設計真空設備需同時進行檢漏方案設計研究

李育建

（珠海鎮東有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

現階段，真空技術雖發展迅速，但真正從真空技術專業畢業的技術人員少之又少。目前，從事真空設備設計的人員一般是未經過真空技術專業的系統學習或專業培訓，設計時只重視真空設備的強度和功能設計，并沒有在設計階段全面、系統地考慮并落實真空設備在制造、調試、使用過程中的檢漏問題，從而導致真空設備的檢漏不便或困難。為解決這一問題，設計者要熟悉各種檢漏方法和檢漏儀器，明確真空檢漏的要求及相關原則，并將設計、工藝、調試、使用維修等環節的配套檢漏方案或方法納入設計工作中，讓真空檢漏方案設計成為真空設計工作的一部分，使各階段的檢漏項目做到有的放矢、有序開展，使檢漏更方便、更準確，從而提高真空設備的制造和使用效率。

1 真空檢漏方法

設計者要明確真空設備的設計要求，特別是真空度及漏率的要求。設備的真空度及該設備所允許的漏率基本決定了檢漏方法的最小可檢漏率及檢漏設備或儀器的靈敏度。目前，常用的真空檢漏法有3種。

1.1 加壓檢漏法

對被檢測容器注入容器所允許的、具有一定壓力的示漏物質，如空氣等。如果容器有漏孔，用一定方法和儀器可從容器外部檢測到從漏孔漏出的示漏物質，從而判定漏孔的位置及大小。由于示漏物質是從內往外漏的，便于使用操作儀器設備進行檢漏，也便于觀察和尋找漏孔的位置，但容器也要承受一定壓力，且此壓力要大于加壓檢漏法工作條件所允許的壓力（0.1～0.2 MPa）。因此，在進行結構設計時要考慮容器的強度和安全性，且要對容器的受壓安全性進行驗證。常用的加壓檢漏法見表1。

表1 加壓檢漏法

1.2 抽真空檢漏法

將被檢測的容器抽真空，使被檢測的容器和檢漏儀器的敏感元件均處于真空環境中，將示漏物質放在被檢容器外部，如有漏孔存在，示漏物質在壓力差的作用下，通過漏孔被吸入到容器以及安裝有敏感元件的空間內，由敏感元件來檢測是否有示漏物質存在，并通過儀器的指針、數據、聲光等來判定漏孔的位置和大小。該方法的優點是設備在工作狀態與真空檢漏所要受的力（受壓）的方向和狀態是完全一致的。檢測時，容器處于負壓狀態，只要結構合理，一般不會發生容器損壞等。常用的抽真空檢漏法見表2。

表2 抽真空檢漏法

1.3 其他檢漏法

有些方法既不是加壓法，也不是抽真空法，如熒光法、著色法。此外，超聲波探傷、磁粉探傷等方法常用于焊縫及材料的檢漏。

2 真空檢漏方法的選擇原則

2.1 明確被檢容器的最大允許漏率及工作條件

檢漏方法的應用要滿足最小可檢漏率的檢漏要求。所選擇的檢漏方法的檢漏靈敏度要高于允許漏率的1～2個數量級。如采用真空計進行檢漏時，設備的真空度要求為1～10 Pa，則精度為0.1 Pa的真空計可用于抽真空檢漏。

2.2 明確被檢容器所承受的內壓、外壓、溫度、濕度、介質等要求

在進行檢漏時，要分清是真空容器，還是壓力容器。一般情況下，上述2種容器的檢漏方法不一樣，且兩者的安全要求也不一樣，壓力容器的測試壓力一定要小于其安全壓力。

2.3 明確被檢容器使用狀態時各部位的受力方向及受力大小

檢漏時要盡量模擬實際工作狀態。因為真空容器和壓力容器的結構不同，容器的強度、穩定性、密封方式是不一樣的，檢漏時對工作狀態進行模擬，就不會因檢漏操作對零件及密封造成損壞。

