真空爐典型泄漏問題分析與研究

江智軒，邵 錦，丁章升，王海平

(昌河飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

真空熱處理是指將金屬工件在1個大氣壓以下(即負壓下)加熱的金屬熱處理工藝，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理可以實現(xiàn)幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，且熱處理的質(zhì)量也會大大提升[1]。與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理可實現(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳并有脫脂除氣等功能，從而使加工件達到表面光亮凈化的效果，且經(jīng)真空熱處理零件的使用壽命比一般熱處理的壽命有較大提高。

1 某臺立式高真空氣淬爐高真空異常故障

1.1 故障現(xiàn)象

某臺立式高真空高壓氣淬爐在啟動三級泵(擴散泵)抽真空后，爐膛內(nèi)真空度僅能達到39 mTorr，如圖1所示，無法滿足工藝要求。在以往正常狀態(tài)時啟動擴散泵爐膛內(nèi)真空度可快速達到1×10-4Torr。觸摸屏上的CHAMBER PRESSURE與HI-VAC兩欄的顯示數(shù)據(jù)均為真空值，但顯示范圍不同，分別由低真空規(guī)管及高真空規(guī)管測量所得。當爐內(nèi)真空度進入10-3Torr后HI-VAC數(shù)據(jù)才開始變化。

圖1 爐膛內(nèi)真空度Fig.1 Vacuum degree of furnace

1.2 故障分析

根據(jù)現(xiàn)場查看，在啟動機械泵及羅茨泵抽真空后，爐膛真空度能夠達到50～60 mTorr，啟動擴散泵后，爐內(nèi)真空度有輕微下降趨勢，但變化量不大。

觸摸屏數(shù)據(jù)采集方式如圖2所示，真空規(guī)管輸出電壓信號至INFCION真空計，并聯(lián)至AB PLC，在PLC內(nèi)部進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，觸摸屏與PLC進行通訊采集PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，顯示真空度。在故障出現(xiàn)的同時觀察真空計讀數(shù)，與觸摸屏顯示一致。

引起高真空異常的可能原因有以下幾點：1)低真空規(guī)管與高真空規(guī)管同時損壞，導致信號輸出異常，對此進行了真空規(guī)管清洗及更換工作，故障現(xiàn)象仍存在；2)擴散泵抽真空系統(tǒng)工作異常；3)爐膛存在泄漏。

圖2 真空數(shù)據(jù)采集模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum data collection mode

1.3 故障處理

1.3.1擴散泵抽真空系統(tǒng)工作異常的可能

擴散泵的工作原理是將泵油加熱至沸點，油蒸汽在噴射塔組件內(nèi)向上運動，然后加速朝下穿過噴射噴嘴接觸泵的冷卻外壁，蒸汽冷凝成液體。蒸汽通過進氣口時捕獲待排出的氣體分子，將其攜帶至噴嘴，進而通過前級管道將氣體分子排出泵外[2]，如圖3、圖4所示。

圖3 擴散泵Fig.3 Diffusion pump

圖4 擴散泵冷卻塔Fig.4 Cooling tower of diffusion pump

針對擴散泵抽真空系統(tǒng)存在異常的可能，查看擴散泵工作時管路各閥門狀態(tài)均正常，高閥門處于打開狀態(tài)，油液溫度顯示正常為230 ℃，油液處于沸騰狀態(tài)，嘗試更換擴散泵硅油，但故障現(xiàn)象仍無改變。

1.3.2爐膛存在泄漏的可能

測試爐膛壓升率，關閉擴散泵、羅茨泵、機械泵，短短1 h內(nèi)爐膛真空從39 mTorr升至正常大氣壓，證明爐膛存在泄漏點。一般檢測真空爐外部泄漏點有兩種方法，分別是使用酒精/丙酮進行粗檢查和使用氦質(zhì)譜檢漏儀進行精檢。

1)使用酒精/丙酮檢測外漏法是在懷疑有泄漏的部位噴灑酒精或丙酮，同時觀察真空儀表的真空值瞬間是否降低，若降低則此部位存在泄漏。在對不同的部位進行噴灑檢查時，不同部位之間要有一定的時間間隔，因為泄漏在真空儀表的讀數(shù)反應有幾秒到十幾秒的延遲。這種方法很容易做到，但靈敏度低，當存在比較小的泄漏時就無法檢測到[3]。

