大型高真空容器的氣體負荷分析

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，某些用途的真空裝置向大型化、高真空度的方向發(fā)展。分析表明材料出氣和漏氣是大型高真空容器的主要氣體負荷，在容器及密封結構設計、檢漏設計、制造工藝技術(shù)分析中應重點(diǎn)研究，以提高大型高真空裝備的技術(shù)水平。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，某些用途的真空裝置向大型化、高真空度的方向發(fā)展。如容積2000 m³，極限真空度達10^-3 Pa 的真空裝備業(yè)已建造完成。相對于常規真空設備，如此大型的真空容器在設計理論、分析方法、制造工藝技術(shù)及測試評價(jià)數據等方面可參考的資料非常有限。因此，有必要逐步開(kāi)展一些分析研究工作為工程實(shí)踐提供支持。氣體負荷是確定真空裝備技術(shù)指標，進(jìn)行系統和工藝設計及質(zhì)量控制的基礎，本文針對大型高真空容器的材料出氣、蒸發(fā)或升華的氣體、滲氣和漏氣進(jìn)行了分析。

1、真空系統抽氣方程

　　真空系統的任務(wù)就是要抽除真空容器內的各種氣體，使容器內建立起滿(mǎn)足一定要求的真空環(huán)境。根據動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，真空系統抽氣方程為：

　　其中：Se———真空系統對容器的有效抽速，m³/s

　　p———容器內壓力，Pa

　　Qf———放氣流量，Pam³/s

　　Qs———滲透氣流量，Pam³/s

　　Qz———蒸氣流量，Pam³/s

　　Ql———漏氣流量，Pam³/s

　　由式(1)可見(jiàn)，在粗真空和低真空抽氣時(shí)，容器內原有的空間大氣Vdp/dt 是主要氣體負荷。隨著(zhù)容器中的壓力降低，進(jìn)入高真空階段后，dp/dt 變得很小，主要的氣體負荷為放氣流量、滲透氣流量、蒸氣流量和漏氣流量，可統一表示為Q。當到達極限壓力時(shí)，dp/dt=0，p=Q/Se，說(shuō)明在高真空下，系統的極限壓力由Q 和S 決定�？梢�(jiàn)，準確的估算氣體負荷Q 對于大型真空系統的設計、制造具有重要意義。但由于氣體負荷受材料、結構、表面加工、溫度、清洗工藝等諸多因素的影響，很難準確計算。對于各種用途的常規真空裝備，可得到的數據或可參考的類(lèi)似設備較多，分析計算方法也已成熟，可確保合理的實(shí)現設計目標。而對于2000 m³ 量級的大型高真空裝備還需要結合工程實(shí)踐進(jìn)行必要的分析和研究。

2、放氣流量

　　2.1、放氣流量計算

　　容器抽空后，暴露于真空下的各種材料構件的表面將把原來(lái)在大氣壓下所吸收和吸附的氣體解析出來(lái)，稱(chēng)為放氣。材料的放氣速率除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受溫度、時(shí)間、材料的制造工藝、儲存狀況、預處理工藝(如清洗、烘烤、氣體放電轟擊、表面處理等)等因素影響。放氣流量可以依據材料放氣率實(shí)驗數據計算，但放氣率隨暴露在真空下的時(shí)間而變化，實(shí)驗數據僅對應有限的時(shí)間點(diǎn)且現有參考數據一般是在25 h 以?xún)�。另外，某種材料的出氣速率可表示為時(shí)間的函數：

　　其中：q1———抽空1 h 的放氣速率，Pam³/(m²s)

　　t———抽氣時(shí)間，h

　　β———出氣速率的衰減系數，一般對金屬材料β≈1

　　暴露在真空下的所有材料的出氣速率之和就是總的放氣流量。2000 m³ 的真空球罐直徑約為Φ15.7 m，內部表面積約為775 m²，放氣主要來(lái)自于罐體結構材料。罐體大，質(zhì)量重，罐壁需要承受較大的機械強度， 設計中可采用S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼。表1 中給出了幾種預處理條件下的放氣流量， 其中q1 取與S30408 相近的1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的數據。

