真空系統(tǒng)增壓泵爆燃原因分析及解決措施

李光耀，張 治，牛啟明，劉致順

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

真空設(shè)備是材料研究過程中必不可少的一類設(shè)備，隨著航空材料加工工藝的快速發(fā)展，涉及到的真空設(shè)備種類越來越多，如真空感應(yīng)熔煉爐、真空自耗熔煉爐、真空自耗凝殼爐、真空熱處理爐、真空釬焊爐、真空霧化制粉爐、真空鍍膜設(shè)備等。

由于真空設(shè)備工藝條件的需要，中國航發(fā)北京航空材料研究院（以下簡稱“研究院”）在真空系統(tǒng)中多數(shù)情況下采用增壓泵。但是增壓泵在工作過程中易發(fā)生爆燃事故，所以對真空系統(tǒng)的爆燃事故進行分析，并對存在的爆燃隱患采取有效防范措施，規(guī)范真空設(shè)備使用流程，可以保證安全生產(chǎn)，避免人員受傷和設(shè)備損壞，對于保障科研生產(chǎn)的順利進行具有重要意義。

1 真空系統(tǒng)的構(gòu)成

真空是指在一定的時間內(nèi)，氣體壓力低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。真空設(shè)備種類較多，其核心部件是抽氣系統(tǒng)，可以使真空容器內(nèi)獲得所需的真空條件。通常真空設(shè)備利用管道、閥門連接泵與處理容器[1]。真空泵抽真空使得真空容器達到合理的真空度，真空容器通常配套相應(yīng)的真空測量裝置，這3部分組成最基本的真空抽氣系統(tǒng)。基本真空系統(tǒng)可以獲得低真空范圍內(nèi)的真空度，不同設(shè)備對真空度要求也不相同，高真空度則需在真空系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)一個高真空泵，在其進出口管路上添加閥門使之單獨保持真空。多個真空泵串聯(lián)組成的真空系統(tǒng)，通常把抽低真空的泵叫做它上一級高真空泵的前級泵，最高一級的真空泵稱為真空系統(tǒng)的主泵，被抽容器中的極限真空度和工作真空度由主泵確定。通常把被抽容器的出油口到主泵入口之間的管路稱作高真空管路，主泵入口處的閥門稱為主閥。

研究院真空設(shè)備抽氣系統(tǒng)主要由增壓泵、機械泵、羅茨泵、各種閥門、連接管道、測量管等組成（圖1），其中油增壓泵為系統(tǒng)提供動能和壓力，達到增壓效果。機械泵為前級真空泵，包括電機和泵體兩部分，它能夠?qū)⒖臻g中的氣體排出，形成局部相對真空的環(huán)境，主要用來制造真空。羅茨泵內(nèi)部裝有兩個葉形轉(zhuǎn)子，其方向相反但是同步旋轉(zhuǎn)。羅茨泵的轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁間有間隙且互不接觸，屬于變?nèi)菡婵毡茫錁O限真空度可達0.05 Pa，最大特點是在較低入口壓力時具有較高的抽氣速率。與機械泵不同，羅茨泵沒有對氣體的壓縮過程，是一種無內(nèi)壓縮傳動真空泵，因此不能單獨對外部大氣排氣，必須配以前級真空泵同時工作，由前級真空泵將羅茨泵排出的氣體抽走。

圖1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 增壓泵的工作原理及應(yīng)用

增壓泵的工作原理是：首先使液體注滿增壓泵，然后開啟離心泵，此時離心泵葉輪迅速旋轉(zhuǎn)，帶動葉片驅(qū)使液體快速轉(zhuǎn)動，液體飛轉(zhuǎn)時因慣性力的作用會涌向離心泵葉輪外緣，同時葉輪將液體從吸入室吸入，而液體繞流葉片會順勢對液體做功，使液體獲得能量并流出葉輪，此刻液體獲得較大的動能和壓力能，達到增壓的效果。按照工作原理及工作環(huán)境，增壓泵可以分為沼氣型、氣液型、氯氣型等。

