真空-壓力浸漬設(shè)備的研制

申璐青，張慧軍，段青鵬，耿 濤

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

真空-壓力浸漬是把待浸工件放于一個(gè)密閉容器中抽真空，然后將浸漬液注入其中，再施加一定壓力，通過壓差法使浸漬液迅速地浸入工件縫隙，從而達(dá)到浸漬的目的。該工藝是高壓電機(jī)、防爆電機(jī)、干式變壓器、電力電容器、電纜、開關(guān)等電器和電工材料增加絕緣強(qiáng)度的必要措施；是鎂質(zhì)耐火磚、電碳、石墨、金屬鑄件、木材的組織細(xì)化、改善熱特性、電特性的重要手段。隨著科技的發(fā)展，對材料的要求越來越高，高性能復(fù)合材料成為大勢所趨，真空浸漬技術(shù)將會更多地應(yīng)用于材料加工制備與開發(fā)應(yīng)用中，尤其是在復(fù)合材料（如以高性能纖維等為增強(qiáng)材料的聚合基復(fù)合材料）的基體材料與增強(qiáng)材料的復(fù)合及其成型加工制備等，成為獲得高性能復(fù)合材料的重要手段之一。

1 浸漬工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

以下就在工業(yè)浸漬中使用較多的濕法浸漬、真空浸漬和沉淀沉積浸漬3 種浸漬工藝在表1 中進(jìn)行了詳細(xì)的比較。

總的來說，真空-壓力浸漬工藝無論在浸漬的效果、均勻度，工作效率等方面都具有很大的優(yōu)勢。在具體的真空-壓力浸漬工藝中所需的真空度，抽真空時(shí)間及所加壓力大小和加壓時(shí)間，后處理過程中焙燒固化的方法與溫度，焙燒的程序升溫和最后焙燒溫度對得到工件表面浸漬液離子粒的均勻也有著很大的影響，需要針對具體的待浸工件、浸漬液的材料進(jìn)行進(jìn)一步的工藝摸索。

表1 浸漬工藝對比

2 設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能

工業(yè)上真空-壓力浸漬的工藝流程，如圖1所示。

在此完整的澆注浸漬工藝流程圖中，結(jié)合客戶的具體工藝使用要求，我們可以得出要開發(fā)研制的真空-壓力浸漬設(shè)備實(shí)際所要實(shí)現(xiàn)的功能流程，如圖2所示。

圖1 工業(yè)浸漬流程圖

圖2 真空-高壓浸漬設(shè)備的功能流程圖

3 設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)

有效工作腔體容積：200 L

最高工作壓力：1 MPa (使用壓力1 MPa 時(shí)，50 h 氣壓下降至≥0.6 MPa。)

壓力調(diào)整范圍：0～1 MPa，具有超壓報(bào)警和自動泄壓功能

極限真空度：≥10 Pa（空載）

抽真空速率：空載30 min 達(dá)10 Pa

內(nèi)部平臺：采用3 層抽屜式物品放置平臺

具有手動/自動功能

控制方式：PLC 進(jìn)行動作順序控制

4 設(shè)備的主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 真空-壓力浸漬設(shè)備主要結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 工作腔體

工作腔體的設(shè)計(jì)需要綜合考慮環(huán)境條件、介質(zhì)的理化性質(zhì)等因素，結(jié)合具體的工藝參數(shù)，按容器的選材、壁厚計(jì)算、強(qiáng)度核算、附件選擇、焊縫標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)順序，分別對工作腔體的筒體、封頭、接管、管法蘭、焊接形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選擇。各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，這樣讓設(shè)計(jì)有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，工作腔體的最高工作壓力為1 MPa，當(dāng)容器上裝有安全閥時(shí)，取1.05～1.30 倍的最高工作壓力作為設(shè)計(jì)壓力；所以取1.2 MPa為設(shè)計(jì)壓力。0.1 MPa≤p＜1.6 MPa 屬于低壓容器。

4.1.1 筒體的選材及結(jié)構(gòu)

根據(jù)浸漬液、工件的物理特性選擇筒體材料，0Cr18Ni9 鋼由于含碳量低，有良好的加工成型性能和抗氧化性能。對氧化性酸（如硝酸）有很強(qiáng)的抗腐蝕性，對堿溶液及大部分有機(jī)酸和無機(jī)酸也有一定的抗腐蝕能力。且焊接性能良好，可以進(jìn)行各種方法的焊接。所以在此選擇0Cr18Ni9 鋼板作為制造筒體和封頭材料。鋼板標(biāo)準(zhǔn)號為GB3280-92。

筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓筒形。因?yàn)樽鳛槿萜髦黧w的圓柱形筒體，制造容易，安裝內(nèi)件方便，而且承壓能力較好，這類容器應(yīng)用最廣。

