高真空氣淬爐真空故障的排除與檢修技術

劉 勇，余 剛，常義民

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621000）

1 故障現(xiàn)象

某669 臥式高真空高壓氣淬爐是一種大壓力、強冷卻、高功率的氣體淬火爐[1]。雖然其結構復雜，但具有冷卻均勻、工件變形小、冷速可控等優(yōu)點，在熱處理工藝環(huán)節(jié)起到了極其重要的作用。在運行期間，設備的真空度從0.1 Pa 下降到0.5 Pa，重新開機抽取真空，但始終達不到0.1 Pa；檢查設備的壓升率為5×10-2mbar·L/s（5 Pa·L/s），超過設備出廠規(guī)定值。

2 故障分析與處理

2.1 真空系統(tǒng)原理

真空爐真空發(fā)生器由機械泵、羅茨泵、擴散泵三級串接而成，通過有條件的順序啟動泵體，分級抽取密閉腔體中的空氣形成真空環(huán)境。

2.2 校準真空計

真空爐中經(jīng)常存在顆粒物，受其影響，導致真空規(guī)測量零點偏移。因此，在真空爐發(fā)生真空故障時，需要對真空計進行校準，保證測量的可信度。

校準方法：該真空爐采用的真空計是型號為PTR90N 的復合真空規(guī)，能在1×10-8～1×103mbar（1 mbar=100 Pa）連續(xù)讀數(shù)。實驗室常用的真空規(guī)校準方法有對比法、動態(tài)流量法[2]，通過對作業(yè)現(xiàn)場的硬件條件分析，決定采用對比法。具體措施：在檢測口同時安裝多個真空檢測計，在抽取真空的同時觀察讀數(shù)的差值，如果設備原始安裝位置的真空計與其他示值相差較大，判定為真空設備檢測儀器故障，需用準確、可靠的真空計將其替換。

2.3 真空泵組的檢測

真空泵的抽取能力直接影響真空設備的真空性能，由于真空泵在工作中不斷的磨損、老化，以及設備未及時保養(yǎng)等因素，導致其抽取性能與密封性隨之下降，極限真空等各方面指標下滑是造成真空爐設備真空故障的影響因素之一。

2.3.1 真空泵組的真空性能

該泵組采用“機械泵+羅茨泵+擴散泵”的組合方式，通過查找相關資料得到各泵的真空性能表（表1）。

表1 3 種真空泵的真空性能

2.3.2 檢測方法

真空泵組的檢測方法常采用“組合法+分段法”結合的方式（圖1）。

圖1 真空爐氣路回路

檢測順序：

（1）步驟1：開啟機械泵+羅茨泵+擴散泵。檢測方法：關閉高閥與旁路閥后，可以切斷泵組與真空爐室的聯(lián)系，此時可以在設備預留的檢測口進行真空度檢測。

（2）步驟2：開啟機械泵。檢測方法分為不脫機檢測和脫機檢測兩種，前者是在管道上預留有檢測口安裝真空計檢測，優(yōu)點是方便快捷，缺點是很難排除管道、閥門泄漏對檢測結果的影響；脫機檢測則將機械泵與爐體分離，通過一個檢測工裝（圖2）直接進行，這樣得出的值比較準確，但是檢測過程較長。