2.4 反應時間短、檢漏快、漏孔位置判斷準確，且穩定性好

要達到反應時間短、檢漏快等要求，除考慮檢漏方案及檢漏儀外，還要考慮所要進行檢驗的容器的檢漏位置及相關要求。

2.5 示漏物質對設備結構無損害、對環境無污染等

檢漏環境要寬敞、通風、安全。對安裝調試及使用維修階段的真空設備，禁止使用對橡膠密封圈等有腐蝕作用且具有嚴重刺激性的示漏物。

2.6 操作簡單，維修方便，經濟實用

如對真空絲印機，采用抽真空法，利用真空絲印機配套的真空計進行檢漏，從而達到預期效果［2］。

3 設計階段應考慮的真空檢漏問題

3.1 從結構上考慮檢漏問題

3.1.1 檢漏儀器選擇及檢漏工裝設計。不同結構的零部件、不同大小及外形尺寸的零部件、不同材料的零部件等，在設計前要考慮使用什么類型的真空檢漏儀進行檢漏；在決定采用哪種真空檢漏儀進行檢漏后，就要考慮怎樣配套連接安裝檢漏儀，包括接口的安裝位置、敏感元件的安裝位置、示漏物的加注方式、非密封半開式（開式）零件及不規則零件的密封配套檢測工裝的設計等。在對配套真空檢漏工裝進行設計時還要保證工裝零件不能有裂紋、氣孔等缺陷，零件的加工必須要保證不低于設備零件的形位公差和表面粗糙度，工裝材料及密封件的漏率不能高于設備零件的漏率，即工裝零件的材料質量、加工精度、密封性等不能低于真空設備零部件材料質量、加工精度及密封性，否則會使真空檢漏結果不真實，但配套檢漏的零部件質量、精度、性能太高，從而使制造成本增加。所以，在進行真空設備檢漏時，要盡量利用原設備的零部件進行檢漏，這樣得到的檢測結果既真實準確，又能降低生產加工成本。出于對檢測結果和成本的考慮，在設計時應注意以下3個方面。如果工藝和材料允許，將零部件設計成整體結構，不設計成單個分散的；如果能把開口設計得小一些，就不要設計得過大；如果能把零部件的結合面設計成平面，就不要設計成有臺階的面或曲面。這樣在保證檢測的零部件數量少、外形小的同時，便于加工和保證密封檢漏結果真實可靠。

3.1.2 加壓檢漏法和抽真空檢漏法的區別。真空檢漏方案的擬定和檢漏儀器的選擇，要優先考慮設備的工作狀態，如果設備的工作狀態是容器內部壓力高，即可優先考慮采用加壓檢漏法；如果設備的工作狀態是容器內部是真空，即可優先考慮采用抽真空檢漏法。在工作和檢漏時，容器的受壓方向相同，既可省去反向受壓時有關零部件的受力大小、強度校核、結構穩定性、安全性等的設計計算和校核的時間，同時也可簡化結構，不必考慮相反方向的受壓或受力對密封壓力和密封效果的影響。如果采取反向受力測試法，則在設計階段就要提前考慮以上問題。

3.1.3 設計時要提前從結構上考慮檢漏的位置和方法。真空檢漏儀的選擇，抽真空和注入示漏氣體的方式或其他示漏物、接口大小或位置，檢漏儀器的安裝方法和敏感元件的安裝位置，示漏物是否會對材料產生腐蝕等，均要提前進行考慮。

3.1.4 設計時要盡量避免結構有寄生空間。寄生空間的存在會使反應時間延長，且不便對其進行清潔，在充氣或示漏物的沖擊下，鐵屑、灰塵等會非正?；螂S機堵塞漏孔，從而導致檢漏位置判定不準確或漏檢。特別是在焊接結構的焊縫設計中，如果內外均采用連續焊接的話，有可能產生寄生空間，正確的焊接工藝是在真空一側采用連續焊接、在非真空一側采用斷續焊接。

3.2 設計時要考慮加工過程和加工工藝對檢漏的影響

3.2.1 設計時考慮大型零件加工時的檢漏方法。一般情況下，大型零件在加工前后都沒有形成一個較為完整的封閉容器，且外形尺寸較大，采用加壓檢漏法或抽真空檢漏法難以對其進行檢漏。此時，可采用超聲波探傷、磁粉探傷、熒光法、著色法等進行檢漏。

3.2.2 設計時考慮焊接件焊接加工時及加工后的檢漏方法。真空容器的焊接工藝及加工工藝對檢漏結構的影響很大。采用密封焊接工藝除了要避免因焊接缺陷導致的漏氣外，焊件還要開有密封槽（即密封槽要經過焊縫），一定要控制好焊件的變形量及焊接坡口的深度容器密封槽，并控制好加工余量。否則，在密封條擠壓下，焊縫密封槽位置的檢漏將很難進行，或容易出現漏檢（見圖1）。

圖1 焊縫密封槽

3.2.3 設計時要考慮設計要求對檢漏的影響。大型真空設備，特別是非圓筒形真空容器，一般是由不同部分組裝而成的。因此，對高真空容器而言，各結合面的加工精度和表面粗糙度對真空度和漏率的影響較大（見圖2）。同時，密封槽的表面粗糙度和密封條的材質對真空度和漏率的影響較大，在設計時要予以重視，并在設計圖上標出具體要求。

圖2 高真空容器主室和底座

3.2.4 設計時要考慮涂裝前整體檢漏。在完成機械加工后、對零部件表面進行涂裝前，要對主體真空容器（不包括容器內部、外部的各種功能性機械、電氣及控制零件）進行整體組裝檢漏（見圖3）。設計時要考慮設計各種封板及密封零件，對沒有安裝的零部件要留有安裝孔等，并進行密封，檢漏驗收合格后，再進行表面涂裝處理。在涂裝完成后，如果有零部件受到較大的機械沖擊或震動，要在總裝前再次進行檢漏。