2)使用氦質(zhì)譜檢漏儀-氦噴槍法檢漏[4]，將氦質(zhì)譜檢漏儀通過標準密封法蘭接口連接在設備羅茨泵附近接口處，啟動儀器，用噴槍對設備可能泄漏的部位噴吹氦氣，當有漏孔存在時，氦氣就通過漏孔→設備抽真空系統(tǒng)→檢漏儀抽真空系統(tǒng)→放大器→磁場加速和偏向到質(zhì)譜室分離→離子接收→最終轉(zhuǎn)換成電流信號被檢測轉(zhuǎn)換為泄漏率。一般儀器最小檢漏量級可達到5×10-13Pa.m3/s。

本文使用氦質(zhì)譜檢漏儀對設備進行檢漏。通過噴槍對爐膛可能泄漏點包括各氣動蝶閥、爐門密封、熱電偶饋入口、測溫饋入接口等密封部位噴吹氦氣進行檢漏，如圖5、圖6所示。最終發(fā)現(xiàn)在高真空規(guī)管處連接的氣動閥轉(zhuǎn)動軸處出現(xiàn)泄漏情況，如圖7所示。該氣動閥的工作過程為設備上電后，此氣動閥打開，真空規(guī)管與爐膛連接開始測量爐膛真空度。更換此氣動球閥后，再次進行抽真空試驗，真空度達到2.75×10-5Torr，高真空數(shù)值正常，如圖8所示，設備恢復正常使用。

圖5 氦質(zhì)譜檢漏儀Fig.5 Helium mass spectrometer leak detector

圖6 噴槍噴吹氦氣Fig.6 Spraying helium from the gun

2 某臺臥式真空回火爐冷室真空異常故障

2.1 故障現(xiàn)象

某臺WZC-60G型臥式真空回火爐冷室真空度僅能抽到20 Pa左右(正常工作時冷室能抽到2～3 Pa)，且關閉真空泵、管路閥門幾分鐘后真空度快速升高至300 pa以上，確定冷室存在泄漏情況，無法滿足正常生產(chǎn)要求。

圖7 氣動球閥動密封Fig.7 Dynamic sealing of the pneumatic ball valve

圖8 高真空數(shù)值正常Fig.8 Normal high vacuum values

2.2 故障分析與處理

明確冷室泄漏后，首先使用氦質(zhì)譜檢漏儀對可能泄漏部位包括：爐門密封、冷室充氣球閥、電機動密封、安全閥等密封處(如圖9方框部位)進行檢漏，均未發(fā)現(xiàn)外部泄漏點。在冷熱室抽真空平衡狀態(tài)下對冷室進行充氣試驗，也未發(fā)現(xiàn)中間隔熱門密封異常。此時考慮冷室內(nèi)漏的可能性，通過冷室爐門觀察窗觀察冷室在進行抽真空過程中淬火油液有周期性翻滾的跡象，而淬火油液翻滾導致的原因可能是油液里有滲水[5]。冷室淬火油液下方可能存在油液熱交換器漏水和冷室內(nèi)壁及焊縫漏水等現(xiàn)象。

圖9 WZC-60G真空爐示意圖Fig.9 Schematic diagram of the WZC-60G vacuum furnace

將淬火油液抽出后對冷室進行檢查，包括管路接口、焊縫、熱交換器管壁等，如圖10所示，發(fā)現(xiàn)冷室內(nèi)壁液位計上部連通器爐壁焊縫處有水滴滲出，速率大約一分鐘一滴，部位如圖11所示，確定此處漏水是造成油液翻滾、真空度無法滿足使用要求的根本原因。

圖10 冷室管路接頭Fig.10 Piping joints in the cold chamber

圖11 爐壁焊縫Fig.11 Weld in the furnace wall

發(fā)現(xiàn)泄漏點后，在出現(xiàn)漏水的液位計連通器爐壁焊縫處補焊一塊鋼板，并將外部的液位計拆除，同時制作盲板進行封堵。再次對冷室進行抽真空測試，真空度達到3 Pa以下，壓升率正常，滿足車間生產(chǎn)要求。

3 總結

真空爐的真空系統(tǒng)結構十分復雜，當出現(xiàn)真空泄漏問題時，通常需要借助專業(yè)檢漏儀器進行檢測，而內(nèi)漏點更是難以查找。維修人員處理此類問題時需要在現(xiàn)場仔細檢查，爐門、管道、閥門、熱電偶、真空規(guī)管等密封部位并進行逐一排除。同時對于真空爐而言，定期進行壓升率檢測尤為重要，及時發(fā)現(xiàn)泄漏問題及時修理，確保零件熱處理質(zhì)量不受影響。