真空釬焊爐的安全管理及事故預(yù)防措施探討

胡杰仁，程耀永

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

隨著釬焊研制任務(wù)量的劇增，真空釬焊爐數(shù)量不斷增加，其安全管理的重要性日益凸顯。根據(jù)歷年安全事故統(tǒng)計(jì)，真空設(shè)備出現(xiàn)過真空系統(tǒng)燃爆、加熱系統(tǒng)超溫等事件，造成設(shè)備損壞、工件報(bào)廢。正常情況下，只要操作者嚴(yán)格遵守真空釬焊爐操作規(guī)程，適時(shí)關(guān)啟按鈕和開關(guān)，無需太多的經(jīng)驗(yàn)或培訓(xùn)即能掌握操作。事故的發(fā)生往往是由于設(shè)備功能異?；虿考收弦?，因此，要強(qiáng)化真空釬焊爐的使用管理與維護(hù)工作，以延長設(shè)備的使用壽命，避免設(shè)備使用時(shí)發(fā)生故障。

1 真空釬焊原理及工藝流程

將需要釬焊的工件裝入真空爐內(nèi)，關(guān)閉爐門，通過溫控系統(tǒng)，編制熱循環(huán)工作程序，系統(tǒng)按設(shè)定的程序手動(dòng)或自動(dòng)完成抽真空→加熱→保溫→斷電等一系列工藝過程。啟動(dòng)真空系統(tǒng)（包括機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵）對(duì)加熱室抽真空，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作真空度時(shí)，啟動(dòng)加熱程序。金屬加熱元件通過溫控儀控制變壓器輸出產(chǎn)生電阻熱，利用大電流低電壓方式加熱，金屬反射屏的對(duì)熱輻射反射，熱量相對(duì)集中在加熱室內(nèi)，形成一個(gè)固定范圍均勻的溫度環(huán)境，工件吸收熱量，達(dá)到工藝要求的溫度及保溫時(shí)間后，關(guān)閉加熱電源隨爐冷卻，或視工藝需求充入高純氬氣快冷，爐溫降至200 ℃以下后，關(guān)閉設(shè)備電源，出爐，完成整個(gè)工藝過程[1]。

2 真空釬焊爐結(jié)構(gòu)

以ZH-200 型高溫真空釬焊爐為例，該爐為冷壁、單室臥式結(jié)構(gòu)，主要由爐體、爐膽、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及充氣系統(tǒng)組成。爐殼體按照真空容器要求設(shè)計(jì)、制造。爐體及爐門均采用雙層水冷夾套形式，內(nèi)壁及法蘭采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制造，外壁采用優(yōu)質(zhì)碳鋼焊制，爐體內(nèi)壁為保證良好的真空極限經(jīng)拋光處理。爐門設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)側(cè)開，錯(cuò)齒法蘭鎖圈氣動(dòng)鎖緊，爐門采用橡膠圈密封，設(shè)有冷卻水進(jìn)、回水管，采用軟管連接。真空系統(tǒng)機(jī)組主泵為DIP-20000 型擴(kuò)散泵，前級(jí)泵為ZJ-600 型羅茨泵和2X-70 型旋片式機(jī)械泵，分別配有主閥、前級(jí)閥、粗抽閥及與機(jī)械泵聯(lián)動(dòng)的電磁真空壓差閥，如圖1 所示。其中，真空系統(tǒng)的擴(kuò)散泵屬于射流真空泵的一種，工作在高真空區(qū)域，以低壓高速油蒸汽流作為工作介質(zhì)。泵的抽氣過程是真空系統(tǒng)中的氣體分子擴(kuò)散到高速油蒸汽射流中，被攜帶到泵出口排除的過程，正常工作時(shí)，油蒸汽溫度將達(dá)到250 ℃以上，已超過所用油的閃點(diǎn)。

3 真空釬焊爐安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)分析

設(shè)備運(yùn)行過程中內(nèi)部同時(shí)具備高溫、真空密封的特征，存在兩方面的安全風(fēng)險(xiǎn):①如果加熱系統(tǒng)失控，超溫會(huì)引起設(shè)備部件損壞、工件報(bào)廢；②高溫狀態(tài)下的異常升壓，可能導(dǎo)致超壓爆炸，輕者造成設(shè)備損傷，重者爐門瞬間打開，造成人員傷亡。表1 對(duì)真空釬焊爐在使用過程中出現(xiàn)的異常情況、原因、影響、可能導(dǎo)致的事故進(jìn)行了分析。

