吳 平

(濟(jì)寧協(xié)力特種氣體有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

1 前 言

氦氣是一種不可再生的稀有氣體，價(jià)格比較昂貴，其特殊的理化性質(zhì)決定了某些用途是其它氣體無(wú)法代替的。氦氣一般用高壓鋼瓶充裝，鋼瓶在充裝氦氣前必須進(jìn)行抽真空置換處理，確保鋼瓶處理合格，避免造成充裝后氦氣質(zhì)量不合格，造成資源浪費(fèi)。在保證鋼瓶處理質(zhì)量的前提下，如何高效率的進(jìn)行氦氣鋼瓶抽真空置換處理，對(duì)氦氣充裝的企業(yè)來(lái)說(shuō)就非常重要。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了不同的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)氦氣鋼瓶處理效率進(jìn)行了比對(duì)分析，總結(jié)出了一種比較高效的處理方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 鋼瓶和鋼瓶處理設(shè)備

準(zhǔn)備15個(gè)40 L的鋼瓶，檢查并確保鋼瓶無(wú)漏點(diǎn)，用本公司自主研發(fā)的氣瓶自動(dòng)烘干處理設(shè)備對(duì)鋼瓶進(jìn)行烘干處理。該設(shè)備通過(guò)穩(wěn)定可靠的PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理過(guò)程自動(dòng)化，能耗低、效率高，氣瓶處理合格率可達(dá)100%。保證氣瓶含水量<3×10-6，避免氣瓶含水量過(guò)高對(duì)氣瓶抽真空造成影響。氣瓶自動(dòng)烘干處理裝置見(jiàn)圖1。

圖1 氣瓶自動(dòng)烘干處理設(shè)備

所采用的鋼瓶抽真空裝置是本公司自主研發(fā)的，該裝置通過(guò)穩(wěn)定可靠的PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理過(guò)程自動(dòng)化。操作人員只需更換氣瓶，即可對(duì)氣瓶自動(dòng)進(jìn)行抽真空、查漏、置換等處理，處理過(guò)程無(wú)需人員干預(yù)。真空度、置換氣體壓力、置換次數(shù)等參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行便捷的修改設(shè)定。氣瓶處理完畢后是保持真空狀態(tài)還是墊氣保壓可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。自動(dòng)化抽真空置換裝置見(jiàn)圖2、處理參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖3。所用的真空泵為30 L/s螺桿泵和150 L/s羅茨泵的組合泵、30 L/s旋片泵和150 L/s羅茨泵的組合泵。

圖2 自動(dòng)化抽真空置換裝置

圖3 處理參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)1

將烘干處理好的15個(gè)鋼瓶?jī)?nèi)的氮?dú)馀欧胖廖⑽⒊鰵?，連接到鋼瓶抽真空裝置上進(jìn)行鋼瓶抽真空操作。裝置處理參數(shù)中抽真空次數(shù)為2次，過(guò)程進(jìn)氣壓力為0.5 MPa，其中最后一次選擇墊氣，墊氣所用氣體為高純氦氣。這樣進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，第一遍抽真空鋼瓶底氣為氮?dú)?，第二遍抽真空鋼瓶底氣為氦氣，兩遍處理過(guò)程僅僅是鋼瓶底氣不一樣，確保了實(shí)驗(yàn)過(guò)程單一變量。羅茨泵的啟動(dòng)真空度為1000 Pa，2次抽真空中羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間分別為7 min和110 min。羅茨泵啟動(dòng)后每隔10 min記錄一次真空度數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 鋼瓶底氣為氮?dú)?/p>

表2 鋼瓶底氣為氦氣

通過(guò)比較表1和表2的數(shù)據(jù)可知，鋼瓶底氣為氮?dú)夂弯撈康讱鉃楹?，抽到相同的真空度?shù)值所用總時(shí)間相差100 min以上，但是羅茨泵啟動(dòng)后鋼瓶底氣為氮?dú)夂弯撈康讱鉃楹?，抽到相同的真空度?shù)值所用的時(shí)間基本相同。由此我們可以得出要想縮短氦氣鋼瓶抽真空處理的時(shí)間，關(guān)鍵是要縮短羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間，也就是縮短前級(jí)泵螺桿泵抽到真空度1000 Pa(羅茨泵的啟動(dòng)真空度)所用的時(shí)間。

2.3 實(shí)驗(yàn)2

羅茨泵啟動(dòng)之前，螺桿泵抽鋼瓶中的氦氣是經(jīng)過(guò)羅茨泵的間隙進(jìn)入螺桿泵的。羅茨泵的間隙本身就很小而氦氣的密度也很小，可能是氦氣不容易被螺桿泵抽走，所以用的時(shí)間就比較長(zhǎng)?；谶@方面的考慮，我們用波紋管和氣動(dòng)閥門(mén)將螺桿泵和抽真空匯流排直接相連。螺桿泵啟動(dòng)時(shí)氣動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)，當(dāng)真空度抽到1100 Pa(1000 Pa時(shí)羅茨泵自動(dòng)啟動(dòng))時(shí)再將氣動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉。裝置改造前后見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 抽真空裝置改造前