表1 幾種處理條件下的放氣量

　　2.2、放氣流量分析

　　在常規的超高真空系統中，常通過(guò)真空除氣加速材料表面的放氣以在較短時(shí)間內獲得較高的真空度。烘烤是最常用的手段，但對于2000 m³ 量級的大型容器，實(shí)施高溫烘烤存在許多技術(shù)和成本上的困難。另外，考慮大型容器隨溫度變化而產(chǎn)生的應力和變形也不建議采用高溫烘烤進(jìn)行除氣。其它如電子束或離子束轟擊等方式對如此大型的容器也不具備技術(shù)和經(jīng)濟上的可行性。因此，在大型真空容器的放氣流量分析中應主要考慮常溫狀態(tài)。預處理工藝對減少結構材料表面放氣的影響顯著(zhù)。預處理主要是使處于真空狀態(tài)的表面要光滑，無(wú)松軟組織和氣孔，無(wú)死空間，內焊縫無(wú)影響真空的缺陷。另外使處于真空狀態(tài)表面無(wú)積存的污染源，表面無(wú)塵埃、無(wú)鐵屑、無(wú)銹蝕、無(wú)脂無(wú)油等。針對大型真空容器建議仔細做好以下處理過(guò)程：

　　(1)真空容器建造完成后，應徹底除銹、除渣，并吹掃干凈。

　　(2)進(jìn)行布拋光或機械拋光以去除表面缺陷，形成光滑、光亮表面，表面粗糙度越高越好。

　　(3)三氯乙烯去脂+ 丙酮清洗以去油、去脂、去污物。

　　(4)清洗后氮氣吹干。

　　從式(2)和表1 的計算結果可見(jiàn)，隨著(zhù)抽空時(shí)間的延長(cháng)，放氣流量逐漸減少。精細做好內部預處理的2000 m³ 真空球罐在抽空100 h 時(shí)的放氣流量大致為10-5 Pa m³/s 量級。

3、滲氣流量

　　滲氣是容器被抽空后，由于容器壁內外壓差的存在，大氣通過(guò)器壁結構材料晶格和晶粒邊界擴散到容器中的氣體流量。氣體對金屬的擴散、溶解和滲透過(guò)程，一般是以原子態(tài)的形式進(jìn)行。由于氫原子的直徑最小，所以氫原子對金屬的擴散和滲透最為顯著(zhù)，其它氣體經(jīng)大多數金屬的滲透率至少比氫小一個(gè)量級。氣體對金屬的滲透與溫度有關(guān)，滲透系數一般隨溫度的升高而增大。氣體對金屬滲氣量可用下式計算：

　　其中：K———滲透系數，Pa m³ m/(m² Pa0.5 s)

　　A ———真空室壁的面積，m²

　　Δp———真空室壁兩側的壓差，Pa

　　d ———真空室壁厚，m

　　氫氣對不同金相組織的鋼材的滲透系數如圖1 所示。S30408 不銹鋼的主要金相結構為奧氏體，其滲透系數如圖1 中的1 號線(xiàn)條。滲透系數K隨溫度大致呈線(xiàn)性下降，在常溫下保守判斷取值應小于10^-11。則高真空球罐的滲氣量為：

　　以上計算的滲氣流量較放氣流量低約2 個(gè)數量級，不是影響真空球罐技術(shù)指標的主要矛盾和關(guān)鍵因素，因此，在大型高真空容器中滲氣量影響可以忽略。

圖1 氫氣對不同金相組織的鋼材的滲透系數

4、蒸氣流量

　　在封閉的真空空間中，液體(或固體)氣化的結果是使空間的蒸氣密度逐漸增加，當達到一定的蒸氣壓后，單位時(shí)間內脫離液體(或固體)表面的氣化分子數與空間返回到液體(或固體)表面的再凝結分子數相等，即蒸發(fā)(或升華)速率與凝結速率達到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，空間的蒸氣密度不再增加，蒸氣壓力不再變化，即為該溫度下液體(或固體)的飽和蒸氣壓。平衡狀態(tài)下，真空球罐內的總壓力等于各組分氣體分壓力之和，如果某種物質(zhì)能夠以液體或固體形態(tài)存在于真中，則該種物質(zhì)氣體形態(tài)的分壓力對應該種物質(zhì)在相應溫度下的飽和蒸氣壓。蒸發(fā)(升華)速率是需要重視的參數，可能來(lái)自液體或固體的蒸氣構成了真空容器內源源不斷的氣體負荷。一般在一定溫度下，飽和蒸氣壓高的材料，其蒸發(fā)(或升華)的速率也大。無(wú)機材料的飽和蒸氣壓通常較低，常規的超高真空設備都盡量避免使用有機材料，正是由于有機材料都有較高的蒸氣壓。