研究院真空系統(tǒng)主要使用油增壓泵，其工作壓力范圍廣，泵的抽氣速率可以從每秒幾百升到幾萬升，還具有單位抽速所需成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、可靠性高和維修方便等特點。油增壓泵廣泛應(yīng)用于冶金、化工、空間模擬試驗等各類工藝過程以及對放氣量要求較高的真空應(yīng)用場所，是獲得中、高真空環(huán)境的必備設(shè)備。它可以與閥門、管道、機械泵和羅茨泵等一起組成高效率的真空抽氣系統(tǒng)。

3 油增壓泵的工作原理及爆燃原因

3.1 油增壓泵工作原理

油增壓泵屬于蒸氣流泵的一種，導(dǎo)流系統(tǒng)包括傘形噴嘴和噴射噴嘴兩部分。具體工作流程：當(dāng)溫度上升到設(shè)定溫度后，會產(chǎn)生大量油蒸氣，然后由各級噴嘴噴出，從而獲得高速蒸氣射流作為介質(zhì)。油蒸氣通過導(dǎo)流管，依次從各級噴嘴定向高速噴出，泵進氣口附近的分壓力高于蒸氣流中氣體的分壓力，因此會有氣體分子不斷地擴散到蒸氣流中；油蒸氣通過撞擊被抽氣體分子，使該氣體分子沿蒸氣流束的方向高速運動；當(dāng)氣體分子撞擊到泵壁后又被反射回來，再次與蒸氣流發(fā)生碰撞，重新沿蒸氣流方向流向泵壁；經(jīng)過多次碰撞后，氣體分子會被壓縮到低真空端，然后通過下幾級噴嘴，相同的過程進行多級壓縮，最后由前級泵抽走。

3.2 油增壓泵爆燃原因分析

真空設(shè)備在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生爆燃的主要原因是：油增壓泵在加熱到一定溫度后，泵油受熱分解產(chǎn)生氫氣和碳氫化合物等，通過漏孔漏入空氣達到一定量時，這些分解物與漏入空氣（水也會在高溫情況下分解）中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能產(chǎn)生爆燃，會造成人員損傷，設(shè)備毀壞[2]。引起燃爆的原因有如下3種：

（1）增壓泵溫度過高。當(dāng)油增壓泵加熱到一定溫度后（油溫在240～250 ℃），主閥和前級閥均未打開，此時冷凝器（水冷的）滲水或油增壓泵夾層水套向主泵腔內(nèi)滲水，水受熱分解，主閥及前級閥之間的管道及泵密封處有一定的漏氣，漏入氣體中含有水分解出的氧氣與油蒸氣分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生爆燃。

（2）增壓泵內(nèi)空氣混流。爐子工作時，主閥未打開、前級閥打開，用機械泵對油增壓泵抽真空，主泵加熱到一定溫度后（為了節(jié)約工作時間一般會提前加熱油增壓泵）。打開預(yù)抽閥抽真空，爐內(nèi)空氣一部分被機械泵抽走、一部分進入相對氣壓低的主油增壓泵，發(fā)生反應(yīng)爆燃。

（3）主閥漏氣。當(dāng)一爐工作完畢，關(guān)閉主閥但是主閥未關(guān)嚴（如鋼豆及其他雜物支撐在閥板下導(dǎo)致密封不嚴等），前級閥處于打開位置，機械泵繼續(xù)對油增壓泵（為節(jié)省加熱時間，未關(guān)加熱電源）抽真空，預(yù)抽閥關(guān)閉位置，不對爐體進行抽真空，此時爐體破真空，空氣與加熱的增壓泵油發(fā)生反應(yīng)燃爆。

4 設(shè)備改造案例及總結(jié)