圖2 檢測工裝

（3）步驟3：開啟機械泵+羅茨泵。檢測方法與步驟2 相同，也有兩種方案。

將上述3 個步驟的檢測結果與表1 的數(shù)據(jù)進行比對，能清晰地判斷出泵組中每個泵的運行狀態(tài)，然后再進行針對性的檢修或更換。

2.4 設備外泄漏檢測

真空爐設備的外泄漏，是指由于真空設備密封件老化、材料缺陷（如銹孔、沙眼）等造成的密封失效，使真空腔體與大氣直接相通的一種故障現(xiàn)象。

2.4.1 檢漏原理

氦質譜檢漏儀是一種以質譜分析為原理、以氦為示蹤氣體對真空設備和密封器件的漏隙進行定位或定量、定性測量的工具，真空設備通常采用其進行檢漏。

2.4.2 檢漏方法

常用的真空設備檢漏方法有噴吹法和吸入法兩種。

（1）噴吹法：將檢漏儀接到真空爐的檢測口，然后用噴槍將示蹤氣體噴在可疑漏孔處，當真空爐體存在泄漏時，質譜儀將會檢測到氦氣，漏率表上會直觀地顯示泄漏量的大小。該方法既能檢測漏孔的位置同時也能估算漏孔的大小，是常用的真空爐泄漏檢測方法。

（2）吸入法：與噴吹法相反，吸入法是將檢漏儀接在真空爐的檢測口上，使其充入規(guī)定壓力的示蹤氣體，再通過檢測漏孔泄漏出的氦氣達到檢測的目的。不過，該方法需要充入比1 個大氣壓高的氦氣，且充入其中的氦氣無法重復使用，浪費較多，一般在真空爐的檢漏中很少使用。

2.5 設備內(nèi)部泄漏檢測

真空設備的內(nèi)泄漏是指真空腔體與真空爐設備配套設備之間的相互泄漏，主要分為氮氣泄漏與冷卻循環(huán)水泄漏兩種。

2.5.1 檢查氮氣的泄漏

儲氣罐中的高壓（0.8 MP）氮氣經(jīng)過管道與真空爐腔體連接，需要使用氮氣時，打開氣動閥門、讓高壓氣體流入真空腔即可（圖3）。如果氣動閥門鎖不緊、存在泄漏，便會造成真空腔體內(nèi)真空度不足的現(xiàn)象。

圖3 氮氣罐與真空爐連接

一般采取隔離法進行排除：制作一個盲板工裝（圖4），然后拆下氣動閥門，將該盲板通過螺釘固定在管道口的法蘭上，實現(xiàn)氮氣罐與真空腔體的物理隔離，再進行檢測。

圖4 盲板工裝

2.5.2 檢查冷卻循環(huán)水泄漏

真空爐在運行中需開啟循環(huán)水，對真空腔體、對流風機、擴散泵等進行實時冷卻，其中真空腔體、對流風機的冷卻管路泄漏會直接影響腔體的真空度。

在排除循環(huán)水泄漏問題時，一般采用目視法、試樣件法相結合的方式進行綜合判定。

（1）目視法：抽真空過程中出現(xiàn)真空度值上下波動的情況時，首先判斷為循環(huán)水泄漏，此時應打開爐門，觀察真空腔內(nèi)有無積水，焊點、接頭等附近位置有無銹斑等。該方法適合于泄漏量比較大的情況。

（2）試樣件法：當設備循環(huán)水泄漏量小時，設備真空度依然能達到要求，但此時熱處理的試件（銅錫鋅）表面會變成綠色[3]，可以通過這個方法檢查設備的循環(huán)水是否存在泄漏。

3 設備的烘烤與驗收

真空爐在長期的維修停置后，進行烘爐非常必要，通過烘爐使爐內(nèi)耐火材料內(nèi)的水分緩慢蒸發(fā)析出，得到充分干燥，同時使耐火內(nèi)襯材料充分固化，保持耐火層的高溫強度和穩(wěn)定性[4]。

烘爐完成后，再對真空爐的極限真空、壓升率進行復檢，如果兩個指標均合格則該真空爐真空故障解除。

4 總結

綜上所述，真空爐出現(xiàn)真空故障時往往受多個因素的影響，有時甚至是多重因素同時出現(xiàn)，使得真空故障呈現(xiàn)出極為復雜的動態(tài)表征。在排除真空故障時，常常需要專業(yè)的維修技術人員進行現(xiàn)場維修，而且維修周期長、成本高。從真空原理入手進行組合法+分段法、噴吹法、隔離法、目視法、試樣件法等檢測方式，能大大降低真空故障維修的實施難度，提高設備的工作利用率。