4.1.2 封頭的結(jié)構(gòu)及選材

封頭有多種形式，半球形封頭就單位容積的表面積來說為最小，需要的厚度是同樣直徑圓筒的二分之一，從受力來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點(diǎn)是深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。橢圓形封頭的應(yīng)力情況不如半球形封頭均勻，但對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭與厚度相等的筒體連接時(shí)，可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度。它吸取了蝶形封頭深度淺的優(yōu)點(diǎn)，用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易，所以選擇橢圓形封頭，結(jié)構(gòu)由半個(gè)橢球面和一圓柱直邊段組成。查橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)（JB/T4737-95），見表2。

表2 橢圓封頭標(biāo)準(zhǔn)

封頭取與筒體相同材料。

4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.2.1 筒體壁厚計(jì)算

查《壓力容器材料使用手冊-碳鋼及合金鋼》得0Cr18Ni9的密度為7.93 t/m3，熔點(diǎn)為1395℃。

筒體的計(jì)算壓力為1.2 MPa，容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)為0.85，全部無損探傷。取許用應(yīng)力[σ]t為137 MPa。

壁厚：

取安全系數(shù)：

鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.8 mm，雙面腐蝕取腐蝕裕量C2=2 mm。

所以設(shè)計(jì)厚度為：

圓整后取名義厚度δn=10 mm。

4.2.2 封頭壁厚計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭a:b＝2:1

封頭計(jì)算公式：

可見封頭厚度近似等于筒體厚度，則取同樣厚度。

4.3 應(yīng)力校合

液壓試驗(yàn)方法：試驗(yàn)時(shí)容器頂部應(yīng)設(shè)排氣口，充液時(shí)應(yīng)將容器內(nèi)的空氣排盡，試驗(yàn)過程中，應(yīng)保持容器外表面的干燥。試驗(yàn)時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力后，保壓時(shí)間一般不少于30 min。然后將壓力降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%，并保持足夠長的時(shí)間以便對所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查。如有滲漏，修補(bǔ)后重新試驗(yàn)。

液壓試驗(yàn)時(shí)的壓力：

液壓試驗(yàn)的應(yīng)力校核：

液壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力：

液壓試驗(yàn)時(shí)的許用應(yīng)力為：

σT<0.9準(zhǔn)σS故筒體滿足液壓試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度要求。

5 控制系統(tǒng)

設(shè)備在整個(gè)控制過程中應(yīng)有很強(qiáng)的時(shí)序性邏輯性，所以采用了穩(wěn)定可靠安全的可編程控制器進(jìn)行順序控制，通過觸摸屏操作，使操作變得簡單安全。根據(jù)浸漬過程的工藝要求，將控制系統(tǒng)的操作分為自動和手動兩種方式，自動運(yùn)行過程中可隨時(shí)切換為手動。

手動方式根據(jù)工藝流程將整個(gè)操作分為若干步，即工作腔體門啟閉、工作腔體抽真空、加浸漬液、恒壓保持、排浸漬液等。每一步設(shè)置啟動與停止按鈕，操作者可根據(jù)工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的操作，PLC 保證操作者命令的執(zhí)行及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的先后順序，保證設(shè)備的正常安全運(yùn)行。

自動工作方式則是操作者發(fā)出啟動命令后，PLC 按預(yù)先設(shè)置的工藝參數(shù)，自動完成整個(gè)操作過程。通過PLC 內(nèi)置的PID 控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的精確控制。對因工藝變更需要改變的參數(shù)(如真空度、壓力) 均可重新設(shè)置，而不必改變所有程序。運(yùn)行中不需要操作者干預(yù)，運(yùn)行結(jié)束后發(fā)出信號，提醒操作者進(jìn)行相應(yīng)處理。

各對立動作設(shè)有連鎖保護(hù)。排氣閥、充氣閥都具有互鎖功能。腔體門的開關(guān)設(shè)有安全連鎖自鎖保護(hù)裝置。門齒圈上設(shè)有行程開關(guān)，門必須關(guān)到位后才能向腔體內(nèi)充氣加壓。

6 結(jié)束語

真空-壓力浸漬設(shè)備的研制開發(fā)很好地解決了產(chǎn)品的殘水慮，絕緣性等問題，同時(shí)浸漬劑可重復(fù)利用，減少了對環(huán)境的污染。使用該設(shè)備浸漬產(chǎn)品所需時(shí)間短，效果好，大大提高了生產(chǎn)率。全套設(shè)備可由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)測量和控制的全自動化。滿足了軍工，航天等行業(yè)特種材料浸漬的需要。

[1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[2]潘家禎.壓力容器材料實(shí)用手冊(碳鋼及合金鋼)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社2000.

[3]國家質(zhì)檢總局編.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[M].北京：新華出版社2009.