圖5 抽真空裝置改造后

將實(shí)驗(yàn)1結(jié)束后的15個(gè)鋼瓶?jī)?nèi)的氦氣排放至微微出氣，進(jìn)行鋼瓶抽真空操作。裝置處理參數(shù)中抽真空次數(shù)為1次，最后一次選擇墊氣，墊氣所用氣體為高純氦氣。羅茨泵的啟動(dòng)真空度為1000 Pa,本次實(shí)驗(yàn)羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間為92 min。羅茨泵啟動(dòng)后每隔10 min記錄一次真空度數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼瓶底氣為氦氣

通過(guò)比較表2和表3的數(shù)據(jù)可知，羅茨泵啟動(dòng)后抽到相同的真空度數(shù)值所用的時(shí)間基本相同，真空泵改造后羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間約能縮短18 min，效果不是很理想，處理的時(shí)間仍然比較長(zhǎng)。

2.4 實(shí)驗(yàn)3

螺桿真空泵的工作原理是利用兩個(gè)相平行的等螺距螺桿，在泵腔中作同步高速反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生吸氣和排氣的作用。兩螺桿經(jīng)過(guò)精細(xì)動(dòng)平衡處理，由軸承支撐，安裝在泵殼中，螺桿與螺桿之間有一定間隙，因此泵工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，相互之間無(wú)摩擦，工作腔無(wú)需工作介質(zhì)。

考慮到螺桿泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，密度較小的氦氣可能不太適用螺桿泵進(jìn)行抽真空，采用旋片泵和羅茨泵組成的泵組處理效率有可能會(huì)比較好。

筆者用30 L/s旋片泵和150 L/s羅茨泵的組合泵對(duì)15個(gè)鋼瓶進(jìn)行抽真空處理，處理前將鋼瓶?jī)?nèi)的氦氣排放至微微出氣。裝置處理參數(shù)中抽真空次數(shù)為1次，最后一次選擇墊氣，墊氣所用氣體為高純氦氣。羅茨泵的啟動(dòng)真空度為1000 Pa,本次實(shí)驗(yàn)羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間為72 min。羅茨泵啟動(dòng)后每隔10 min記錄一次真空度數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鋼瓶底氣為氦氣

通過(guò)比較表2、表3和表4的數(shù)據(jù)可知，羅茨泵啟動(dòng)后抽到相同的真空度數(shù)值所用的時(shí)間相差不大，前級(jí)泵為旋片泵，羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間約能縮短38 min，效果比較明顯，但是與底氣為氮?dú)馑? min相比羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間仍然太長(zhǎng)。

2.5 實(shí)驗(yàn)4

經(jīng)過(guò)查閱有關(guān)螺桿泵方面的資料并咨詢(xún)螺桿泵廠(chǎng)家得知，氦氣密度比較小，氦氣會(huì)在螺桿間隙中循環(huán)，不能及時(shí)排出，所以造成抽真空時(shí)間比較長(zhǎng)?？梢韵蚵輻U泵排氣側(cè)的氣鎮(zhèn)閥通入一定量的氮?dú)饣蛘邭鍤馐购饽軌虮患皶r(shí)排出，達(dá)到縮短抽真空時(shí)間的目的。見(jiàn)圖6。

圖6 氣鎮(zhèn)閥通入氬氣

準(zhǔn)備一瓶高純氬氣，經(jīng)過(guò)減壓器、流量計(jì)及軟管與螺桿泵排氣側(cè)的氣鎮(zhèn)閥相連接。當(dāng)螺桿泵啟動(dòng)后通入一定量的氬氣，待羅茨泵啟動(dòng)后停止氬氣的通入。

將實(shí)驗(yàn)3結(jié)束后的15個(gè)鋼瓶?jī)?nèi)的氦氣排放至微微出氣，進(jìn)行鋼瓶抽真空操作。裝置處理參數(shù)中抽真空次數(shù)為1次，最后一次選擇墊氣，墊氣所用氣體為高純氦氣。羅茨泵的啟動(dòng)真空度為1000 Pa,本次實(shí)驗(yàn)羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間為15 min，僅比底氣為氮?dú)馓幚頃r(shí)間長(zhǎng)了8 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想。

螺桿泵啟動(dòng)后通入氬氣，氬氣會(huì)不會(huì)反流進(jìn)入待處理的鋼瓶?jī)?nèi)影響鋼瓶處理的質(zhì)量？為此對(duì)處理完的墊入高純氦氣的15個(gè)鋼瓶進(jìn)行全面分析，分析

結(jié)果表明15個(gè)鋼瓶?jī)?nèi)的氬氣含量跟墊氣用的高純氦氣中氬氣含量一樣，這就證明通入氬氣不會(huì)影響鋼瓶的處理質(zhì)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

1.同一排氦氣鋼瓶的處理時(shí)間主要取決于羅茨泵的啟動(dòng)時(shí)間，羅茨泵啟動(dòng)后鋼瓶?jī)?nèi)無(wú)論是氦氣介質(zhì)還是氮?dú)饨橘|(zhì)，抽到相同的真空度數(shù)值所用時(shí)間相差不大。

2.相同條件下對(duì)氦氣鋼瓶進(jìn)行抽真空，旋片泵要比螺桿泵所用的時(shí)間短。

3.螺桿泵啟動(dòng)后，通入一定量氬氣可以大大縮短氦氣鋼瓶抽真空時(shí)間，提高氦氣鋼瓶的處理效率，同時(shí)對(duì)鋼瓶的處理質(zhì)量不會(huì)造成任何影響。

4.氦氣鋼瓶抽真空處理方法同樣適用于氫氣鋼瓶。