高真空氣淬爐真空故障的排除與檢修技術(shù)

劉 勇，余 剛，常義民

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621000）

1 故障現(xiàn)象

某669 臥式高真空高壓氣淬爐是一種大壓力、強(qiáng)冷卻、高功率的氣體淬火爐[1]。雖然其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有冷卻均勻、工件變形小、冷速可控等優(yōu)點(diǎn)，在熱處理工藝環(huán)節(jié)起到了極其重要的作用。在運(yùn)行期間，設(shè)備的真空度從0.1 Pa 下降到0.5 Pa，重新開機(jī)抽取真空，但始終達(dá)不到0.1 Pa；檢查設(shè)備的壓升率為5×10-2mbar·L/s（5 Pa·L/s），超過(guò)設(shè)備出廠規(guī)定值。

2 故障分析與處理

2.1 真空系統(tǒng)原理

真空爐真空發(fā)生器由機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵三級(jí)串接而成，通過(guò)有條件的順序啟動(dòng)泵體，分級(jí)抽取密閉腔體中的空氣形成真空環(huán)境。

2.2 校準(zhǔn)真空計(jì)

真空爐中經(jīng)常存在顆粒物，受其影響，導(dǎo)致真空規(guī)測(cè)量零點(diǎn)偏移。因此，在真空爐發(fā)生真空故障時(shí)，需要對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證測(cè)量的可信度。

校準(zhǔn)方法：該真空爐采用的真空計(jì)是型號(hào)為PTR90N 的復(fù)合真空規(guī)，能在1×10-8～1×103mbar（1 mbar=100 Pa）連續(xù)讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)室常用的真空規(guī)校準(zhǔn)方法有對(duì)比法、動(dòng)態(tài)流量法[2]，通過(guò)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的硬件條件分析，決定采用對(duì)比法。具體措施：在檢測(cè)口同時(shí)安裝多個(gè)真空檢測(cè)計(jì)，在抽取真空的同時(shí)觀察讀數(shù)的差值，如果設(shè)備原始安裝位置的真空計(jì)與其他示值相差較大，判定為真空設(shè)備檢測(cè)儀器故障，需用準(zhǔn)確、可靠的真空計(jì)將其替換。

2.3 真空泵組的檢測(cè)

真空泵的抽取能力直接影響真空設(shè)備的真空性能，由于真空泵在工作中不斷的磨損、老化，以及設(shè)備未及時(shí)保養(yǎng)等因素，導(dǎo)致其抽取性能與密封性隨之下降，極限真空等各方面指標(biāo)下滑是造成真空爐設(shè)備真空故障的影響因素之一。

2.3.1 真空泵組的真空性能

該泵組采用“機(jī)械泵+羅茨泵+擴(kuò)散泵”的組合方式，通過(guò)查找相關(guān)資料得到各泵的真空性能表（表1）。

表1 3 種真空泵的真空性能

2.3.2 檢測(cè)方法

真空泵組的檢測(cè)方法常采用“組合法+分段法”結(jié)合的方式（圖1）。

圖1 真空爐氣路回路

檢測(cè)順序：

（1）步驟1：開啟機(jī)械泵+羅茨泵+擴(kuò)散泵。檢測(cè)方法：關(guān)閉高閥與旁路閥后，可以切斷泵組與真空爐室的聯(lián)系，此時(shí)可以在設(shè)備預(yù)留的檢測(cè)口進(jìn)行真空度檢測(cè)。

（2）步驟2：開啟機(jī)械泵。檢測(cè)方法分為不脫機(jī)檢測(cè)和脫機(jī)檢測(cè)兩種，前者是在管道上預(yù)留有檢測(cè)口安裝真空計(jì)檢測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，缺點(diǎn)是很難排除管道、閥門泄漏對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；脫機(jī)檢測(cè)則將機(jī)械泵與爐體分離，通過(guò)一個(gè)檢測(cè)工裝（圖2）直接進(jìn)行，這樣得出的值比較準(zhǔn)確，但是檢測(cè)過(guò)程較長(zhǎng)。

圖2 檢測(cè)工裝

（3）步驟3：開啟機(jī)械泵+羅茨泵。檢測(cè)方法與步驟2 相同，也有兩種方案。

將上述3 個(gè)步驟的檢測(cè)結(jié)果與表1 的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，能清晰地判斷出泵組中每個(gè)泵的運(yùn)行狀態(tài)，然后再進(jìn)行針對(duì)性的檢修或更換。

2.4 設(shè)備外泄漏檢測(cè)

真空爐設(shè)備的外泄漏，是指由于真空設(shè)備密封件老化、材料缺陷（如銹孔、沙眼）等造成的密封失效，使真空腔體與大氣直接相通的一種故障現(xiàn)象。