4 真空釬焊爐安全控制措施

4.1 安全技術(shù)措施

為了保證真空爐的使用安全，生產(chǎn)廠商在設(shè)備的設(shè)計(jì)制造過程中，必須考慮關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)安全性、系統(tǒng)可靠性、應(yīng)用靈活性等因素，針對(duì)真空系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)采取的技術(shù)措施主要包括以下方面:

4.1.1 爐體及真空系統(tǒng)

（1）爐體采用強(qiáng)度高圓筒狀雙層水冷結(jié)構(gòu)，選擇具有良好焊接性能的鋼板，保證爐殼的氣密性。

（2）爐門與爐體采用鎖緊齒圈進(jìn)行壓緊，由氣缸傳動(dòng)來完成齒圈的鎖緊與打開，并設(shè)有互鎖位置開關(guān)，保證爐門的鎖緊狀態(tài)。

（3）爐門與爐體、擴(kuò)散泵與爐體、泵與泵之間以及各管路連接處均由性能完好的密封圈進(jìn)行密封，用水隔層進(jìn)行冷卻。

（4）閥門開關(guān)均為氣動(dòng)，由電磁閥控制，當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)，所有閥門會(huì)在壓縮空氣的壓力下自動(dòng)關(guān)閉，保證設(shè)備內(nèi)部的真空狀態(tài)。

（5）閥門具有自鎖互鎖安全保護(hù)功能，規(guī)定了真空系統(tǒng)機(jī)組的開啟順序，防止誤操作帶來的閥門串氣。

（6）在抽高真空管道系統(tǒng)加裝一臺(tái)維持泵，保證真空機(jī)組在連續(xù)工作或預(yù)加熱擴(kuò)散泵時(shí)的獨(dú)立抽氣狀態(tài)，防止因閥門轉(zhuǎn)換失誤而造成大量空氣串入擴(kuò)散泵[2]。

圖1 真空爐結(jié)構(gòu)示意

（7）擴(kuò)散泵上增設(shè)壓力表，可以有效監(jiān)控?cái)U(kuò)散泵的狀態(tài)。

（8）爐體上裝有安全閥，為防止意外情況造成爐內(nèi)超壓，可及時(shí)泄壓。

4.1.2 加熱及控溫系統(tǒng)

（1）完好無損的溫度控制系統(tǒng)，包括控溫?zé)犭娕?、水冷電極、加熱元件、保溫層等。根據(jù)生產(chǎn)中所使用的氣氛和溫度高低，正確選擇熱電偶與加熱元件。例如，對(duì)于高溫真空釬焊爐，其設(shè)計(jì)最高溫度為1600 ℃，采用金屬鉬帶作為加熱元件，采用B 型鎧裝熱電偶進(jìn)行溫度的測(cè)量與控制。

（2）B 型鎧裝熱電偶須密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用純度高、強(qiáng)度高的剛玉管。為了提高熱電偶的強(qiáng)度，防止陶瓷保護(hù)管破裂，可采用金屬與陶瓷復(fù)合管，兼有強(qiáng)度與耐溫的優(yōu)點(diǎn)。

（3）獨(dú)立有效的超溫報(bào)警單元，若爐溫超過程序設(shè)定溫度，系統(tǒng)會(huì)在觸摸屏和報(bào)警燈上同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并進(jìn)行關(guān)斷加熱電源等保護(hù)性操作。

（4）全面直觀的測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備控制程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于智能化、自動(dòng)化，通過控制柜上的閥門按鈕指示燈、儀表器具以及控制面板，便可快捷有效地獲得爐內(nèi)溫度、爐內(nèi)真空、充氣壓力等各個(gè)參數(shù)的信息及狀態(tài)，具有完善的故障診斷和報(bào)警功能，方便操作者測(cè)量和監(jiān)控。

4.2 安全管理措施

設(shè)備安全管理的主要目的是通過正確的使用及維護(hù)，保證安全技術(shù)措施處于功能正常完好的狀態(tài)。筆者從真空釬焊爐使用前、使用中、使用后、維護(hù)過程4 個(gè)階段提出安全管理措施。

