低溫泵常見(jiàn)故障分析及其解決措施

許忠旭，杜春林，武 越

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低溫泵是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型抽氣設(shè)備，其利用低溫表面對(duì)被抽氣體分子進(jìn)行冷凝、吸附和捕集，可以獲得高真空和超高真空[1]，具有無(wú)污染、抽速較大、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2]，是目前空間環(huán)境模擬設(shè)備的主要真空獲得設(shè)備。本文結(jié)合各口徑低溫泵的使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了冷頭和氦壓縮機(jī)所發(fā)生的各類(lèi)典型故障，并提出了解決措施。

1 低溫泵組成及工作原理

低溫泵通常由氦壓縮機(jī)、泵的殼體（泵腔）、冷頭（含一級(jí)及二級(jí)冷頭）、冷屏（一級(jí)冷板口徑大于500 mm的一級(jí)冷板通常使用液氮冷屏代替）、二級(jí)冷板、障板、冷頭測(cè)溫傳感器、真空規(guī)、安全閥等組成，如圖1所示。低溫泵的抽氣口徑為160～1320 mm不等?？趶叫∮诘扔?00 mm的低溫泵，其一級(jí)冷板及障板由一級(jí)冷頭提供冷量；大于500 mm的低溫泵，通常不使用一級(jí)冷板，而由外界輸入的 液氮給冷屏及障板提供冷量。

圖1 萊寶COOLVAC低溫泵組成[3]Fig.1 The makeup of Leybold COOLVAC cyropump

低溫泵通常采用G-M兩級(jí)制冷循環(huán)。其制冷工作原理可以簡(jiǎn)述為：氦壓縮機(jī)將來(lái)自于冷頭的低壓低溫氦氣壓縮為高壓高溫的氦氣后，經(jīng)冷卻、油分離，變成高壓常溫的純凈氦氣進(jìn)入冷頭，在冷頭的一、二級(jí)氣缸內(nèi)絕熱膨脹制冷，變成低壓低溫的氦氣后再返回壓縮機(jī)。如此反復(fù)循環(huán)，使各級(jí)冷板冷卻。

2 典型故障及可能原因分析

2.1 冷頭典型故障及原因分析

2.1.1 冷頭組成及功能簡(jiǎn)介

低溫泵冷頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]，主要由氣缸、活塞組成?；钊ㄟ^(guò)密封環(huán)與氣缸密封連接，形成一、二級(jí)冷頭，分別包含一級(jí)蓄冷器及二級(jí)蓄冷器。一、二級(jí)冷板對(duì)應(yīng)安裝在一、二級(jí)冷頭上?；钊呻姍C(jī)或配氣盤(pán)來(lái)驅(qū)動(dòng)，在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，確保進(jìn)入到冷頭內(nèi)的高壓氦氣在一、二級(jí)冷頭（布置有測(cè)溫傳感器）內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹制冷，逐漸降低一、二級(jí)冷頭溫度。

圖2 制冷機(jī)低溫泵冷頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The internal structure of refrigerator cryopump

2.1.2 二級(jí)冷板活性炭脫落的問(wèn)題

二級(jí)冷板安裝在泵腔內(nèi)，因此與二級(jí)冷板有關(guān)的故障不易發(fā)現(xiàn)，其中最容易發(fā)生的問(wèn)題是活性炭的脫落，如圖3所示。活性炭脫落有兩種情況：一是完全脫落，活性炭顆粒或粘結(jié)在一起的活性炭塊掉落在屏蔽板上；二是虛脫，表面上看活性炭顆粒還是粘接在二級(jí)冷板上，但是稍用外力觸碰就會(huì)脫落?；钚蕴棵撀鋾?huì)影響低溫泵對(duì)氫氣、氦氣的抽速，嚴(yán)重時(shí)，脫落的活性炭因振動(dòng)等原因運(yùn)動(dòng)到屏蔽板與泵殼之間，在其間搭起一座“熱橋”，導(dǎo)致一、二級(jí)冷板的溫度降不下來(lái)或泵殼外表結(jié)霜嚴(yán)重。

圖3 低溫泵二級(jí)冷板活性炭脫落Fig.3 The active carbon desquamation instance of cryopump second cold plate

2.1.3 冷頭運(yùn)行時(shí)聲音異常

低溫泵在正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)出有規(guī)律的聲音。當(dāng)發(fā)出不規(guī)律的、分貝偏高的運(yùn)行聲音時(shí)，表明冷頭出了問(wèn)題，此類(lèi)聲音多由冷頭活塞變形導(dǎo)致與氣缸的摩擦增大、間隙改變所致。圖4為某型號(hào)低溫泵在使用過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)行聲音異常后，打開(kāi)冷頭發(fā)現(xiàn)活塞開(kāi)裂。當(dāng)冷頭內(nèi)含油或氦氣不純時(shí)也可能導(dǎo)致冷頭運(yùn)行聲音異常。

