設(shè)計真空設(shè)備需同時進(jìn)行檢漏方案設(shè)計研究

李育建

（珠海鎮(zhèn)東有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

現(xiàn)階段，真空技術(shù)雖發(fā)展迅速，但真正從真空技術(shù)專業(yè)畢業(yè)的技術(shù)人員少之又少。目前，從事真空設(shè)備設(shè)計的人員一般是未經(jīng)過真空技術(shù)專業(yè)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)或?qū)I(yè)培訓(xùn)，設(shè)計時只重視真空設(shè)備的強(qiáng)度和功能設(shè)計，并沒有在設(shè)計階段全面、系統(tǒng)地考慮并落實真空設(shè)備在制造、調(diào)試、使用過程中的檢漏問題，從而導(dǎo)致真空設(shè)備的檢漏不便或困難。為解決這一問題，設(shè)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(guān)原則，并將設(shè)計、工藝、調(diào)試、使用維修等環(huán)節(jié)的配套檢漏方案或方法納入設(shè)計工作中，讓真空檢漏方案設(shè)計成為真空設(shè)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(zhǔn)確，從而提高真空設(shè)備的制造和使用效率。

1 真空檢漏方法

設(shè)計者要明確真空設(shè)備的設(shè)計要求，特別是真空度及漏率的要求。設(shè)備的真空度及該設(shè)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(shè)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(zhì)，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(zhì)，從而判定漏孔的位置及大小。由于示漏物質(zhì)是從內(nèi)往外漏的，便于使用操作儀器設(shè)備進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮容器的強(qiáng)度和安全性，且要對容器的受壓安全性進(jìn)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(huán)境中，將示漏物質(zhì)放在被檢容器外部，如有漏孔存在，示漏物質(zhì)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(nèi)，由敏感元件來檢測是否有示漏物質(zhì)存在，并通過儀器的指針、數(shù)據(jù)、聲光等來判定漏孔的位置和大小。該方法的優(yōu)點是設(shè)備在工作狀態(tài)與真空檢漏所要受的力（受壓）的方向和狀態(tài)是完全一致的。檢測時，容器處于負(fù)壓狀態(tài)，只要結(jié)構(gòu)合理，一般不會發(fā)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(yīng)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(shù)量級。如采用真空計進(jìn)行檢漏時，設(shè)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(nèi)壓、外壓、溫度、濕度、介質(zhì)等要求

在進(jìn)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(tài)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(tài)。因為真空容器和壓力容器的結(jié)構(gòu)不同，容器的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、密封方式是不一樣的，檢漏時對工作狀態(tài)進(jìn)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(yīng)時間短、檢漏快、漏孔位置判斷準(zhǔn)確，且穩(wěn)定性好

要達(dá)到反應(yīng)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(jìn)行檢驗的容器的檢漏位置及相關(guān)要求。

2.5 示漏物質(zhì)對設(shè)備結(jié)構(gòu)無損害、對環(huán)境無污染等

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

2.6 操作簡單，維修方便，經(jīng)濟(jì)實用

如對真空絲印機(jī)，采用抽真空法，利用真空絲印機(jī)配套的真空計進(jìn)行檢漏，從而達(dá)到預(yù)期效果［2］。

3 設(shè)計階段應(yīng)考慮的真空檢漏問題

3.1 從結(jié)構(gòu)上考慮檢漏問題

3.1.1 檢漏儀器選擇及檢漏工裝設(shè)計。不同結(jié)構(gòu)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(shè)計前要考慮使用什么類型的真空檢漏儀進(jìn)行檢漏；在決定采用哪種真空檢漏儀進(jìn)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(guī)則零件的密封配套檢測工裝的設(shè)計等。在對配套真空檢漏工裝進(jìn)行設(shè)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(shè)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(shè)備零件的漏率，即工裝零件的材料質(zhì)量、加工精度、密封性等不能低于真空設(shè)備零部件材料質(zhì)量、加工精度及密封性，否則會使真空檢漏結(jié)果不真實，但配套檢漏的零部件質(zhì)量、精度、性能太高，從而使制造成本增加。所以，在進(jìn)行真空設(shè)備檢漏時，要盡量利用原設(shè)備的零部件進(jìn)行檢漏，這樣得到的檢測結(jié)果既真實準(zhǔn)確，又能降低生產(chǎn)加工成本。出于對檢測結(jié)果和成本的考慮，在設(shè)計時應(yīng)注意以下3個方面。如果工藝和材料允許，將零部件設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)，不設(shè)計成單個分散的；如果能把開口設(shè)計得小一些，就不要設(shè)計得過大；如果能把零部件的結(jié)合面設(shè)計成平面，就不要設(shè)計成有臺階的面或曲面。這樣在保證檢測的零部件數(shù)量少、外形小的同時，便于加工和保證密封檢漏結(jié)果真實可靠。