2.4.1 檢漏原理

氦質(zhì)譜檢漏儀是一種以質(zhì)譜分析為原理、以氦為示蹤氣體對(duì)真空設(shè)備和密封器件的漏隙進(jìn)行定位或定量、定性測(cè)量的工具，真空設(shè)備通常采用其進(jìn)行檢漏。

2.4.2 檢漏方法

常用的真空設(shè)備檢漏方法有噴吹法和吸入法兩種。

（1）噴吹法：將檢漏儀接到真空爐的檢測(cè)口，然后用噴槍將示蹤氣體噴在可疑漏孔處，當(dāng)真空爐體存在泄漏時(shí)，質(zhì)譜儀將會(huì)檢測(cè)到氦氣，漏率表上會(huì)直觀地顯示泄漏量的大小。該方法既能檢測(cè)漏孔的位置同時(shí)也能估算漏孔的大小，是常用的真空爐泄漏檢測(cè)方法。

（2）吸入法：與噴吹法相反，吸入法是將檢漏儀接在真空爐的檢測(cè)口上，使其充入規(guī)定壓力的示蹤氣體，再通過(guò)檢測(cè)漏孔泄漏出的氦氣達(dá)到檢測(cè)的目的。不過(guò)，該方法需要充入比1 個(gè)大氣壓高的氦氣，且充入其中的氦氣無(wú)法重復(fù)使用，浪費(fèi)較多，一般在真空爐的檢漏中很少使用。

2.5 設(shè)備內(nèi)部泄漏檢測(cè)

真空設(shè)備的內(nèi)泄漏是指真空腔體與真空爐設(shè)備配套設(shè)備之間的相互泄漏，主要分為氮?dú)庑孤┡c冷卻循環(huán)水泄漏兩種。

2.5.1 檢查氮?dú)獾男孤?/p>

儲(chǔ)氣罐中的高壓（0.8 MP）氮?dú)饨?jīng)過(guò)管道與真空爐腔體連接，需要使用氮?dú)鈺r(shí)，打開氣動(dòng)閥門、讓高壓氣體流入真空腔即可（圖3）。如果氣動(dòng)閥門鎖不緊、存在泄漏，便會(huì)造成真空腔體內(nèi)真空度不足的現(xiàn)象。

圖3 氮?dú)夤夼c真空爐連接

一般采取隔離法進(jìn)行排除：制作一個(gè)盲板工裝（圖4），然后拆下氣動(dòng)閥門，將該盲板通過(guò)螺釘固定在管道口的法蘭上，實(shí)現(xiàn)氮?dú)夤夼c真空腔體的物理隔離，再進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 盲板工裝

2.5.2 檢查冷卻循環(huán)水泄漏

真空爐在運(yùn)行中需開啟循環(huán)水，對(duì)真空腔體、對(duì)流風(fēng)機(jī)、擴(kuò)散泵等進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻，其中真空腔體、對(duì)流風(fēng)機(jī)的冷卻管路泄漏會(huì)直接影響腔體的真空度。

在排除循環(huán)水泄漏問題時(shí)，一般采用目視法、試樣件法相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合判定。

（1）目視法：抽真空過(guò)程中出現(xiàn)真空度值上下波動(dòng)的情況時(shí)，首先判斷為循環(huán)水泄漏，此時(shí)應(yīng)打開爐門，觀察真空腔內(nèi)有無(wú)積水，焊點(diǎn)、接頭等附近位置有無(wú)銹斑等。該方法適合于泄漏量比較大的情況。

（2）試樣件法：當(dāng)設(shè)備循環(huán)水泄漏量小時(shí)，設(shè)備真空度依然能達(dá)到要求，但此時(shí)熱處理的試件（銅錫鋅）表面會(huì)變成綠色[3]，可以通過(guò)這個(gè)方法檢查設(shè)備的循環(huán)水是否存在泄漏。

3 設(shè)備的烘烤與驗(yàn)收

真空爐在長(zhǎng)期的維修停置后，進(jìn)行烘爐非常必要，通過(guò)烘爐使?fàn)t內(nèi)耐火材料內(nèi)的水分緩慢蒸發(fā)析出，得到充分干燥，同時(shí)使耐火內(nèi)襯材料充分固化，保持耐火層的高溫強(qiáng)度和穩(wěn)定性[4]。

烘爐完成后，再對(duì)真空爐的極限真空、壓升率進(jìn)行復(fù)檢，如果兩個(gè)指標(biāo)均合格則該真空爐真空故障解除。

4 總結(jié)

綜上所述，真空爐出現(xiàn)真空故障時(shí)往往受多個(gè)因素的影響，有時(shí)甚至是多重因素同時(shí)出現(xiàn)，使得真空故障呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)表征。在排除真空故障時(shí)，常常需要專業(yè)的維修技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修，而且維修周期長(zhǎng)、成本高。從真空原理入手進(jìn)行組合法+分段法、噴吹法、隔離法、目視法、試樣件法等檢測(cè)方式，能大大降低真空故障維修的實(shí)施難度，提高設(shè)備的工作利用率。