设计真空设备需同时进行检漏方案设计研究

李育建

（珠海镇东有限公司，广东 珠海 519070）

0 引言

现阶段，真空技术虽发展迅速，但真正从真空技术专业毕业的技术人员少之又少。目前，从事真空设备设计的人员一般是未经过真空技术专业的系统学习或专业培训，设计时只重视真空设备的强度和功能设计，并没有在设计阶段全面、系统地考虑并落实真空设备在制造、调试、使用过程中的检漏问题，从而导致真空设备的检漏不便或困难。为解决这一问题，设计者要熟悉各种检漏方法和检漏仪器，明确真空检漏的要求及相关原则，并将设计、工艺、调试、使用维修等环节的配套检漏方案或方法纳入设计工作中，让真空检漏方案设计成为真空设计工作的一部分，使各阶段的检漏项目做到有的放矢、有序开展，使检漏更方便、更准确，从而提高真空设备的制造和使用效率。

1 真空检漏方法

设计者要明确真空设备的设计要求，特别是真空度及漏率的要求。设备的真空度及该设备所允许的漏率基本决定了检漏方法的最小可检漏率及检漏设备或仪器的灵敏度。目前，常用的真空检漏法有3种。

1.1 加压检漏法

对被检测容器注入容器所允许的、具有一定压力的示漏物质，如空气等。如果容器有漏孔，用一定方法和仪器可从容器外部检测到从漏孔漏出的示漏物质，从而判定漏孔的位置及大小。由于示漏物质是从内往外漏的，便于使用操作仪器设备进行检漏，也便于观察和寻找漏孔的位置，但容器也要承受一定压力，且此压力要大于加压检漏法工作条件所允许的压力（0.1～0.2 MPa）。因此，在进行结构设计时要考虑容器的强度和安全性，且要对容器的受压安全性进行验证。常用的加压检漏法见表1。

表1 加压检漏法

1.2 抽真空检漏法

将被检测的容器抽真空，使被检测的容器和检漏仪器的敏感元件均处于真空环境中，将示漏物质放在被检容器外部，如有漏孔存在，示漏物质在压力差的作用下，通过漏孔被吸入到容器以及安装有敏感元件的空间内，由敏感元件来检测是否有示漏物质存在，并通过仪器的指针、数据、声光等来判定漏孔的位置和大小。该方法的优点是设备在工作状态与真空检漏所要受的力（受压）的方向和状态是完全一致的。检测时，容器处于负压状态，只要结构合理，一般不会发生容器损坏等。常用的抽真空检漏法见表2。

表2 抽真空检漏法

1.3 其他检漏法

有些方法既不是加压法，也不是抽真空法，如荧光法、着色法。此外，超声波探伤、磁粉探伤等方法常用于焊缝及材料的检漏。

2 真空检漏方法的选择原则

2.1 明确被检容器的最大允许漏率及工作条件

检漏方法的应用要满足最小可检漏率的检漏要求。所选择的检漏方法的检漏灵敏度要高于允许漏率的1～2个数量级。如采用真空计进行检漏时，设备的真空度要求为1～10 Pa，则精度为0.1 Pa的真空计可用于抽真空检漏。

2.2 明确被检容器所承受的内压、外压、温度、湿度、介质等要求

在进行检漏时，要分清是真空容器，还是压力容器。一般情况下，上述2种容器的检漏方法不一样，且两者的安全要求也不一样，压力容器的测试压力一定要小于其安全压力。

2.3 明确被检容器使用状态时各部位的受力方向及受力大小

检漏时要尽量模拟实际工作状态。因为真空容器和压力容器的结构不同，容器的强度、稳定性、密封方式是不一样的，检漏时对工作状态进行模拟，就不会因检漏操作对零件及密封造成损坏。

