大型高真空容器的氣體負(fù)荷分析

1、大型高真空容器的氣體負(fù)荷分析 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，某些用途的真空裝置向大型化、高真空度的方向發(fā)展。分析說明材料出氣和漏氣是大型高真空容器的主要?dú)怏w負(fù)荷，在容器及密封構(gòu)造設(shè)計、檢漏設(shè)計、制造工藝技術(shù)分析中應(yīng)重點(diǎn)研究，以提高大型高真空裝備的技術(shù)水平。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，某些用途的真空裝置向大型化、高真空度的方向發(fā)展。如容積2000 m3，極限真空度達(dá)10-3 Pa 的真空裝備業(yè)已建造完成。相對于常規(guī)真空設(shè)備，如此大型的真空容器在設(shè)計理論、分析方法、制造工藝技術(shù)及測試評價數(shù)據(jù)等方面可參考的資料非常有限。因此，有必要逐步開展一些分析研究工作為工程實(shí)踐提供支持。氣體負(fù)荷是確定真空裝備技術(shù)指標(biāo)，開展系統(tǒng)

2、和工藝設(shè)計及質(zhì)量控制的根底，本文針對大型高真空容器的材料出氣、蒸發(fā)或升華的氣體、滲氣和漏氣開展了分析。 1、真空系統(tǒng)抽氣方程 真空系統(tǒng)的任務(wù)就是要抽除真空容器內(nèi)的各種氣體，使容器內(nèi)建立起滿足一定要求的真空環(huán)境。根據(jù)動態(tài)平衡關(guān)系，真空系統(tǒng)抽氣方程為： 其中：Se真空系統(tǒng)對容器的有效抽速，m3/s p容器內(nèi)壓力，Pa Qf放氣流量，Pam3/s Qs滲透氣流量，Pam3/s Qz蒸氣流量，Pam3/s Ql漏氣流量，Pam3/s 由式(1)可見，在粗真空和低真空抽氣時，容器內(nèi)原有的空間大氣Vdp/dt 是主要?dú)怏w負(fù)荷。隨著容器中的壓力降低，進(jìn)入高真空階段后，dp/dt 變得很小，主要的氣體負(fù)荷為放

3、氣流量、滲透氣流量、蒸氣流量和漏氣流量，可統(tǒng)一表示為Q。當(dāng)?shù)竭_(dá)極限壓力時，dp/dt=0，p=Q/Se，說明在高真空下，系統(tǒng)的極限壓力由Q 和S 決定?？梢?，準(zhǔn)確的估算氣體負(fù)荷Q 對于大型真空系統(tǒng)的設(shè)計、制造具有重要意義。但由于氣體負(fù)荷受材料、構(gòu)造、表面加工、溫度、清洗工藝等諸多因素的影響，很難準(zhǔn)確計算。對于各種用途的常規(guī)真空裝備，可得到的數(shù)據(jù)或可參考的類似設(shè)備較多，分析計算方法也已成熟，可確保合理的實(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。而對于2000 m3 量級的大型高真空裝備還需要結(jié)合工程實(shí)踐開展必要的分析和研究。 2、放氣流量 2.1、放氣流量計算 容器抽空后，暴露于真空下的各種材料構(gòu)件的表面將把原來在大氣壓下

4、所吸收和吸附的氣體解析出來，稱為放氣。材料的放氣速率除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受溫度、時間、材料的制造工藝、儲存狀況、預(yù)處理工藝(如清洗、烘烤、氣體放電轟擊、表面處理等)等因素影響。放氣流量可以依據(jù)材料放氣率實(shí)驗數(shù)據(jù)計算，但放氣率隨暴露在真空下的時間而變化，實(shí)驗數(shù)據(jù)僅對應(yīng)有限的時間點(diǎn)且現(xiàn)有參考數(shù)據(jù)一般是在25 h 以內(nèi)。另外，某種材料的出氣速率可表示為時間的函數(shù)： 其中：q1抽空1 h 的放氣速率，Pam3/(m2s) t抽氣時間，h 出氣速率的衰減系數(shù)，一般對金屬材料1 暴露在真空下的所有材料的出氣速率之和就是總的放氣流量。2000 m3 的真空球罐直徑約為15.7 m，內(nèi)部表面積約為7