圖3 整體真空容器主體

3.3 設計時要考慮安裝調試階段的檢漏問題

3.3.1 檢漏前要對真空泵的性能參數進行測試驗證。設計時要計算好真空容器工作時所達到的工作真空度和極限真空度，以及真空容器的最大漏率，并據此來選擇真空泵的規格參數。在進行安裝調試前，要對真空泵進行測試驗證，排除因真空泵的不合格對安裝調試及真空檢漏的影響。例如，在電路板行業應用最廣泛的真空絲印設備，該設備在進入安裝調試階段后，就會將設備配套的真空泵和真空計安裝好，并采用抽真空法進行檢漏。使用該方法的前提是真空泵沒有泄露，極限真空穩定可靠，具體操作方法如下。將配有真空計接口的封板安裝在真空泵的進氣口，且密封壓緊，再把真空計安裝好，并通電抽真空，在限定時間內，極限真空度達到1×10-1Pa即為合格，真空泵可投入安裝調試。

3.3.2 設計時要按順序、分步驟進行檢漏。設計時要制定檢漏工藝路線及檢漏要求，包括檢漏順序、檢漏步驟、漏率標準等。每安裝好一個零部件便對此零件及連接處進行檢漏，檢漏合格后再安裝下一個零部件。外購的零部件（如真空閥、接頭），要單獨檢漏后再進行安裝，安裝后再進行檢漏。如果零件出現變形、焊接裂紋，或檢漏不合格，要在安裝前重新檢漏［3］。例如，真空絲印機在早期開發時，裝配人員認為標準件有合格證，且漏率要求也達標，因此在裝配時就沒有對其進行檢漏，導致1臺設備長時間查不出漏點，最后對所有零件進行檢查后，才懷疑是磁流體密封件可能漏氣。經檢漏測試后，發現是磁流體漏氣，分析可能原因是在運輸搬運途中因重摔而導致密封損壞。所以，要嚴格執行按順序、分步驟、不漏檢的要求。

3.3.3 分別進行靜態檢漏和動態檢漏。設計時要考慮靜態檢漏和動態檢漏的區別，將動態檢漏的要求和真空度作為設備的驗收漏率和真空度要求。靜態檢漏是指所有的機械、電氣及控制零件已安裝完成，但還未進行通電、通氣、通水等操作，此時對設備進行整體檢漏測試，包括極限真空度的測試。靜態測試是為了檢驗所有零部件及密封件的安裝是否達到設計要求，并為動態檢漏測試提供數據支持；動態檢漏是在所有機械、電氣及控制零件完成安裝后，并對其進行全面檢查，沒有發現裝錯或接錯的情況，符合開機運行條件，在設備運行的不同階段進行漏率和真空度測試，檢查其是否符合設計標準。動態檢漏主要是檢查各種動密封零部件的材料和潤滑，各種機械運動摩擦和沖擊，以及內部溫度、壓力、外部環境等因素對密封效果及使用壽命的影響。例如，在真空絲印機完成組裝后要進行一次靜態抽真空，檢測極限真空度，如果極限真空度≤10 Pa，則可分步驟進行動態測試，包括真空小蓋密封測試、真空門密封測試、臺面轉換密封測試、框架上下重復移動密封測試、臺面馬達磁密封測試等。測試時，真空度在-1～+1 Pa即為正常，否則要檢查密封零件是否漏氣或裝配情況是否符合要求。

3.3.4 設計時要考慮檢漏的可操作性和安全性。一臺大型真空設備中要進行檢漏的零部件有很多。因此，設計時一定要考慮操作方便、快速、準確。同時，還要考慮檢漏時零部件不受腐蝕或損壞，且操作者不會因示漏物及真空室的受壓問題而受到傷害，機械、電氣操作及控制可靠。另外，在真空室的清潔用品及部分示漏物中，如含有汽油、酒精、丙酮等易燃易爆物品，一定要注意使用安全。例如，真空絲印機的焊接腔體及有關的機械加工零件在進行表面涂裝前，為了節省檢漏成本，一般采用靜態升壓法，在對真空腔體抽真空達到極限真空后，向腔體可能漏氣的焊縫、接口及不同零件的結合部位噴灑酒精或丙酮，若有漏孔存在，在內外壓差的作用下，揮發性很強的酒精或丙酮會使腔體的內壓力上升，使真空計度數發生變化，從而發現漏孔，該檢漏方法雖然操作簡單，但酒精或丙酮屬易燃易爆危險品，要特別注意環境安全和操作安全。此外，酒精或丙酮會對密封材料產生腐蝕，因此使用時也要注意。