表1 真空釬焊爐使用過程異?，F(xiàn)象與可能導(dǎo)致的事故

4.2.1 使用前

（1）開啟爐門前的注意事項(xiàng)。打開爐門前，應(yīng)首先檢查爐內(nèi)壓強(qiáng)，并可通過壓強(qiáng)數(shù)值判斷爐子真空密封的完好性。如爐內(nèi)壓力小于大氣壓（105Pa），應(yīng)先充氣，即先松開爐門鎖圈再打開“放氣閥”，待爐內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到大氣壓值，可開門。如爐內(nèi)壓力大于大氣壓（105Pa），應(yīng)先放氣（危險(xiǎn)），待爐內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到大氣壓值時(shí)，方可松開爐門鎖圈開門。開關(guān)爐門時(shí)，應(yīng)將手放在爐門把手上，避免爐門突然彈開，發(fā)生誤傷。

（2）設(shè)備運(yùn)行前的點(diǎn)檢。操作者根據(jù)編制的《自主維護(hù)點(diǎn)檢表》對(duì)金屬加熱帶、真空泵、爐內(nèi)壁、真空管路等關(guān)鍵部位實(shí)施檢查，尤其是對(duì)真空爐的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)檢查，包括水壓、流量是否正常，各支路是否暢通，對(duì)真空系統(tǒng)的壓升率進(jìn)行周期性檢查，做好檢查記錄。在冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下檢查爐內(nèi)壁，看有無濕潤點(diǎn)或銹蝕、裂紋等，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)采取維護(hù)措施，避免在長時(shí)間使用過程中使問題嚴(yán)重化。

（3）計(jì)量器具的有效性。檢查設(shè)備附屬的計(jì)量器具，如控溫儀、真空計(jì)、壓力表、熱電偶、安全閥等處于檢定合格周期內(nèi)且連接正確，工作正常。

（4）爐體內(nèi)部及工件的清潔度。工件入爐前，檢查爐體內(nèi)部，加熱帶及隔熱屏必須干凈，不得有雜物、灰塵、油污、水等。工件也一定要保證其清潔度，表面的油污和雜質(zhì)在高溫下?lián)]發(fā)，會(huì)污染爐體和堵塞一些必要的管道，導(dǎo)致真空爐的損壞。對(duì)于工藝過程可能發(fā)生釬料飛濺或滴落的情況，應(yīng)在物料下面放置收集板，避免釬料等直接灑落在加熱帶上。

4.2.2 使用中

（1）操作者職責(zé)。所有操作者必須持證上崗，取得設(shè)備操作證，熟練掌握真空爐操作的基本流程順序以及各按鈕代表的意義及作用。嚴(yán)格按設(shè)備作業(yè)指導(dǎo)書操作，按工藝規(guī)程設(shè)定工藝參數(shù)，尤其是超溫報(bào)警溫度。真空爐運(yùn)行中需操作者值守監(jiān)控各種閥門在工藝流程應(yīng)處的正確狀態(tài)，水壓、真空度、爐溫等工藝參數(shù)的變化是否存在異常，檢查確認(rèn)真空壓力表與壓力變送器數(shù)據(jù)，檢查控制柜的各項(xiàng)指示燈顯示正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備報(bào)警狀態(tài)。

（2）掌握閥門手動(dòng)操作順序。手動(dòng)操作時(shí)，操作者需注意真空系統(tǒng)機(jī)組及各閥門的關(guān)啟順序。只有在被抽系統(tǒng)中的壓力達(dá)到羅茨泵允許啟動(dòng)壓力時(shí)，羅茨泵才能開始工作，否則將會(huì)因過載和過熱而損壞。啟動(dòng)擴(kuò)散泵加熱前，必須先開啟機(jī)械泵及前級(jí)閥對(duì)擴(kuò)散泵腔抽真空。加熱完成后，主閥未關(guān)上時(shí)，爐體放氣閥不能打開。