5、75 m2，放氣主要來自于罐體構(gòu)造材料。罐體大，質(zhì)量重，罐壁需要承受較大的機(jī)械強(qiáng)度， 設(shè)計中可采用S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼。表1 中給出了幾種預(yù)處理條件下的放氣流量， 其中q1 取與S30408 相近的1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的數(shù)據(jù)。 表1 幾種處理條件下的放氣量 2.2、放氣流量分析 在常規(guī)的超高真空系統(tǒng)中，常通過真空除氣加速材料表面的放氣以在較短時間內(nèi)獲得較高的真空度。烘烤是最常用的手段，但對于2000 m3 量級的大型容器，實(shí)施高溫烘烤存在許多技術(shù)和成本上的困難。另外，考慮大型容器隨溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力和變形也不建議采用高溫烘烤開展除氣。其它如電子束或離子束轟擊等方

6、式對如此大型的容器也不具備技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性。因此，在大型真空容器的放氣流量分析中應(yīng)主要考慮常溫狀態(tài)。預(yù)處理工藝對減少構(gòu)造材料表面放氣的影響顯著。預(yù)處理主要是使處于真空狀態(tài)的表面要光滑，無松軟組織和氣孔，無死空間，內(nèi)焊縫無影響真空的缺陷。另外使處于真空狀態(tài)表面無積存的污染源，表面無塵埃、無鐵屑、無銹蝕、無脂無油等。針對大型真空容器建議仔細(xì)做好以下處理過程： (1)真空容器建造完成后，應(yīng)徹底除銹、除渣，并吹掃干凈。 (2)開展布拋光或機(jī)械拋光以去除表面缺陷，形成光滑、光亮表面，表面粗糙度越高越好。 (3)三氯乙烯去脂+ 丙酮清洗以去油、去脂、去污物。 (4)清洗后氮?dú)獯蹈伞?從式(2)和表1

7、的計算結(jié)果可見，隨著抽空時間的延長，放氣流量逐漸減少。精細(xì)做好內(nèi)部預(yù)處理的2000 m3 真空球罐在抽空100 h 時的放氣流量大致為10-5 Pa m3/s 量級。 3、滲氣流量 滲氣是容器被抽空后，由于容器壁內(nèi)外壓差的存在，大氣通過器壁構(gòu)造材料晶格和晶粒邊界擴(kuò)散到容器中的氣體流量。氣體對金屬的擴(kuò)散、溶解和滲透過程，一般是以原子態(tài)的形式開展。由于氫原子的直徑最小，所以氫原子對金屬的擴(kuò)散和滲透最為顯著，其它氣體經(jīng)大多數(shù)金屬的滲透率至少比氫小一個量級。氣體對金屬的滲透與溫度有關(guān)，滲透系數(shù)一般隨溫度的升高而增大。氣體對金屬滲氣量可用下式計算： 其中：K滲透系數(shù)，Pa m3 m/(m2 Pa0.5

8、s) A 真空室壁的面積，m2 p真空室壁兩側(cè)的壓差，Pa d 真空室壁厚，m 氫氣對不同金相組織的鋼材的滲透系數(shù)如圖1 所示。S30408 不銹鋼的主要金相構(gòu)造為奧氏體，其滲透系數(shù)如圖1 中的1 號線條。滲透系數(shù)K隨溫度大致呈線性下降，在常溫下保守判斷取值應(yīng)小于10-11。則高真空球罐的滲氣量為： 以上計算的滲氣流量較放氣流量低約2 個數(shù)量級，不是影響真空球罐技術(shù)指標(biāo)的主要矛盾和關(guān)鍵因素，因此，在大型高真空容器中滲氣量影響可以忽略。 圖1 氫氣對不同金相組織的鋼材的滲透系數(shù) 4、蒸氣流量 在封閉的真空空間中，液體(或固體)氣化的結(jié)果是使空間的蒸氣密度逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的蒸氣壓后，單位時間內(nèi)