2.4 反应时间短、检漏快、漏孔位置判断准确，且稳定性好

要达到反应时间短、检漏快等要求，除考虑检漏方案及检漏仪外，还要考虑所要进行检验的容器的检漏位置及相关要求。

2.5 示漏物质对设备结构无损害、对环境无污染等

检漏环境要宽敞、通风、安全。对安装调试及使用维修阶段的真空设备，禁止使用对橡胶密封圈等有腐蚀作用且具有严重刺激性的示漏物。

2.6 操作简单，维修方便，经济实用

如对真空丝印机，采用抽真空法，利用真空丝印机配套的真空计进行检漏，从而达到预期效果［2］。

3 设计阶段应考虑的真空检漏问题

3.1 从结构上考虑检漏问题

3.1.1 检漏仪器选择及检漏工装设计。不同结构的零部件、不同大小及外形尺寸的零部件、不同材料的零部件等，在设计前要考虑使用什么类型的真空检漏仪进行检漏；在决定采用哪种真空检漏仪进行检漏后，就要考虑怎样配套连接安装检漏仪，包括接口的安装位置、敏感元件的安装位置、示漏物的加注方式、非密封半开式（开式）零件及不规则零件的密封配套检测工装的设计等。在对配套真空检漏工装进行设计时还要保证工装零件不能有裂纹、气孔等缺陷，零件的加工必须要保证不低于设备零件的形位公差和表面粗糙度，工装材料及密封件的漏率不能高于设备零件的漏率，即工装零件的材料质量、加工精度、密封性等不能低于真空设备零部件材料质量、加工精度及密封性，否则会使真空检漏结果不真实，但配套检漏的零部件质量、精度、性能太高，从而使制造成本增加。所以，在进行真空设备检漏时，要尽量利用原设备的零部件进行检漏，这样得到的检测结果既真实准确，又能降低生产加工成本。出于对检测结果和成本的考虑，在设计时应注意以下3个方面。如果工艺和材料允许，将零部件设计成整体结构，不设计成单个分散的；如果能把开口设计得小一些，就不要设计得过大；如果能把零部件的结合面设计成平面，就不要设计成有台阶的面或曲面。这样在保证检测的零部件数量少、外形小的同时，便于加工和保证密封检漏结果真实可靠。

3.1.2 加压检漏法和抽真空检漏法的区别。真空检漏方案的拟定和检漏仪器的选择，要优先考虑设备的工作状态，如果设备的工作状态是容器内部压力高，即可优先考虑采用加压检漏法；如果设备的工作状态是容器内部是真空，即可优先考虑采用抽真空检漏法。在工作和检漏时，容器的受压方向相同，既可省去反向受压时有关零部件的受力大小、强度校核、结构稳定性、安全性等的设计计算和校核的时间，同时也可简化结构，不必考虑相反方向的受压或受力对密封压力和密封效果的影响。如果采取反向受力测试法，则在设计阶段就要提前考虑以上问题。

3.1.3 设计时要提前从结构上考虑检漏的位置和方法。真空检漏仪的选择，抽真空和注入示漏气体的方式或其他示漏物、接口大小或位置，检漏仪器的安装方法和敏感元件的安装位置，示漏物是否会对材料产生腐蚀等，均要提前进行考虑。

3.1.4 设计时要尽量避免结构有寄生空间。寄生空间的存在会使反应时间延长，且不便对其进行清洁，在充气或示漏物的冲击下，铁屑、灰尘等会非正常或随机堵塞漏孔，从而导致检漏位置判定不准确或漏检。特别是在焊接结构的焊缝设计中，如果内外均采用连续焊接的话，有可能产生寄生空间，正确的焊接工艺是在真空一侧采用连续焊接、在非真空一侧采用断续焊接。

3.2 设计时要考虑加工过程和加工工艺对检漏的影响

3.2.1 设计时考虑大型零件加工时的检漏方法。一般情况下，大型零件在加工前后都没有形成一个较为完整的封闭容器，且外形尺寸较大，采用加压检漏法或抽真空检漏法难以对其进行检漏。此时，可采用超声波探伤、磁粉探伤、荧光法、着色法等进行检漏。

3.2.2 设计时考虑焊接件焊接加工时及加工后的检漏方法。真空容器的焊接工艺及加工工艺对检漏结构的影响很大。采用密封焊接工艺除了要避免因焊接缺陷导致的漏气外，焊件还要开有密封槽（即密封槽要经过焊缝），一定要控制好焊件的变形量及焊接坡口的深度容器密封槽，并控制好加工余量。否则，在密封条挤压下，焊缝密封槽位置的检漏将很难进行，或容易出现漏检（见图1）。

图1 焊缝密封槽

3.2.3 设计时要考虑设计要求对检漏的影响。大型真空设备，特别是非圆筒形真空容器，一般是由不同部分组装而成的。因此，对高真空容器而言，各结合面的加工精度和表面粗糙度对真空度和漏率的影响较大（见图2）。同时，密封槽的表面粗糙度和密封条的材质对真空度和漏率的影响较大，在设计时要予以重视，并在设计图上标出具体要求。