（3）監(jiān)控冷卻水流量。真空爐在運(yùn)行過程中應(yīng)隨時(shí)查看冷卻水各管路的流量，尤其是擴(kuò)散泵冷卻水的溫度，如果冷卻水路堵塞了，擴(kuò)散泵將會(huì)過熱并喪失功能，進(jìn)而引起擴(kuò)散泵加熱器燒毀。正常情況下，水壓會(huì)在預(yù)定范圍內(nèi)波動(dòng)，如發(fā)現(xiàn)不流暢及時(shí)排除。某車間一臺(tái)真空電弧熔煉爐，因循環(huán)水動(dòng)力供給不足，爐內(nèi)局部高溫將坩堝擊穿造成漏水，發(fā)生爐體爆炸事故。通過對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)廠房相關(guān)的損傷情況分析，對(duì)爐子爆炸能量進(jìn)行估算，估計(jì)爆炸能量相當(dāng)于0.25 kgTNT 炸藥的爆炸能量。

4.2.3 使用后

（1）工件出爐。降溫過程中，待爐溫降到200 ℃以下方可停水開爐門，工件放在裝料架上冷卻或使用爐外裝載車運(yùn)輸?shù)酱媪蠀^(qū)冷卻，操作者要戴厚手套，防止?fàn)C傷。工件出爐后，要盡快關(guān)閉爐門，抽真空后再順序關(guān)閉閥門、真空泵及控制電源開關(guān)，仔細(xì)檢查一遍各種閥門、控制按鈕和開關(guān)的位置，確認(rèn)無誤后方可離開。

（2）設(shè)備長時(shí)間停用。設(shè)備停止使用時(shí)，應(yīng)將爐內(nèi)氣體抽空。長時(shí)間不用時(shí)，要充入保護(hù)性氣體，純度應(yīng)不小于99.99%，但禁止使用易燃易爆和具有腐蝕性氣體作為保護(hù)氣氛；放掉水冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水，定期給機(jī)械泵、羅茨泵換油加油。

4.2.4 維護(hù)過程

真空爐的專業(yè)維修保養(yǎng)，是為了判斷并排除故障，除非是有相當(dāng)豐富維修經(jīng)驗(yàn)的人員指導(dǎo)，否則，要選擇真空設(shè)備專業(yè)生產(chǎn)廠家。

（1）更換配件。謹(jǐn)慎更換真空爐配件，尤其是更換不同型號(hào)的配件。一些真空爐內(nèi)部的開關(guān)之間帶有互鎖功能，更換配件可能會(huì)導(dǎo)致互鎖功能失效。

某廠一臺(tái)真空爐進(jìn)行過多次維修，其中有一次對(duì)設(shè)備進(jìn)行大的改造，對(duì)控制工藝流程的部分進(jìn)行了改造，將原來控制爐子工作流程的電磁閥替換成觸點(diǎn)限位開關(guān)，由于原電磁閥除了具備觸點(diǎn)開關(guān)的功能外，尚有對(duì)齒輪軸的鎖死功能，即保證在設(shè)備實(shí)施工藝流程過程中，爐門不受外力干擾而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的自保護(hù)作用，由于采用觸點(diǎn)開關(guān)后，這一功能喪失，將導(dǎo)致在一次充氣過程中，爐門發(fā)生爆開事故[3]。

（2）檢查氣密性。氣密性是保證真空狀態(tài)的前提，真空爐拆卸裝配件重新裝配時(shí)，要更換連接處的密封圈，涂抹真空脂，保證連接面的干凈度，并重新對(duì)設(shè)備進(jìn)行壓升率檢查。

（3）安裝熱電偶。熱電偶檢定后，安裝前檢查型號(hào)與顯示儀表相配套，外觀完好無損、干凈干燥，導(dǎo)線連接緊固，謹(jǐn)防熱電偶連接端或熱電偶中部接觸短路的情況。安裝時(shí)檢查安裝位置與深度符合要求，同樣也要保證連接處的密封性。熱電偶重新安裝后初次使用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)觀察其工作是否正常。

5 結(jié)語

為防止真空釬焊爐發(fā)生超溫和超壓事故，有效開展設(shè)備日常使用管理與維護(hù)工作非常有必要。管理人員應(yīng)首先掌握設(shè)備的工作原理，辨識(shí)設(shè)備各結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，分析異?，F(xiàn)象的成因，并吸取其他真空設(shè)備安全事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從安全技術(shù)和安全管理兩方面提出事故防范措施，力求消除設(shè)備運(yùn)行異常現(xiàn)象，保障真空爐的可靠性以及安全性。