圖4 低溫泵冷頭內(nèi)活塞開(kāi)裂變形Fig.4 The crack in the piston of the cryopump cold head

2.1.4 一、二級(jí)冷板溫度無(wú)法降到要求值

低溫泵正常工作過(guò)程中，一級(jí)冷板溫度可以降低到65 K 以下，二級(jí)冷板溫度降低到15 K 以下。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)發(fā)生一、二級(jí)冷板的溫度同時(shí)或單獨(dú)降不到要求值的情況。圖5所示為某型號(hào)低溫泵的一級(jí)、二級(jí)冷板溫度變化。

圖5 低溫泵異常后的一、二級(jí)冷頭溫度曲線Fig.5 The temperature curves of the first and second cold heads of abnormal cryopump

出現(xiàn)一、二級(jí)冷板溫度降不到要求值的主要原因有：1）冷頭活塞上的密封環(huán)磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致一、二級(jí)冷頭之間串氣；2）氦壓縮機(jī)、氦管漏氣等原因?qū)е潞鈮毫Σ蛔悖?）氦壓縮機(jī)內(nèi)部的油氣分離器、吸附器等失效導(dǎo)致冷頭活塞內(nèi)部進(jìn)油。

2.1.5 冷頭測(cè)溫傳感器失效

低溫泵的一、二級(jí)冷板通常都布置有1～2 個(gè)測(cè)溫傳感器，是最重要的測(cè)溫點(diǎn)，用以檢測(cè)壓縮機(jī)冷頭的工作狀態(tài)[5]。當(dāng)?shù)蜏乇玫囊患?jí)或二級(jí)冷板的溫度顯示不正常后，首先應(yīng)根據(jù)測(cè)得的低溫泵內(nèi)真空度等指標(biāo)排除低溫泵冷頭或氦壓縮機(jī)的可能故障。只有排除了這些部位的故障后，才能判定為測(cè)溫傳感器的失效故障。

可能的原因?yàn)椋?）測(cè)溫傳感器安裝不牢固；2）傳感器自身?yè)p壞或信號(hào)傳輸線路斷路。

2.2 氦壓縮機(jī)典型故障及可能原因分析

2.2.1 氦壓縮機(jī)組成及功能簡(jiǎn)介

氦壓縮機(jī)通常由壓縮機(jī)、換熱器、油氣分離器、吸附器、配套的閥門(mén)以及控制電路組成。其功能是將來(lái)自于冷頭的低壓氦氣壓縮為高壓氦氣，并經(jīng)過(guò)換熱器、油氣分離器及吸附器的過(guò)濾作用，將氦氣純化。

2.2.2 氦壓縮機(jī)漏氣

氦壓縮機(jī)漏氣的典型現(xiàn)象是其壓力表示值低于要求值。氦壓縮機(jī)與氦管、冷頭連接在一起，若要判斷是否為氦壓縮機(jī)單獨(dú)漏氣，需要將氦管從氦壓縮機(jī)上拆下后，往氦壓縮機(jī)內(nèi)充入氦氣至要求的靜態(tài)壓力值，觀察壓力的變化。發(fā)生漏氣的部位多為壓縮機(jī)內(nèi)部油氣分離器、吸附器等連接部位以及壓縮機(jī)內(nèi)部的工藝孔。漏氣與氦壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的周期性振動(dòng)、工藝孔處的密封失效等有關(guān)。

2.2.3 氦壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)

氦壓縮機(jī)在運(yùn)行中突然停止，二級(jí)冷板的溫度迅速上升；一段時(shí)間以后，重新啟動(dòng)氦壓縮機(jī)后又能正常運(yùn)行，且二級(jí)冷板的溫度等指標(biāo)均恢復(fù)到正常范圍。此情況稱(chēng)為氦壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)。可能原因有：1）氦壓縮機(jī)的循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行中斷；2）氦壓縮機(jī)內(nèi)部的冷卻水管道或換熱器結(jié)垢嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行正常換熱。

2.2.4 溢流閥損壞

當(dāng)發(fā)現(xiàn)低溫泵的二級(jí)冷頭存在降溫困難、運(yùn)行聲音異常等情況時(shí)，可能原因?yàn)楹嚎s機(jī)內(nèi)的溢流閥損壞。溢流閥損壞后，氦壓縮機(jī)內(nèi)的壓縮機(jī)油就會(huì)穿過(guò)吸附器進(jìn)入到冷頭內(nèi)，引起冷頭運(yùn)行不正常。