　　針對2000 m³ 量級的高真空容器，使用三氯乙烯去脂、丙酮去油、去脂、去污物等內部清洗是必要的。這些有機溶劑常溫下的飽和蒸氣壓均較高，極易揮發(fā)，在清洗后應采用干燥氮氣或空氣吹干，盡量減少其在真空容器內的殘留量。真空封脂的飽和蒸氣壓一般≤10^-6 Pa 量級，不會(huì )構成較大影響。擴散泵油的飽和蒸氣壓可以做到≤10^-5 Pa 量級，應注意選擇飽和蒸氣壓低的擴散泵油，并在真空系統上采取有效措施，防止泵油向高真空容器的擴散。密封橡膠材料本身的飽和蒸氣壓較高，但由于其暴露面積較小，真空容器容積較大，在常規設備中其蒸發(fā)和升華在1.3×10^-5 Pa~1.3×10^-7 Pa 時(shí)體現的最為顯著(zhù)，在大型高真空容器中仍可使用。從以上幾種材料的蒸發(fā)或升華情況看，蒸氣流量也不會(huì )構成大型高真空容器的主要氣體負荷。

5、漏氣流量

　　系統泄漏和漏率控制一直是困擾各類(lèi)真空系統的重要問(wèn)題，大型高真空系統在建造和檢漏上更是面臨許多困難。主要泄漏位置包括焊縫、法蘭密封連接和閥門(mén)。首先參照常規高真空設備的制造和檢漏技術(shù)水平分析理想情況下大型高真空容器能夠控制的目標漏氣流量。對于焊接工藝，保證并檢出(1×10^-9 Pa m³/s)/300 mm 的漏率是容易實(shí)現的，2000 m³ 量級高真空球罐的焊縫如為500 m，則焊縫總漏率可控制在1.67×10^-6 Pa m³/s 以下。國內公稱(chēng)直徑≤DN800 的高真空閥門(mén)漏率可控制在≤1.3×10^-9 Pa m³/s ，以此作為閥門(mén)和法蘭連接的允許漏率，如閥門(mén)和法蘭連接的總數為30 處，則最大漏率為3.9×10^-8 Pa m³/s。公稱(chēng)直徑≥DN800 的高真空閥門(mén)制造更為困難，可參考的漏率數據較少見(jiàn)，如將小閥門(mén)允許漏率提高2 個(gè)數量級為控制目標，閥門(mén)和法蘭連接的總數為20 處，則最大漏率為2.6×10^-6 Pa m³/s。因此，如果按常規高真空設備的制造和檢漏技術(shù)水平，2000 m³ 量級高真空容器的最大漏率可期待達到1×10^-5 Pa m³/s 以下。

　　大型高真空設備與常規設備存在較大差異。如大容積使總裝檢漏難以在較短的檢漏時(shí)間內實(shí)現較高的檢漏靈敏度，制造過(guò)程中的局部檢漏過(guò)于繁瑣、復雜，容易出現檢漏誤差、漏檢或無(wú)法檢漏；在真空裝備運行時(shí)，受氣體壓力的作用，大型真空容器及連接管道必然存在較大變形，使閥門(mén)或法蘭密封連接的受力情況發(fā)生較大改變而影響密封性能。目前已經(jīng)建成的2000 m³ 量級高真空容器的實(shí)際漏率尚遠高于常規高真空裝備。這是真空技術(shù)領(lǐng)域研究、設計和建設人員面臨的重要挑戰。

6、結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，某些用途的真空裝置向大型化、高真空度的方向發(fā)展。針對材料出氣、蒸發(fā)(或升華)氣體、滲氣和漏氣進(jìn)行了分析，結果表明材料出氣和漏氣是大型高真空容器的主要氣體負荷。因此，從材料預處理、容器及密封結構設計、檢漏設計、制造工藝技術(shù)研究等角度減少大型高真空容器的材料出氣、控制漏率是真空科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域面臨的課題。