真空炉压升率

【摘要】真空正压气淬炉是处理航空零件的关键设备。

本文对进口真空正压气淬炉在使用过程中所出现的故障进行了分析，提出了维修方案，并对所出现的故障逐一进行了维修，从而确保了进口真空正压气淬炉的正常使用。

H3636-6bar 真空正压气淬炉是我院20 世纪90 年代从国外引进，用于处理航空零件的关键设备。

有一段时间，零件在进行真空热处理后，表面颜色发黑，捆绑零件的金属丝产生氧化并发生断裂的问题。

经初步分析，并对产生氧化的捆绑零件所用的金属丝进行化学分析，断定产生上述问题的根本原因是由于真空气淬炉自身的真空度与压升率不够而造成的。

目前，国际上对真空热处理炉的真空性能通常采用极限真空度与压升率这两个参数来评价。

而所处理的零件的工艺则明确要求，用于处理零件的真空正压气淬炉必须满足如下性能指标的要求：压升率< 6. 7 ×10 - 1Pa/h 、极限真空度高于5 ×10 - 3Pa 。

而对该真空正压气淬炉进行的真空性能测试试验结果为：压升率为3. 3Pa/ h ，极限真空度为8 ×10 - 2 Pa 。

因此，达不到该真空正压气淬炉处理零件应满足的真空性能指标的要求。

一、炉子的故障分析与判断
首先，根据炉子的极限真空度与压升率的理论计算进行分析与判断。

用炉子自身的抽空系统对炉室进行抽真空时，冷炉的极限真空度可用下式进行计算：
式中P ———冷炉的极限真空度，Pa ;
Se ———泵对炉室的有效抽速，L/ s ;
Q1 ———炉室的漏气率，Pa·L/ s ;
Q2 ———炉室内的表面放气流量，Pa·L/ s ;
P0 ———泵的极限真空度，Pa 。

当炉子经过长时间抽空后，则炉室表面放气很小，此时Q2 可以忽略不计，则( 1) 式将成为下式：
P = Q1/ Se + P0 ( 2)
由公式( 2) 可以得出如下的结论：
( 1) 当炉室内没有漏气时，即Q1= 0 ，则P = P0 ，就是说冷炉的极限真空度等于泵的极限真空度。

但是不管炉体密封得如何可靠，炉室总是会有漏气存在的，这是不争的事实。

( 2) 在漏气率Q1 一定的情况下，有效抽速Se 越大，则冷炉的极限真空度就越高。

由此可见，提高冷炉的极限真空度的有效方法是：减小漏气率Q1 和增大泵的有效抽速Se ( 此值是本设备自身的固定的指标，只会逐渐降低) 。

( 3) 当炉室内的漏气率Q1 比较大，而泵的有效抽速Se 又足够大，由( 2) 式可见，仍然可以得到较高的冷炉极限真空度，但是真空正压气淬炉会出现过膛风的问题，从而使被处理的工件表面氧化，亮度降低，致使所生产的产品不合格。

因此，漏气率是评价真空正压气淬炉是否漏气的重要性能指标之一。

综合以上理论计算的分析，漏气率是判定H3636 真空正压气淬炉是否漏气的关键参数。

如何保证H3636 真空正压气淬炉漏气率满足要求，则是制定维修方案的关键环节。

在真空设备维修中，通常采用静态升压法可以计算出该真空设备的漏气率( 压升率) ，从而用来判断该真空设备是否存在漏气。

静态升压法：就是将被检容器抽真空到一定压强后，关闭真空阀门，将被检容器与真空泵隔离开；用真空计测量出一定时间间隔( t ) 内压强( P) 的变化值( ΔP)来，最终计算出该容器的漏气率( 压升率) 。

而用真空计每隔一定时间测量一次容器的压强，就可以绘出通常情况下压强与时间的曲线，利用几条不同的曲线( 如图1 所示) ，就可以判断真空设备到底属于以下哪种情况：漏气、放气、或是两者的组合形式。

