65°的丁腈橡膠。同時(shí)為了不被大氣壓力壓扁，鐘罩又必須具備足夠的剛度，如采用內(nèi)襯不銹鋼支架。鐘罩安裝時(shí)，可以通過焊縫拋光、真空封泥等方式幫助密封。如有漏孔，用氦噴吹法探索漏孔位置，進(jìn)行下一段檢漏時(shí)必須對(duì)上一段焊縫的一小段進(jìn)行重檢，重檢的長(zhǎng)度至少為鐘罩的壁厚以防漏檢。

圖2 鐘罩法檢漏示意圖

　　在實(shí)際施工中，焊接操作與檢漏操作配合進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)及時(shí)處理，可以保證焊縫泄漏控制在允許的范圍內(nèi)。

　　2.2、大型真空法蘭的設(shè)計(jì)及檢漏

　　與大型真空容器配合的孔或管道需要采用法蘭連接，連接法蘭的公稱直徑可達(dá)到Φ3000 及以上，遠(yuǎn)大于常規(guī)真空法蘭的尺寸。大尺寸真空法蘭的加工精度、安裝精度均不易保證，其密封性能和檢漏方法都應(yīng)格外重視。在真空密封設(shè)計(jì)中有雙重密封的法蘭結(jié)構(gòu)，大型法蘭檢漏中也常采用雙環(huán)密封圈的檢漏結(jié)構(gòu)，圖3 是將兩者結(jié)合的雙重密封檢漏結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)使用兩個(gè)O 形橡膠圈，在內(nèi)外O 形圈之間形成具有一定容積的空腔。檢漏時(shí)關(guān)閉閥1，打開閥2，在容器內(nèi)部噴吹氦氣進(jìn)行檢漏。如果腔體容積較大，可通過閥1 連接真空泵進(jìn)行輔助抽氣以加快抽氣進(jìn)程;真空裝備運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉閥2，打開閥1，將兩O形圈間的腔體抽真空至某一壓力p。由于p 遠(yuǎn)低于大氣壓力，使靠近真空容器內(nèi)部的O 形圈承受的壓力差顯著降低。在漏孔流導(dǎo)不變的情況下，根據(jù)流導(dǎo)定義，通過漏孔的泄漏量因壓差降低也會(huì)顯著減小，從而提高了大型法蘭連接的密封性。因此，圖3的雙重密封檢漏結(jié)構(gòu)能夠在解決大型真空法蘭檢漏問題的同時(shí)有效的提高法蘭連接的密封性能。

　　2.3、大型真空閥門的使用

　　常用高真空閥門的公稱直徑較小，漏率可控制在1.3×10^-9 Pa·m3/s 以下。Φ3000 及以上公稱直徑的閥門較少，但通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精細(xì)制造和嚴(yán)格檢驗(yàn)，也可以達(dá)到1.3×10^-9 Pa·m3/s 以下的漏率，主要問題存在于閥門的使用過程中。由于容積和尺寸較大，大型真空容器和管道在溫度，特別是抽真空時(shí)氣體壓力的作用下必然產(chǎn)生較大變形，使閥門(包括連接法蘭)的受力狀態(tài)發(fā)生改變，造成密封力過大、過小及不均勻等問題，影響密封性能，甚至損壞閥門或連接法蘭。針對(duì)這種問題的解決方法主要應(yīng)從兩個(gè)方面著手，一是在管道上合理設(shè)置波紋管，變剛性連接為柔性連接，舒緩力的作用和變形;二是在大型閥門下安裝滑軌，通過閥門在一定范圍內(nèi)的移動(dòng)適應(yīng)裝備的變形。這些措施的采用都是基于對(duì)大型真空容器及其配備管道受力和變形有準(zhǔn)確了解的基礎(chǔ)之上的，因此，采用有限元等方法對(duì)大型真空系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)變得十分必要。

圖3 大型真空法蘭雙重密封結(jié)構(gòu)

3、結(jié)束語

　　隨著科技進(jìn)步，真空裝備向大型化，高真空的方向發(fā)展。本文針對(duì)2000 m³ 量級(jí)真空容器的檢漏和密封設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。當(dāng)氦質(zhì)譜檢漏儀接到前級(jí)真空側(cè)時(shí)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)和清除時(shí)間10 s，檢漏靈敏度1×10^-9 Pa·m³/s 的總裝檢漏�？紤]到大型真空容器總裝檢漏尚有實(shí)際實(shí)施上的不確定性和補(bǔ)漏困難的問題，目前階段，通過密封和檢漏設(shè)計(jì)，提高建造過程中的檢漏水平和質(zhì)量顯得尤為重要。文中對(duì)焊縫檢漏、大型真空法蘭的密封及檢漏結(jié)構(gòu)、大型真空閥門的使用等進(jìn)行了分析。