3.4 設計時要考慮使用及維修過程中的檢漏問題

3.4.1 設計時要重點考慮真空室主室的密封設計和檢漏方案的設計。真空設備在經安裝調試后，其結構會變得非常復雜，有的示漏物已不能加注，有的封板也不能安裝，大型設備也不能翻轉進行觀察檢漏等。因此，設計時要盡量做到真空容器的主腔結構不發生泄漏，如因結構、材料、工藝等的限制，必須進行焊接、組合等操作，就要在設計時滿足以下要求。對會產生內應力的零件或焊接件要進行退火去內應力處理，從而可有效避免安裝后出現裂紋或其他導致漏氣的缺陷；對可能出現漏氣的結構，要按照便于拆卸、安裝和檢漏的要求進行設計；對大型真空設備，還要考慮到其重量、體積，以及能否對其進行翻轉檢漏，所以有可能出現漏孔的焊縫、接頭等不能設計在真空室的底部。同時，還要考慮檢漏位置是否便于檢漏操作和觀察。例如，在對真空絲印機主室腔體底座進行設計時，考慮到底座不方便檢漏，故采用整板結構，且將底板加厚，既保證底板的強度，又要防止因底板變形而導致其他零件變形，從而產生裂紋造成漏氣。同時，對必須焊接的腔體周邊，要避開在4個角進行焊接，且焊縫與加強筋錯開，既避開抽真空變形應力集中的位置，又方便檢漏。

3.4.2 檢漏操作方便、準確可靠。設計時要考慮更換頻率較高的設備備件、易損件或密封件檢漏問題，要求更換方便、密封可靠、檢漏快準。例如，真空絲印機的真空腔體是由長期保持真空的主室和開啟頻繁的中轉小室組成，控制該小室的真空蝶閥每天要工作1 200～1 500次。因此，真空蝶閥的閥板密封圈很容易出現磨損，磨損后要拆下真空蝶閥才能更換密封圈。最初設計時只考慮美觀和結構緊湊，將真空蝶閥安裝在小室的底部，從而導致維修和檢漏不方便，后經改進，將真空蝶閥安裝在小室側面。

3.4.3 設計時要避免不必要的檢漏工作。設計時如何避免在吊裝、運輸、使用和維修過程中一些因設計不周而產生的不必要的檢漏工作。為此，設計時應注意以下3點。第一，不改變零部件的受力狀態。如在設計真空室底座時，為避免搬運吊裝改變底座與其他分體零部件的受力狀態，從而影響密封，導致重復檢漏，將真空設備的搬運、吊裝受力位置設計到真空室底座的底部，且要保證在搬運或吊裝時，底座不會變形。如果是分體真空室，不可將吊裝位設計在真空室的頂部。第二，不改變零部件的位置。有些大型真空設備采用分體組合式的結構形式，在設計時除了要考慮各分體間保證平面度和配合外，還要保證抽真空前后不同零部件之間的位置關系不發生改變，配合精度、定位結構和尺寸、連接緊固的方法都是設計時要考慮的因素。第三，不同材料的相互適用性。為防止密封材料、真空潤滑脂、金屬材料出現腐蝕快、磨損快，從而導致零部件出現損壞現象，要對材料的性能及是否相互適應進行研究和測試，以免出現不可預知的漏點。例如，真空絲印機的吊裝位就設計在底座上，并在設備上貼上吊裝位置的標識，且配套設計繪制出設備搬運及吊裝簡圖，并標明注意事項，從而避免因非加工和制造環節而造成的泄漏。

4 結語

真空檢漏工作是非常重要的，也是比較復雜的，而且其中涉及真空設備的制造、安裝調試及維修使用等環節，如果某一個環節處理不好，將會對整個設備的性能產生不良影響。因此，在進行真空系統設計時，要全面、統一落實檢漏方案、檢漏方法、檢漏儀器，特別是大型真空系統，因其體積龐大、結構復雜、配套設備及儀器多，使維修檢漏的空間更小，如果對檢漏問題考慮不周，可能導致局部焊縫或漏點無法檢測。通過以上分析，將真空檢漏工作放在設計階段，并將其作為真空設計工作的一部分，將真空檢漏工作從過去的輔助性、配套性或維修性工作，提前到真空設備的設計工作中去。真空檢漏貫穿真空設備生產、制造及使用全過程，因此，真空設備的設計者必須對完全檢漏設計引起重視。珠海鎮東有限公司真空絲印機的設計制造、安裝調試、使用維修全過程的真空檢漏經驗證明，只要真空設備的設計者在設計階段全面、綜合地考慮檢漏設計，要把真空檢漏的各項工作做順、做好，并避免真空設備使用、維修階段出現真空檢漏難題。