3.1.2 加壓檢漏法和抽真空檢漏法的區(qū)別。真空檢漏方案的擬定和檢漏儀器的選擇，要優(yōu)先考慮設(shè)備的工作狀態(tài)，如果設(shè)備的工作狀態(tài)是容器內(nèi)部壓力高，即可優(yōu)先考慮采用加壓檢漏法；如果設(shè)備的工作狀態(tài)是容器內(nèi)部是真空，即可優(yōu)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(guān)零部件的受力大小、強(qiáng)度校核、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性等的設(shè)計計算和校核的時間，同時也可簡化結(jié)構(gòu)，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(shè)計階段就要提前考慮以上問題。

3.1.3 設(shè)計時要提前從結(jié)構(gòu)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(chǎn)生腐蝕等，均要提前進(jìn)行考慮。

3.1.4 設(shè)計時要盡量避免結(jié)構(gòu)有寄生空間。寄生空間的存在會使反應(yīng)時間延長，且不便對其進(jìn)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(jī)堵塞漏孔，從而導(dǎo)致檢漏位置判定不準(zhǔn)確或漏檢。特別是在焊接結(jié)構(gòu)的焊縫設(shè)計中，如果內(nèi)外均采用連續(xù)焊接的話，有可能產(chǎn)生寄生空間，正確的焊接工藝是在真空一側(cè)采用連續(xù)焊接、在非真空一側(cè)采用斷續(xù)焊接。

3.2 設(shè)計時要考慮加工過程和加工工藝對檢漏的影響

3.2.1 設(shè)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(jìn)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(jìn)行檢漏。

3.2.2 設(shè)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(jié)構(gòu)的影響很大。采用密封焊接工藝除了要避免因焊接缺陷導(dǎo)致的漏氣外，焊件還要開有密封槽（即密封槽要經(jīng)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(jìn)行，或容易出現(xiàn)漏檢（見圖1）。

圖1 焊縫密封槽

3.2.3 設(shè)計時要考慮設(shè)計要求對檢漏的影響。大型真空設(shè)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(jié)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(zhì)對真空度和漏率的影響較大，在設(shè)計時要予以重視，并在設(shè)計圖上標(biāo)出具體要求。

圖2 高真空容器主室和底座

3.2.4 設(shè)計時要考慮涂裝前整體檢漏。在完成機(jī)械加工后、對零部件表面進(jìn)行涂裝前，要對主體真空容器（不包括容器內(nèi)部、外部的各種功能性機(jī)械、電氣及控制零件）進(jìn)行整體組裝檢漏（見圖3）。設(shè)計時要考慮設(shè)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(jìn)行密封，檢漏驗收合格后，再進(jìn)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(jī)械沖擊或震動，要在總裝前再次進(jìn)行檢漏。

圖3 整體真空容器主體

3.3 設(shè)計時要考慮安裝調(diào)試階段的檢漏問題

3.3.1 檢漏前要對真空泵的性能參數(shù)進(jìn)行測試驗證。設(shè)計時要計算好真空容器工作時所達(dá)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(jù)此來選擇真空泵的規(guī)格參數(shù)。在進(jìn)行安裝調(diào)試前，要對真空泵進(jìn)行測試驗證，排除因真空泵的不合格對安裝調(diào)試及真空檢漏的影響。例如，在電路板行業(yè)應(yīng)用最廣泛的真空絲印設(shè)備，該設(shè)備在進(jìn)入安裝調(diào)試階段后，就會將設(shè)備配套的真空泵和真空計安裝好，并采用抽真空法進(jìn)行檢漏。使用該方法的前提是真空泵沒有泄露，極限真空穩(wěn)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(jìn)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(nèi)，極限真空度達(dá)到1×10-1Pa即為合格，真空泵可投入安裝調(diào)試。