直线a ：是一条平行与时间坐标轴的直线，压强不随时间变化而变化，说明容器既不漏气，也不放气。

曲线b ：压强开始上升的较快，而后上升速度渐渐变慢而趋于平衡，这说明容器中只有放气而没有漏气。

斜线c ：是一条具有一定斜率的直线，说明只有漏气曲线d ：开始时压强上升较快，而后逐渐减慢，说明容器内既有放气又有漏气。

曲线d ：开始时压强上升较快, 而后逐渐减慢, 说明容器内既有放气又有漏气。

首先，开启H3636 真空正压气淬炉自身的真空抽气系统对该炉子进行抽真空后，关闭主阀和前级泵，测试炉体内压强的变化，绘制出实际压强- 时间曲线( 如图1所示) 。

通过将实际压强- 时间曲线与理论压强- 时间曲线进行对比分析后，可以得出H3636 真空正压气淬炉既有漏气问题又有放气问题。

其次，根据H3636 真空正压气淬炉的维修经验进行分析与判断。

影响H3636 真空正压气淬炉漏气率的因素有：
( 1) 外部空气漏入H3636 真空正压气淬炉的炉室中，使漏气率升高。

( 2) H3636 真空正压气淬炉的炉室内部表面放气，使漏气率升高。

( 3) H3636 真空正压气淬炉的炉室夹层( 包括炉门夹层) 及气体冷却系统的水管漏水，使漏气率升高。

( 4) 真空阀门及充气组阀内部不严漏气，使漏气率升高。

通过公式( 1) 和( 2) 进行分析可知影响H3636 真空正压气淬炉的极限真空度的因素有：( 1) 泵的极限真空度下降，也使冷炉极限真空度下降。

( 2) 泵的有效抽速Se 变小了，也使冷炉极限真空度下降。

( 3) 漏气率Q1 增大了，使冷炉极限真空度下降。

( 4) 炉内表面放气量Q2 增大了( 或炉内进入水及放气物质)，使冷炉极限真空度下降。

( 5) 测量仪表因污染而不准确，影响冷炉极限真空度的测量。

第三，根据H3636 真空正压气淬炉的构造特点，分析可能产生漏气故障的原因。

H3636 真空正压气淬炉是由炉体、加热系统、冷却系统、控制系统、测量系统、真空抽气系统、冷却水循环系统和充气系统等部分组成，其结构示意图如图2 所示。

影响H3636 真空正压气淬炉漏气率的具体部位的分析：
( 1) 炉体外部漏气部位有：炉门密封、主阀阀杆密封、气动球阀阀杆密封、放气阀阀芯密封、防爆阀阀芯密封、预抽阀阀杆密封、热电偶密封、加热电极密封等。

( 2) 炉体内壁表面放气。

( 3) 炉室夹层( 包括炉门夹层) 及气体冷却系统的水管漏水。

( 4) 预抽阀的阀体内部漏气，充气组阀中充气阀( 高真空气动碟阀) 、补气阀、分压组阀( 减压阀、微调阀、电磁阀) 内部漏气。

影响H3636 真空正压气淬炉极限真空度的具体部位的分析：
( 1) 滑阀泵的极限真空度降低。

( 2) 罗茨泵的极限真空度降低。

( 3) 扩散泵的极限真空度降低。

( 4) 连接滑阀泵、罗茨泵、扩散泵管道密封，前级阀阀杆密封，防爆装置的密封等密封处漏气。

( 5) 炉体漏气。

( 6) 测量仪表及测量规管因污染而不准确。

根据上面影响炉子真空技术指标及可能存在故障的部位的分析，我们制定了检修方案。

二、炉子的维修方案
利用进口的氦检漏仪配合下述维修方案的检漏过程的开展：
( 1) 检查真空仪表是否在有效期使用范围之内，同时检查真空规管的安装是否存在漏气现象。

( 2) 滑阀泵维修方案：检查滑阀泵内部部件配合间隙磨损情况，滑阀泵的轴头密封圈是否漏油，排气装置的排气阀片的密封情况，真空油路密封情况，真空泵油是否污染及测试滑阀泵的极限真空度。

( 3) 罗茨泵维修方案：检测罗茨泵转子与转子之间、转子与泵腔内壁之间的间隙，检查齿轮及轴承磨损情况，罗茨泵的轴头密封圈情况，罗茨泵两端的润滑油是否污染及测试罗茨泵的极限真空度。

