真空釬焊爐的安全管理及事故預防措施探討

胡杰仁，程耀永

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

隨著釬焊研制任務量的劇增，真空釬焊爐數量不斷增加，其安全管理的重要性日益凸顯。根據歷年安全事故統計，真空設備出現過真空系統燃爆、加熱系統超溫等事件，造成設備損壞、工件報廢。正常情況下，只要操作者嚴格遵守真空釬焊爐操作規程，適時關啟按鈕和開關，無需太多的經驗或培訓即能掌握操作。事故的發生往往是由于設備功能異常或部件故障引起，因此，要強化真空釬焊爐的使用管理與維護工作，以延長設備的使用壽命，避免設備使用時發生故障。

1 真空釬焊原理及工藝流程

將需要釬焊的工件裝入真空爐內，關閉爐門，通過溫控系統，編制熱循環工作程序，系統按設定的程序手動或自動完成抽真空→加熱→保溫→斷電等一系列工藝過程。啟動真空系統（包括機械泵、羅茨泵、擴散泵）對加熱室抽真空，當到達工作真空度時，啟動加熱程序。金屬加熱元件通過溫控儀控制變壓器輸出產生電阻熱，利用大電流低電壓方式加熱，金屬反射屏的對熱輻射反射，熱量相對集中在加熱室內，形成一個固定范圍均勻的溫度環境，工件吸收熱量，達到工藝要求的溫度及保溫時間后，關閉加熱電源隨爐冷卻，或視工藝需求充入高純氬氣快冷，爐溫降至200 ℃以下后，關閉設備電源，出爐，完成整個工藝過程[1]。

2 真空釬焊爐結構

以ZH-200 型高溫真空釬焊爐為例，該爐為冷壁、單室臥式結構，主要由爐體、爐膽、真空系統、水冷系統、電控系統以及充氣系統組成。爐殼體按照真空容器要求設計、制造。爐體及爐門均采用雙層水冷夾套形式，內壁及法蘭采用優質不銹鋼制造，外壁采用優質碳鋼焊制，爐體內壁為保證良好的真空極限經拋光處理。爐門設計為旋轉側開，錯齒法蘭鎖圈氣動鎖緊，爐門采用橡膠圈密封，設有冷卻水進、回水管，采用軟管連接。真空系統機組主泵為DIP-20000 型擴散泵，前級泵為ZJ-600 型羅茨泵和2X-70 型旋片式機械泵，分別配有主閥、前級閥、粗抽閥及與機械泵聯動的電磁真空壓差閥，如圖1 所示。其中，真空系統的擴散泵屬于射流真空泵的一種，工作在高真空區域，以低壓高速油蒸汽流作為工作介質。泵的抽氣過程是真空系統中的氣體分子擴散到高速油蒸汽射流中，被攜帶到泵出口排除的過程，正常工作時，油蒸汽溫度將達到250 ℃以上，已超過所用油的閃點。

3 真空釬焊爐安全風險辨識分析

設備運行過程中內部同時具備高溫、真空密封的特征，存在兩方面的安全風險:①如果加熱系統失控，超溫會引起設備部件損壞、工件報廢；②高溫狀態下的異常升壓，可能導致超壓爆炸，輕者造成設備損傷，重者爐門瞬間打開，造成人員傷亡。表1 對真空釬焊爐在使用過程中出現的異常情況、原因、影響、可能導致的事故進行了分析。

4 真空釬焊爐安全控制措施

4.1 安全技術措施

為了保證真空爐的使用安全，生產廠商在設備的設計制造過程中，必須考慮關鍵部位的結構安全性、系統可靠性、應用靈活性等因素，針對真空系統和溫控系統采取的技術措施主要包括以下方面:

4.1.1 爐體及真空系統

（1）爐體采用強度高圓筒狀雙層水冷結構，選擇具有良好焊接性能的鋼板，保證爐殼的氣密性。

（2）爐門與爐體采用鎖緊齒圈進行壓緊，由氣缸傳動來完成齒圈的鎖緊與打開，并設有互鎖位置開關，保證爐門的鎖緊狀態。

（3）爐門與爐體、擴散泵與爐體、泵與泵之間以及各管路連接處均由性能完好的密封圈進行密封，用水隔層進行冷卻。

（4）閥門開關均為氣動，由電磁閥控制，當發生斷電時，所有閥門會在壓縮空氣的壓力下自動關閉，保證設備內部的真空狀態。

（5）閥門具有自鎖互鎖安全保護功能，規定了真空系統機組的開啟順序，防止誤操作帶來的閥門串氣。

（6）在抽高真空管道系統加裝一臺維持泵，保證真空機組在連續工作或預加熱擴散泵時的獨立抽氣狀態，防止因閥門轉換失誤而造成大量空氣串入擴散泵[2]。

圖1 真空爐結構示意

（7）擴散泵上增設壓力表，可以有效監控擴散泵的狀態。

（8）爐體上裝有安全閥，為防止意外情況造成爐內超壓，可及時泄壓。

4.1.2 加熱及控溫系統

（1）完好無損的溫度控制系統，包括控溫熱電偶、水冷電極、加熱元件、保溫層等。根據生產中所使用的氣氛和溫度高低，正確選擇熱電偶與加熱元件。例如，對于高溫真空釬焊爐，其設計最高溫度為1600 ℃，采用金屬鉬帶作為加熱元件，采用B 型鎧裝熱電偶進行溫度的測量與控制。

（2）B 型鎧裝熱電偶須密封結構設計，選用純度高、強度高的剛玉管。為了提高熱電偶的強度，防止陶瓷保護管破裂，可采用金屬與陶瓷復合管，兼有強度與耐溫的優點。

（3）獨立有效的超溫報警單元，若爐溫超過程序設定溫度，系統會在觸摸屏和報警燈上同時發出聲光報警，并進行關斷加熱電源等保護性操作。

（4）全面直觀的測量監控系統，設備控制程序系統設計趨于智能化、自動化，通過控制柜上的閥門按鈕指示燈、儀表器具以及控制面板，便可快捷有效地獲得爐內溫度、爐內真空、充氣壓力等各個參數的信息及狀態，具有完善的故障診斷和報警功能，方便操作者測量和監控。

4.2 安全管理措施

設備安全管理的主要目的是通過正確的使用及維護，保證安全技術措施處于功能正常完好的狀態。筆者從真空釬焊爐使用前、使用中、使用后、維護過程4 個階段提出安全管理措施。

表1 真空釬焊爐使用過程異常現象與可能導致的事故

4.2.1 使用前

（1）開啟爐門前的注意事項。打開爐門前，應首先檢查爐內壓強，并可通過壓強數值判斷爐子真空密封的完好性。如爐內壓力小于大氣壓（105Pa），應先充氣，即先松開爐門鎖圈再打開“放氣閥”，待爐內壓強達到大氣壓值，可開門。如爐內壓力大于大氣壓（105Pa），應先放氣（危險），待爐內壓強達到大氣壓值時，方可松開爐門鎖圈開門。開關爐門時，應將手放在爐門把手上，避免爐門突然彈開，發生誤傷。

（2）設備運行前的點檢。操作者根據編制的《自主維護點檢表》對金屬加熱帶、真空泵、爐內壁、真空管路等關鍵部位實施檢查，尤其是對真空爐的冷卻水循環系統進行重點檢查，包括水壓、流量是否正常，各支路是否暢通，對真空系統的壓升率進行周期性檢查，做好檢查記錄。在冷卻水系統運行狀態下檢查爐內壁，看有無濕潤點或銹蝕、裂紋等，對發現的問題及時采取維護措施，避免在長時間使用過程中使問題嚴重化。