3.3.2 設(shè)計時要按順序、分步驟進(jìn)行檢漏。設(shè)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(biāo)準(zhǔn)等。每安裝好一個零部件便對此零件及連接處進(jìn)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(dú)檢漏后再進(jìn)行安裝，安裝后再進(jìn)行檢漏。如果零件出現(xiàn)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(jī)在早期開發(fā)時，裝配人員認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)件有合格證，且漏率要求也達(dá)標(biāo)，因此在裝配時就沒有對其進(jìn)行檢漏，導(dǎo)致1臺設(shè)備長時間查不出漏點，最后對所有零件進(jìn)行檢查后，才懷疑是磁流體密封件可能漏氣。經(jīng)檢漏測試后，發(fā)現(xiàn)是磁流體漏氣，分析可能原因是在運(yùn)輸搬運(yùn)途中因重摔而導(dǎo)致密封損壞。所以，要嚴(yán)格執(zhí)行按順序、分步驟、不漏檢的要求。

3.3.3 分別進(jìn)行靜態(tài)檢漏和動態(tài)檢漏。設(shè)計時要考慮靜態(tài)檢漏和動態(tài)檢漏的區(qū)別，將動態(tài)檢漏的要求和真空度作為設(shè)備的驗收漏率和真空度要求。靜態(tài)檢漏是指所有的機(jī)械、電氣及控制零件已安裝完成，但還未進(jìn)行通電、通氣、通水等操作，此時對設(shè)備進(jìn)行整體檢漏測試，包括極限真空度的測試。靜態(tài)測試是為了檢驗所有零部件及密封件的安裝是否達(dá)到設(shè)計要求，并為動態(tài)檢漏測試提供數(shù)據(jù)支持；動態(tài)檢漏是在所有機(jī)械、電氣及控制零件完成安裝后，并對其進(jìn)行全面檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裝錯或接錯的情況，符合開機(jī)運(yùn)行條件，在設(shè)備運(yùn)行的不同階段進(jìn)行漏率和真空度測試，檢查其是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。動態(tài)檢漏主要是檢查各種動密封零部件的材料和潤滑，各種機(jī)械運(yùn)動摩擦和沖擊，以及內(nèi)部溫度、壓力、外部環(huán)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(jī)完成組裝后要進(jìn)行一次靜態(tài)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(jìn)行動態(tài)測試，包括真空小蓋密封測試、真空門密封測試、臺面轉(zhuǎn)換密封測試、框架上下重復(fù)移動密封測試、臺面馬達(dá)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(shè)計時要考慮檢漏的可操作性和安全性。一臺大型真空設(shè)備中要進(jìn)行檢漏的零部件有很多。因此，設(shè)計時一定要考慮操作方便、快速、準(zhǔn)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(jī)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(jī)的焊接腔體及有關(guān)的機(jī)械加工零件在進(jìn)行表面涂裝前，為了節(jié)省檢漏成本，一般采用靜態(tài)升壓法，在對真空腔體抽真空達(dá)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(jié)合部位噴灑酒精或丙酮，若有漏孔存在，在內(nèi)外壓差的作用下，揮發(fā)性很強(qiáng)的酒精或丙酮會使腔體的內(nèi)壓力上升，使真空計度數(shù)發(fā)生變化，從而發(fā)現(xiàn)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(huán)境安全和操作安全。此外，酒精或丙酮會對密封材料產(chǎn)生腐蝕，因此使用時也要注意。