2.3 其他典型故障

低溫泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中泵腔內(nèi)真空度不能滿足使用要求也是常見(jiàn)的故障情況，究其原因，除上述冷頭及氦壓縮機(jī)故障引起的原因外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮泵腔本身是否存在泄漏，包括泵腔本體、泵腔與閥門(mén)連接處、泵腔內(nèi)液氮冷屏（口徑大于500 mm 的低溫泵）、與泵腔連接的閥門(mén)等都是重點(diǎn)檢測(cè)的對(duì)象。圖6為某型號(hào)低溫泵使用過(guò)程中泵殼外表面結(jié)霜，原因?yàn)楸们粌?nèi)的液氮冷屏匯總管泄漏。

圖6 某型號(hào)低溫泵泵腔內(nèi)液氮冷屏匯總管泄漏 （白色為肥皂泡）Fig.6 The leakage of liquid nitrogen pipe in certain type cryopump shell (the white bubbles is soap bubbles)

3 解決措施及使用注意事項(xiàng)

3.1 二級(jí)冷板活性炭脫落

將二級(jí)冷板表面原有的活性炭清除干凈后重新粘接活性炭（一般選用椰子殼活性炭）。關(guān)鍵在低溫膠的選用，其性能的好壞直接決定了活性炭的粘接牢固性及使用壽命。二級(jí)冷板重新投入使用后，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1）低溫泵抽氣過(guò)程中要避免抽除含有油蒸氣的氣體；2）低溫泵使用后應(yīng)及時(shí)再生，避免二級(jí)冷板長(zhǎng)期處于泵腔內(nèi)高水分的狀態(tài)。

3.2 冷頭運(yùn)行聲音異常

冷頭運(yùn)行聲音異常時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉氦壓縮機(jī)。首先在冷頭及氦壓縮機(jī)均處于常溫狀態(tài)下對(duì)冷頭及氦壓縮機(jī)進(jìn)行氦氣置換，以判斷是否為氦氣不純引起的冷頭聲音異常；其次可以檢測(cè)氦壓縮機(jī)出氣口的氣體是否含油。如果檢測(cè)到油，則可以肯定是由此原因引起。否則直接拆開(kāi)冷頭，檢查活塞是否變形等情況，確定具體故障部位及原因后進(jìn)行針對(duì)性的維修。

3.3 一、二級(jí)冷板溫度降不到要求值

如果是氦壓縮機(jī)壓力不足，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)氣至規(guī)定值。否則拆開(kāi)冷頭進(jìn)行檢查。冷頭內(nèi)一、二級(jí)之間的活塞環(huán)磨損嚴(yán)重甚至破裂是導(dǎo)致一、二級(jí)冷板溫度降不到要求值的常見(jiàn)原因，應(yīng)及時(shí)對(duì)磨損嚴(yán)重或破裂的活塞環(huán)進(jìn)行更換。如果拆開(kāi)冷頭發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)完好，但是冷頭內(nèi)有油，除了對(duì)冷頭進(jìn)行除油處理外，還應(yīng)尋根溯源，對(duì)氦壓縮機(jī)進(jìn)行檢查。若經(jīng)分析，冷頭內(nèi)的油確定來(lái)自于氦壓縮機(jī)，則可根據(jù)氦壓縮機(jī)漏油的部位采取針對(duì)性的維修措施。圖7為氦壓縮機(jī)出氣口出油檢測(cè)裝置及用于吸油的紙張與毛氈檢測(cè)前后對(duì)比。

圖7 氦壓縮機(jī)出氣口出油檢測(cè)裝置及用于吸油的紙張與 毛氈檢測(cè)前后對(duì)比Fig.7 The oil measurement of the compressor exhaust and the contrast between the papers and the felts in absorbing oil

3.4 氦壓縮機(jī)漏氣

氦壓縮機(jī)漏氣時(shí)，通常要先將氦壓縮機(jī)與氦管斷開(kāi)，以免發(fā)生誤判斷。當(dāng)確定為氦壓縮機(jī)漏氣時(shí)，應(yīng)使用氦質(zhì)譜檢漏儀對(duì)其檢漏，利用檢漏儀的吸槍對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行定位，確定漏點(diǎn)后再制定維修方案。因氦壓縮機(jī)內(nèi)壓力一般高于1.5 MPa，所以維修時(shí)一定要先將氦壓縮機(jī)內(nèi)氦氣排出。如果氦壓縮機(jī)漏氣緩慢，也可以通過(guò)不斷補(bǔ)氣的方式維持運(yùn)行。在使用過(guò)程中應(yīng)注意，氦壓縮機(jī)要采取隔振措施。氦壓縮機(jī)內(nèi)通常具有減振彈簧，使用過(guò)程中應(yīng)確保其發(fā)揮作用。例如CTI-8500 氦壓縮機(jī)，使用前應(yīng)檢查壓縮機(jī)的運(yùn)輸螺釘是否拆下[6]，否則減振彈簧不起作用。