图2 高真空容器主室和底座

3.2.4 设计时要考虑涂装前整体检漏。在完成机械加工后、对零部件表面进行涂装前，要对主体真空容器（不包括容器内部、外部的各种功能性机械、电气及控制零件）进行整体组装检漏（见图3）。设计时要考虑设计各种封板及密封零件，对没有安装的零部件要留有安装孔等，并进行密封，检漏验收合格后，再进行表面涂装处理。在涂装完成后，如果有零部件受到较大的机械冲击或震动，要在总装前再次进行检漏。

图3 整体真空容器主体

3.3 设计时要考虑安装调试阶段的检漏问题

3.3.1 检漏前要对真空泵的性能参数进行测试验证。设计时要计算好真空容器工作时所达到的工作真空度和极限真空度，以及真空容器的最大漏率，并据此来选择真空泵的规格参数。在进行安装调试前，要对真空泵进行测试验证，排除因真空泵的不合格对安装调试及真空检漏的影响。例如，在电路板行业应用最广泛的真空丝印设备，该设备在进入安装调试阶段后，就会将设备配套的真空泵和真空计安装好，并采用抽真空法进行检漏。使用该方法的前提是真空泵没有泄露，极限真空稳定可靠，具体操作方法如下。将配有真空计接口的封板安装在真空泵的进气口，且密封压紧，再把真空计安装好，并通电抽真空，在限定时间内，极限真空度达到1×10-1Pa即为合格，真空泵可投入安装调试。

3.3.2 设计时要按顺序、分步骤进行检漏。设计时要制定检漏工艺路线及检漏要求，包括检漏顺序、检漏步骤、漏率标准等。每安装好一个零部件便对此零件及连接处进行检漏，检漏合格后再安装下一个零部件。外购的零部件（如真空阀、接头），要单独检漏后再进行安装，安装后再进行检漏。如果零件出现变形、焊接裂纹，或检漏不合格，要在安装前重新检漏［3］。例如，真空丝印机在早期开发时，装配人员认为标准件有合格证，且漏率要求也达标，因此在装配时就没有对其进行检漏，导致1台设备长时间查不出漏点，最后对所有零件进行检查后，才怀疑是磁流体密封件可能漏气。经检漏测试后，发现是磁流体漏气，分析可能原因是在运输搬运途中因重摔而导致密封损坏。所以，要严格执行按顺序、分步骤、不漏检的要求。

3.3.3 分别进行静态检漏和动态检漏。设计时要考虑静态检漏和动态检漏的区别，将动态检漏的要求和真空度作为设备的验收漏率和真空度要求。静态检漏是指所有的机械、电气及控制零件已安装完成，但还未进行通电、通气、通水等操作，此时对设备进行整体检漏测试，包括极限真空度的测试。静态测试是为了检验所有零部件及密封件的安装是否达到设计要求，并为动态检漏测试提供数据支持；动态检漏是在所有机械、电气及控制零件完成安装后，并对其进行全面检查，没有发现装错或接错的情况，符合开机运行条件，在设备运行的不同阶段进行漏率和真空度测试，检查其是否符合设计标准。动态检漏主要是检查各种动密封零部件的材料和润滑，各种机械运动摩擦和冲击，以及内部温度、压力、外部环境等因素对密封效果及使用寿命的影响。例如，在真空丝印机完成组装后要进行一次静态抽真空，检测极限真空度，如果极限真空度≤10 Pa，则可分步骤进行动态测试，包括真空小盖密封测试、真空门密封测试、台面转换密封测试、框架上下重复移动密封测试、台面马达磁密封测试等。测试时，真空度在-1～+1 Pa即为正常，否则要检查密封零件是否漏气或装配情况是否符合要求。

3.3.4 设计时要考虑检漏的可操作性和安全性。一台大型真空设备中要进行检漏的零部件有很多。因此，设计时一定要考虑操作方便、快速、准确。同时，还要考虑检漏时零部件不受腐蚀或损坏，且操作者不会因示漏物及真空室的受压问题而受到伤害，机械、电气操作及控制可靠。另外，在真空室的清洁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，真空丝印机的焊接腔体及有关的机械加工零件在进行表面涂装前，为了节省检漏成本，一般采用静态升压法，在对真空腔体抽真空达到极限真空后，向腔体可能漏气的焊缝、接口及不同零件的结合部位喷洒酒精或丙酮，若有漏孔存在，在内外压差的作用下，挥发性很强的酒精或丙酮会使腔体的内压力上升，使真空计度数发生变化，从而发现漏孔，该检漏方法虽然操作简单，但酒精或丙酮属易燃易爆危险品，要特别注意环境安全和操作安全。此外，酒精或丙酮会对密封材料产生腐蚀，因此使用时也要注意。