( 4) 对连接滑阀泵、罗茨泵和扩散泵的管道密封进行检漏，对前级阀阀杆的密封进行检漏，对防爆装置的密封等处进行检漏，保证上述密封处不漏气。

( 5) 扩散泵维修方案：检查泵芯各级喷嘴的位置和间隙是否正确，泵的加热功率及泵的自身冷却效果是否正常，扩散泵油是否氧化，扩散泵的油量是否满足要求。

对扩散泵及与之连接的管
道与阀门、真空测量点、冷阱等密封处进行检漏。

对扩散泵进行检漏，因为扩散泵油加热到工作温度后，扩散泵油将分解出氢气( H2)和碳氢化合物( CH4 、C2H6) 等，而通过漏孔渗入的空气达到一定量时，这些分解物与渗入空气中的氧气发生化学反应，会产生爆燃，既会伤人又损坏设备。

测试扩散泵的极限真空度。

( 6) 炉体外部漏气部位维修方案：对炉门密封、主阀阀杆密封、气动球阀阀杆密封、放气阀阀芯密封、防爆阀阀芯密封、预抽阀阀杆密封、热电偶密封和加热电极密封等处密封进行检漏。

( 7) 炉体内部放气维修方案：①对炉体内部适当加热，使炉体内部吸附的气体释放出来而被抽走。

②抽真空的同时将氩气充入炉体，使部分挥发物及吸附气体随着氩气一起被抽走。

③再用酒精擦洗炉体的内壁，清除吸附物，减少放气量。

④长时间对炉室抽真空，使炉室表面放气减至最小。

( 8) 炉室夹层( 包括炉门夹层) 及气体冷却系统的管路漏水的检查方案：冷却循环水在长期的使用过程中，水中的杂质吸附在夹层及水管的内表面，夹层及水管的焊接处受到腐蚀而容易出现渗水问题。

在不通水时，这些杂质就会将微漏孔堵死。

炉子工作时，在受到炉内高温和压差( 炉体夹层和水管内有水压，炉体内部处于真空状态) 的双重作用下，微漏孔就会产生微渗水的问题。

检查方案如下：将炉体夹层和水管内的水用压缩空气吹净，再用真空泵连接到炉体夹层及冷却水管的进水口或出水口，对炉体夹层和水冷管抽真空，以便对炉体夹层和水管进行检漏。

( 9) 预抽阀、充气组阀阀体的内部漏气的检查方案：①对预抽阀阀体内部进行检漏。

②充气组阀由充气阀、补气阀、分压组阀( 减压阀、微调阀、电磁阀) 组成。

充气组阀及手动球阀的连接结构示意图如图3 所示。

对充气阀门的内部漏气的检查方案：关闭图3 中充气气路上的手动球阀，将手动球阀与充气组阀之间的氩气用真空泵抽出，形成真空状态，也就是说没有氩气通过分压阀、补气阀或充气阀的内部向炉子内泄漏。