4.1 設(shè)備改造

研究院某科研室的真空熱處理爐，真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括機械泵、羅茨泵、油增壓泵級真空管道、真空閥門等其他真空元件，由于設(shè)備屬于早期購置，廠家并未配套相關(guān)防爆措施，鑒于以往爆燃事故，對其部分結(jié)構(gòu)進行了防爆燃改造：在主閥與爐體之間增加了一個插板閥，爐體內(nèi)有人工作時插板閥關(guān)上，防止傷人（圖2）。

4.2 設(shè)備改造總結(jié)

通過以上3種情況的分析，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，首先對真空設(shè)備的相關(guān)部件進行維修改造并采取一些措施來確保安全[3-6]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 加裝插板閥

（1）閥門氣缸上沒有信號限位控制，增加信號限位控制。

圖3 改造后的真空系統(tǒng)

（2）前級閥與預(yù)抽閥電器互鎖，前級閥未關(guān)閉的情況下，預(yù)抽閥就不允許打開。

（3）主閥與前級閥電器互鎖，只有前級閥開啟后，主閥才能開啟。

（4）在油增壓泵與前級閥之間增加維持泵，防止工作中主閥與前級閥關(guān)閉后，這個封閉空間需要保持需要的真空。

（5）增加電器互鎖，維持泵啟動后，油增壓泵才能通電加熱。

（6）關(guān)閉主閥后，如果爐室內(nèi)真空度降低，說明主閥已經(jīng)關(guān)嚴，此時才能向真空室內(nèi)充入空氣。

（7）除去采取多項動作電氣互鎖外，還要通過真空測量裝置來控制，當(dāng)爐體內(nèi)的真空度低于設(shè)定值，主閥自動關(guān)閉。

（8）在增壓泵與主閥之間加一真空測量點，操作人為了自身和他人安全，先觀看此測量點的真空度是否達到設(shè)定真空度，再加熱主泵。

（9）在主閥與爐體之間加上一個插板閥，爐體內(nèi)有人工作時，插板閥關(guān)上，防止傷人。

（10）增壓泵加入油溫控制，油溫高于250 ℃時自動停止加熱，低于220 ℃繼續(xù)加熱。

（11）在前級閥與油增壓泵連接器管道上增加測量點，監(jiān)測油增壓泵內(nèi)真空度的變化，來判斷泵內(nèi)是否漏氣。

5 真空設(shè)備操作規(guī)程

（1）啟動前檢查設(shè)備狀況，包括檢查電氣系統(tǒng)、各級真空泵、各級真空閥、測量裝置、冷卻系統(tǒng)等[7]。

（2）先啟動總電源、通水，再啟動空氣壓縮機。

（3）啟動機械泵，天氣寒冷時要斷續(xù)啟動，一定在機械泵運轉(zhuǎn)正常后再打開預(yù)抽真空閥。

（4）開低真空測量，待達到要求壓力后開啟預(yù)抽閥，對油增壓泵進行加熱。

（5）當(dāng)油增壓泵達到設(shè)定溫度后，關(guān)閉預(yù)抽真空閥，依次打開前級真空閥、打開主閥。低真空達到一定真空度后，進行高真空測量[8]。

（6）當(dāng)高真空達到要求真空度后，再接通電源開始工作。

（7）工作結(jié)束后，先切斷電爐電源，等爐溫下降到一定溫度后再關(guān)閉增壓泵加熱電源。

（8）在預(yù)抽真空狀態(tài)下等油增壓泵油溫降至80 ℃后，關(guān)閉真空閥，停止機械泵。

（9）關(guān)閉冷卻水、總電源。

（10）工作結(jié)束后，按規(guī)程填寫設(shè)備使用記錄及相關(guān)工況記錄，整理工作現(xiàn)場，排除事故隱患。

6 結(jié)束語

真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，爆燃原因也不盡相同，防止發(fā)生爆燃事故應(yīng)從以下4個方面出發(fā)：①嚴格安規(guī)操作，啟動真空系統(tǒng)前的檢查項必不可少；②使用設(shè)備過程中，壓力值、溫度值有異常及時停止設(shè)備；③使用后的規(guī)范操作；④對年代久遠的真空設(shè)備進行相關(guān)防爆燃改造。