3.4 设计时要考虑使用及维修过程中的检漏问题

3.4.1 设计时要重点考虑真空室主室的密封设计和检漏方案的设计。真空设备在经安装调试后，其结构会变得非常复杂，有的示漏物已不能加注，有的封板也不能安装，大型设备也不能翻转进行观察检漏等。因此，设计时要尽量做到真空容器的主腔结构不发生泄漏，如因结构、材料、工艺等的限制，必须进行焊接、组合等操作，就要在设计时满足以下要求。对会产生内应力的零件或焊接件要进行退火去内应力处理，从而可有效避免安装后出现裂纹或其他导致漏气的缺陷；对可能出现漏气的结构，要按照便于拆卸、安装和检漏的要求进行设计；对大型真空设备，还要考虑到其重量、体积，以及能否对其进行翻转检漏，所以有可能出现漏孔的焊缝、接头等不能设计在真空室的底部。同时，还要考虑检漏位置是否便于检漏操作和观察。例如，在对真空丝印机主室腔体底座进行设计时，考虑到底座不方便检漏，故采用整板结构，且将底板加厚，既保证底板的强度，又要防止因底板变形而导致其他零件变形，从而产生裂纹造成漏气。同时，对必须焊接的腔体周边，要避开在4个角进行焊接，且焊缝与加强筋错开，既避开抽真空变形应力集中的位置，又方便检漏。

3.4.2 检漏操作方便、准确可靠。设计时要考虑更换频率较高的设备备件、易损件或密封件检漏问题，要求更换方便、密封可靠、检漏快准。例如，真空丝印机的真空腔体是由长期保持真空的主室和开启频繁的中转小室组成，控制该小室的真空蝶阀每天要工作1 200～1 500次。因此，真空蝶阀的阀板密封圈很容易出现磨损，磨损后要拆下真空蝶阀才能更换密封圈。最初设计时只考虑美观和结构紧凑，将真空蝶阀安装在小室的底部，从而导致维修和检漏不方便，后经改进，将真空蝶阀安装在小室侧面。

3.4.3 设计时要避免不必要的检漏工作。设计时如何避免在吊装、运输、使用和维修过程中一些因设计不周而产生的不必要的检漏工作。为此，设计时应注意以下3点。第一，不改变零部件的受力状态。如在设计真空室底座时，为避免搬运吊装改变底座与其他分体零部件的受力状态，从而影响密封，导致重复检漏，将真空设备的搬运、吊装受力位置设计到真空室底座的底部，且要保证在搬运或吊装时，底座不会变形。如果是分体真空室，不可将吊装位设计在真空室的顶部。第二，不改变零部件的位置。有些大型真空设备采用分体组合式的结构形式，在设计时除了要考虑各分体间保证平面度和配合外，还要保证抽真空前后不同零部件之间的位置关系不发生改变，配合精度、定位结构和尺寸、连接紧固的方法都是设计时要考虑的因素。第三，不同材料的相互适用性。为防止密封材料、真空润滑脂、金属材料出现腐蚀快、磨损快，从而导致零部件出现损坏现象，要对材料的性能及是否相互适应进行研究和测试，以免出现不可预知的漏点。例如，真空丝印机的吊装位就设计在底座上，并在设备上贴上吊装位置的标识，且配套设计绘制出设备搬运及吊装简图，并标明注意事项，从而避免因非加工和制造环节而造成的泄漏。

4 结语

真空检漏工作是非常重要的，也是比较复杂的，而且其中涉及真空设备的制造、安装调试及维修使用等环节，如果某一个环节处理不好，将会对整个设备的性能产生不良影响。因此，在进行真空系统设计时，要全面、统一落实检漏方案、检漏方法、检漏仪器，特别是大型真空系统，因其体积庞大、结构复杂、配套设备及仪器多，使维修检漏的空间更小，如果对检漏问题考虑不周，可能导致局部焊缝或漏点无法检测。通过以上分析，将真空检漏工作放在设计阶段，并将其作为真空设计工作的一部分，将真空检漏工作从过去的辅助性、配套性或维修性工作，提前到真空设备的设计工作中去。真空检漏贯穿真空设备生产、制造及使用全过程，因此，真空设备的设计者必须对完全检漏设计引起重视。珠海镇东有限公司真空丝印机的设计制造、安装调试、使用维修全过程的真空检漏经验证明，只要真空设备的设计者在设计阶段全面、综合地考虑检漏设计，要把真空检漏的各项工作做顺、做好，并避免真空设备使用、维修阶段出现真空检漏难题。