再对炉子抽真空，测试H3636 真空正压气淬炉的漏气率是否合格，就可以说明分压阀、补气阀和充气阀当中是否存在某个阀门有漏气的问题。

判断方案如下：将分压阀、补气阀、充气阀其中两个阀门封堵，利用测试H3636 真空正压气淬炉的漏气率是否合格的方法测试另外一个阀门是否漏气。

对分压阀、补气阀、充气阀逐一进行检测，最后判断出具体是哪一个阀门漏气。

( 10) 氩气的纯度( 含氧量、含水量) 不合格，也会影响热处理产品的质量。

利用专用的露点仪与微量氧测定仪检测瓶装氩气的纯度。

对储存氩气的储气罐、管道和阀门进行检漏，保证这些部件不漏气。

利用专用的露点仪与微量氧测定仪对储气罐内的氩气进行时时的纯度检测，从而使充入炉室内的氩气的纯度达到相关技术指标的要求。

三、故障维修
( 1) 真空仪表在有效期使用范围之内，经检漏仪检漏，真空规管处的保护阀门存在漏气问题，将该阀门进行更换。

( 2) 经过检查，罗茨泵转子与转子之间、转子与泵腔内壁之间的间隙在允许范围内，齿轮磨损非常小，不用更换，但轴承磨损严重，因此将该轴承进行了更换。

罗茨泵的轴头密封圈漏油，将轴头密封圈进行了更换，并更换了罗茨泵两端的润滑油。

罗茨泵维修完成后，进行检漏，密封处不存在漏气问题。

测试罗茨泵的极限真空度可达到3 ×10 - 2Pa。

( 3) 经过对炉体及真空抽气系统的外部检漏，发现主阀阀杆密封、预抽阀、放气阀、气动球阀和炉门密封都存在不同程度的漏气现象。

分解检查后发现主阀阀杆密封、炉门大圈密封圈严重老化，产生裂纹而存在漏气问题，因此更换相应的密封圈。

更换主阀阀杆密封圈时，考虑到此处受高温的影响，密封圈容易老化，因此选用的材料是氟橡胶。

氟橡胶是非常好的耐高温、耐各种介质的密封材料，放气量小，具有其他密封材料无可比拟的优越性能，从而为此处的
密封提供了必要的保证。

同时发现预抽阀阀芯、放气阀、气动球阀阀杆及阀芯的密封磨损得非常严重，因此将这三个阀门进行了更换。

( 4) 对热电偶金属封头处检漏时，由于测漏的反应时间比较长，如果热电偶金属封头附近存在非常微小的漏气点，因此特别容易产生误判断。

对此采用一种特殊的方法：先用塑料袋将偶丝密封处包起来，再将氦气通入塑料袋中进行检漏。

经上述方法的检测，发现热电偶自身密封处存在漏气的问题，因此更换了新的热电偶。

( 5) 按照维修方案的规定对充气组阀经过检查，结果发现充气组阀中的补气阀存在漏气问题，因此将该阀门进行了更换。

( 6) 利用专用的露点仪与微量氧测定仪对储气罐内的氩气进行时时的纯度检测，发现充入炉室内的氩气的纯度达不到相关技术指标的要求。

其原因与储气罐、连接管道及相关阀门有关。

因此对储气罐、连接管道、充气阀门及其他阀门进行逐一的检漏，如图3 中的手动球阀、安全阀和充气阀等均存在不同程度的漏气问题，因此系统地更换了所有相关的阀门。

通常当氩气充入储气罐及管道后，氩气在容器中没有流动，对储气罐及管道的内壁始终保持0. 5MPa 的压力。

按照对气体压力正常分析，空气的压力0. 1MPa，如果储气罐及管道等部件存在漏气点，也是氩气向外漏，不应该是空气向储气罐及管道中漏气。

但是零件当进行真空正压气淬热处理的淬火时，此时充入炉内的氩气量非常大，氩气的流动量也非常快，因此在储气罐及管道等部件所存在的漏气点处就会形成涡流现象，正因为此涡流的作用将上述漏气点外面的空气瞬时吸入到储气罐内部，从而使储气罐内的氧含量和水含量提高。

这样一来，也就使零件分压处理及淬火时炉体内的氧含量、水含量超标，从而出现零件及捆绑所用的金属丝发生严重的氧化问题，影响最终的产品质量。

对漏气阀门检修后保证不漏气。

四、故障维修后的结果
H3636 真空正压气淬炉经过上述维修后，启动其自身的抽空系统对炉子进行抽空，所测试的极限真空度与压升率的数据如下表所示。

利用试验用零件重新装炉进行试验，零件经过H3636 真空正压气淬炉热处理后，零件表面呈银白色，捆绑所用的金属丝仍保持原有的金属色，从而保证了零件正常生产的要求。

五、结语
通过维修H3636 真空正压气淬炉可知，当设备出现故障后，要依据故障发生的条件加以理论分析，并结合实践的具体经验，针对H3636 真空正压气淬炉的构造特点，总结出该设备故
障的分析图( 如图4 所示) 。

根据上述故障分析图制定相应的维修方案，按照所制定的维修方案，利用先进的检漏设备，逐一进行系统维修。