3.4 設(shè)計時要考慮使用及維修過程中的檢漏問題

3.4.1 設(shè)計時要重點考慮真空室主室的密封設(shè)計和檢漏方案的設(shè)計。真空設(shè)備在經(jīng)安裝調(diào)試后，其結(jié)構(gòu)會變得非常復(fù)雜，有的示漏物已不能加注，有的封板也不能安裝，大型設(shè)備也不能翻轉(zhuǎn)進(jìn)行觀察檢漏等。因此，設(shè)計時要盡量做到真空容器的主腔結(jié)構(gòu)不發(fā)生泄漏，如因結(jié)構(gòu)、材料、工藝等的限制，必須進(jìn)行焊接、組合等操作，就要在設(shè)計時滿足以下要求。對會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的零件或焊接件要進(jìn)行退火去內(nèi)應(yīng)力處理，從而可有效避免安裝后出現(xiàn)裂紋或其他導(dǎo)致漏氣的缺陷；對可能出現(xiàn)漏氣的結(jié)構(gòu)，要按照便于拆卸、安裝和檢漏的要求進(jìn)行設(shè)計；對大型真空設(shè)備，還要考慮到其重量、體積，以及能否對其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)檢漏，所以有可能出現(xiàn)漏孔的焊縫、接頭等不能設(shè)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(jī)主室腔體底座進(jìn)行設(shè)計時，考慮到底座不方便檢漏，故采用整板結(jié)構(gòu)，且將底板加厚，既保證底板的強(qiáng)度，又要防止因底板變形而導(dǎo)致其他零件變形，從而產(chǎn)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(jìn)行焊接，且焊縫與加強(qiáng)筋錯開，既避開抽真空變形應(yīng)力集中的位置，又方便檢漏。

3.4.2 檢漏操作方便、準(zhǔn)確可靠。設(shè)計時要考慮更換頻率較高的設(shè)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(zhǔn)。例如，真空絲印機(jī)的真空腔體是由長期保持真空的主室和開啟頻繁的中轉(zhuǎn)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(xiàn)磨損，磨損后要拆下真空蝶閥才能更換密封圈。最初設(shè)計時只考慮美觀和結(jié)構(gòu)緊湊，將真空蝶閥安裝在小室的底部，從而導(dǎo)致維修和檢漏不方便，后經(jīng)改進(jìn)，將真空蝶閥安裝在小室側(cè)面。

3.4.3 設(shè)計時要避免不必要的檢漏工作。設(shè)計時如何避免在吊裝、運(yùn)輸、使用和維修過程中一些因設(shè)計不周而產(chǎn)生的不必要的檢漏工作。為此，設(shè)計時應(yīng)注意以下3點。第一，不改變零部件的受力狀態(tài)。如在設(shè)計真空室底座時，為避免搬運(yùn)吊裝改變底座與其他分體零部件的受力狀態(tài)，從而影響密封，導(dǎo)致重復(fù)檢漏，將真空設(shè)備的搬運(yùn)、吊裝受力位置設(shè)計到真空室底座的底部，且要保證在搬運(yùn)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(shè)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(shè)備采用分體組合式的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)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(guān)系不發(fā)生改變，配合精度、定位結(jié)構(gòu)和尺寸、連接緊固的方法都是設(shè)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(xiàn)腐蝕快、磨損快，從而導(dǎo)致零部件出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，要對材料的性能及是否相互適應(yīng)進(jìn)行研究和測試，以免出現(xiàn)不可預(yù)知的漏點。例如，真空絲印機(jī)的吊裝位就設(shè)計在底座上，并在設(shè)備上貼上吊裝位置的標(biāo)識，且配套設(shè)計繪制出設(shè)備搬運(yùn)及吊裝簡圖，并標(biāo)明注意事項，從而避免因非加工和制造環(huán)節(jié)而造成的泄漏。

4 結(jié)語

真空檢漏工作是非常重要的，也是比較復(fù)雜的，而且其中涉及真空設(shè)備的制造、安裝調(diào)試及維修使用等環(huán)節(jié)，如果某一個環(huán)節(jié)處理不好，將會對整個設(shè)備的性能產(chǎn)生不良影響。因此，在進(jìn)行真空系統(tǒng)設(shè)計時，要全面、統(tǒng)一落實檢漏方案、檢漏方法、檢漏儀器，特別是大型真空系統(tǒng)，因其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配套設(shè)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(dǎo)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(shè)計階段，并將其作為真空設(shè)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(shè)備的設(shè)計工作中去。真空檢漏貫穿真空設(shè)備生產(chǎn)、制造及使用全過程，因此，真空設(shè)備的設(shè)計者必須對完全檢漏設(shè)計引起重視。珠海鎮(zhèn)東有限公司真空絲印機(jī)的設(shè)計制造、安裝調(diào)試、使用維修全過程的真空檢漏經(jīng)驗證明，只要真空設(shè)備的設(shè)計者在設(shè)計階段全面、綜合地考慮檢漏設(shè)計，要把真空檢漏的各項工作做順、做好，并避免真空設(shè)備使用、維修階段出現(xiàn)真空檢漏難題。