9、脫離液體(或固體)表面的氣化分子數(shù)與空間返回到液體(或固體)表面的再凝結(jié)分子數(shù)相等，即蒸發(fā)(或升華)速率與凝結(jié)速率到達(dá)動態(tài)平衡。此時，空間的蒸氣密度不再增加，蒸氣壓力不再變化，即為該溫度下液體(或固體)的飽和蒸氣壓。平衡狀態(tài)下，真空球罐內(nèi)的總壓力等于各組分氣體分壓力之和，如果某種物質(zhì)能夠以液體或固體形態(tài)存在于真中，則該種物質(zhì)氣體形態(tài)的分壓力對應(yīng)該種物質(zhì)在相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓。蒸發(fā)(升華)速率是需要重視的參數(shù)，可能來自液體或固體的蒸氣構(gòu)成了真空容器內(nèi)源源不斷的氣體負(fù)荷。一般在一定溫度下，飽和蒸氣壓高的材料，其蒸發(fā)(或升華)的速率也大。無機(jī)材料的飽和蒸氣壓通常較低，常規(guī)的超高真空設(shè)備都盡量防止使

10、用有機(jī)材料，正是由于有機(jī)材料都有較高的蒸氣壓。 針對2000 m3 量級的高真空容器，使用三氯乙烯去脂、丙酮去油、去脂、去污物等內(nèi)部清洗是必要的。這些有機(jī)溶劑常溫下的飽和蒸氣壓均較高，極易揮發(fā)，在清洗后應(yīng)采用干燥氮?dú)饣蚩諝獯蹈?，盡量減少其在真空容器內(nèi)的殘留量。真空封脂的飽和蒸氣壓一般10-6 Pa 量級，不會構(gòu)成較大影響。擴(kuò)散泵油的飽和蒸氣壓可以做到10-5 Pa 量級，應(yīng)注意選擇飽和蒸氣壓低的擴(kuò)散泵油，并在真空系統(tǒng)上采取有效措施，防止泵油向高真空容器的擴(kuò)散。密封橡膠材料本身的飽和蒸氣壓較高，但由于其暴露面積較小，真空容器容積較大，在常規(guī)設(shè)備中其蒸發(fā)和升華在1.310-5 Pa1.310-7

11、Pa 時表達(dá)的最為顯著，在大型高真空容器中仍可使用。從以上幾種材料的蒸發(fā)或升華情況看，蒸氣流量也不會構(gòu)成大型高真空容器的主要?dú)怏w負(fù)荷。 5、漏氣流量 系統(tǒng)泄漏和漏率控制一直是困擾各類真空系統(tǒng)的重要問題，大型高真空系統(tǒng)在建造和檢漏上更是面臨許多困難。主要泄漏位置包括焊縫、法蘭密封連接和閥門。首先參照常規(guī)高真空設(shè)備的制造和檢漏技術(shù)水平分析理想情況下大型高真空容器能夠控制的目標(biāo)漏氣流量。對于焊接工藝，保證并檢出(110-9 Pa m3/s)/300 mm 的漏率是容易實(shí)現(xiàn)的，2000 m3 量級高真空球罐的焊縫如為500 m，則焊縫總漏率可控制在1.6710-6 Pa m3/s 以下。國內(nèi)公稱直徑D

12、N800 的高真空閥門漏率可控制在1.310-9 Pa m3/s ，以此作為閥門和法蘭連接的允許漏率，如閥門和法蘭連接的總數(shù)為30 處，則最大漏率為3.910-8 Pa m3/s。公稱直徑DN800 的高真空閥門制造更為困難，可參考的漏率數(shù)據(jù)較少見，如將小閥門允許漏率提高2 個數(shù)量級為控制目標(biāo)，閥門和法蘭連接的總數(shù)為20 處，則最大漏率為2.610-6 Pa m3/s。因此，如果按常規(guī)高真空設(shè)備的制造和檢漏技術(shù)水平，2000 m3 量級高真空容器的最大漏率可期待到達(dá)110-5 Pa m3/s 以下。 大型高真空設(shè)備與常規(guī)設(shè)備存在較大差異。如大容積使總裝檢漏難以在較短的檢漏時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的檢漏靈敏度，制造過程中的局部檢漏過于繁瑣、復(fù)雜，容易出現(xiàn)檢漏誤差、漏檢或無法檢漏；在真空裝備運(yùn)行時，受氣體壓力的作用，大型真空容器及連接收道必然存在較大變形，使閥門或法蘭密封連接的受力情況發(fā)生較大改變而影響密封性能。目前已經(jīng)建成的2000 m3 量級高真空容器的實(shí)際漏率尚遠(yuǎn)高于常規(guī)高真空