3.5 氦壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)

氦壓縮機(jī)過(guò)熱保護(hù)通常由循環(huán)水引起。當(dāng)發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)，首先要檢查氦壓縮機(jī)的循環(huán)水系統(tǒng)是否正常工作。若為循環(huán)水系統(tǒng)的原因，則應(yīng)停止循環(huán)水系統(tǒng)工作并排查原因后再恢復(fù)工作。否則可能原因?yàn)楹嚎s機(jī)內(nèi)的換熱器管路的結(jié)垢而導(dǎo)致水流不暢。綜上，氦壓縮機(jī)在使用過(guò)程中應(yīng)保證所使用循環(huán)水的水質(zhì)滿足要求。另外，還應(yīng)根據(jù)使用情況不定期對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)維修。

3.6 溢流閥損壞

溢流閥的損壞多發(fā)生在氦壓縮機(jī)充氣時(shí)，由充氣壓力過(guò)高所致，若損壞時(shí)應(yīng)更換同型號(hào)的溢流閥。因此，氦壓縮機(jī)充氣時(shí)應(yīng)格外注意不能過(guò)充。

3.7 泵腔內(nèi)真空度不能滿足使用要求

當(dāng)泵腔內(nèi)真空度不能滿足使用要求或者是使用過(guò)程中低溫泵泵殼“出汗”甚至結(jié)霜時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)。若有液氮制冷的屏蔽，則同時(shí)停止液氮的供應(yīng)。因?yàn)橐旱坏┬孤┑奖们粌?nèi)，液氮的汽化會(huì)造成泵腔內(nèi)溫度的降低以及壓力的升高。此時(shí)應(yīng)打開(kāi)低溫泵的某個(gè)法蘭，避免泵腔內(nèi)壓力高于大氣壓。低溫泵回到常溫后應(yīng)采用氦質(zhì)譜真空法或充壓法對(duì)低溫泵進(jìn)行檢漏。

為避免低溫泵使用過(guò)程中出現(xiàn)泄漏，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1）對(duì)于需要定期拆卸的法蘭在每次安裝時(shí)應(yīng)注意確保密封良好；2）對(duì)于泵腔內(nèi)含有液氮冷屏的低溫泵，在進(jìn)行冷屏預(yù)冷時(shí)應(yīng)盡量延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，避免驟冷驟熱導(dǎo)致焊縫疲勞開(kāi)裂。

4 低溫泵使用及維護(hù)建議

上述都是在低溫泵使用過(guò)程中常發(fā)生的比較典型的問(wèn)題。從統(tǒng)計(jì)規(guī)律上看，盡管低溫泵的工作可靠性比較高，但也有必要加強(qiáng)其在使用過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)，這將有助于延長(zhǎng)使用壽命，降低故障發(fā)生的頻度。維護(hù)保養(yǎng)工作應(yīng)側(cè)重于以下幾方面：

1）應(yīng)根據(jù)說(shuō)明書(shū)規(guī)定的周期更換吸附器；

2）綜合低溫泵各個(gè)運(yùn)行參數(shù)判斷是否要更換活塞組件；

3）加強(qiáng)泵腔內(nèi)的維護(hù)，包括清潔、除油、測(cè)溫點(diǎn)檢查以及活性炭粘接等；

4）盡量使用加熱再生的方式進(jìn)行低溫泵再生；

5）為氦壓縮機(jī)配備的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)定期除垢；

6）保證為氦壓縮機(jī)補(bǔ)充的氦氣純度不低于99.999%；

7）備份一些氦壓縮機(jī)保險(xiǎn)管、氦管和吸附器等關(guān)鍵備件及冷頭充放氣接頭等；

8）制定合理可行的操作規(guī)程及維護(hù)保養(yǎng)程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合多年的使用經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié)了低溫泵在使用過(guò)程中所發(fā)生的各類(lèi)典型故障，并提出了有效的解決措施。低溫泵是環(huán)模設(shè)備重要的清潔高真空獲得設(shè)備，應(yīng)用廣泛。只有掌握低溫泵自身的運(yùn)行規(guī)律及一些典型的故障處理措施，才能確保其穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，制定合理可行的操作規(guī)程，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)也是保證低溫泵長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

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