（3）計量器具的有效性。檢查設備附屬的計量器具，如控溫儀、真空計、壓力表、熱電偶、安全閥等處于檢定合格周期內且連接正確，工作正常。

（4）爐體內部及工件的清潔度。工件入爐前，檢查爐體內部，加熱帶及隔熱屏必須干凈，不得有雜物、灰塵、油污、水等。工件也一定要保證其清潔度，表面的油污和雜質在高溫下揮發，會污染爐體和堵塞一些必要的管道，導致真空爐的損壞。對于工藝過程可能發生釬料飛濺或滴落的情況，應在物料下面放置收集板，避免釬料等直接灑落在加熱帶上。

4.2.2 使用中

（1）操作者職責。所有操作者必須持證上崗，取得設備操作證，熟練掌握真空爐操作的基本流程順序以及各按鈕代表的意義及作用。嚴格按設備作業指導書操作，按工藝規程設定工藝參數，尤其是超溫報警溫度。真空爐運行中需操作者值守監控各種閥門在工藝流程應處的正確狀態，水壓、真空度、爐溫等工藝參數的變化是否存在異常，檢查確認真空壓力表與壓力變送器數據，檢查控制柜的各項指示燈顯示正常，及時發現和處理設備報警狀態。

（2）掌握閥門手動操作順序。手動操作時，操作者需注意真空系統機組及各閥門的關啟順序。只有在被抽系統中的壓力達到羅茨泵允許啟動壓力時，羅茨泵才能開始工作，否則將會因過載和過熱而損壞。啟動擴散泵加熱前，必須先開啟機械泵及前級閥對擴散泵腔抽真空。加熱完成后，主閥未關上時，爐體放氣閥不能打開。

（3）監控冷卻水流量。真空爐在運行過程中應隨時查看冷卻水各管路的流量，尤其是擴散泵冷卻水的溫度，如果冷卻水路堵塞了，擴散泵將會過熱并喪失功能，進而引起擴散泵加熱器燒毀。正常情況下，水壓會在預定范圍內波動，如發現不流暢及時排除。某車間一臺真空電弧熔煉爐，因循環水動力供給不足，爐內局部高溫將坩堝擊穿造成漏水，發生爐體爆炸事故。通過對事故現場廠房相關的損傷情況分析，對爐子爆炸能量進行估算，估計爆炸能量相當于0.25 kgTNT 炸藥的爆炸能量。

4.2.3 使用后

（1）工件出爐。降溫過程中，待爐溫降到200 ℃以下方可停水開爐門，工件放在裝料架上冷卻或使用爐外裝載車運輸到存料區冷卻，操作者要戴厚手套，防止燙傷。工件出爐后，要盡快關閉爐門，抽真空后再順序關閉閥門、真空泵及控制電源開關，仔細檢查一遍各種閥門、控制按鈕和開關的位置，確認無誤后方可離開。

（2）設備長時間停用。設備停止使用時，應將爐內氣體抽空。長時間不用時，要充入保護性氣體，純度應不小于99.99%，但禁止使用易燃易爆和具有腐蝕性氣體作為保護氣氛；放掉水冷系統內循環水，定期給機械泵、羅茨泵換油加油。

4.2.4 維護過程

真空爐的專業維修保養，是為了判斷并排除故障，除非是有相當豐富維修經驗的人員指導，否則，要選擇真空設備專業生產廠家。

（1）更換配件。謹慎更換真空爐配件，尤其是更換不同型號的配件。一些真空爐內部的開關之間帶有互鎖功能，更換配件可能會導致互鎖功能失效。

某廠一臺真空爐進行過多次維修，其中有一次對設備進行大的改造，對控制工藝流程的部分進行了改造，將原來控制爐子工作流程的電磁閥替換成觸點限位開關，由于原電磁閥除了具備觸點開關的功能外，尚有對齒輪軸的鎖死功能，即保證在設備實施工藝流程過程中，爐門不受外力干擾而發生轉動的自保護作用，由于采用觸點開關后，這一功能喪失，將導致在一次充氣過程中，爐門發生爆開事故[3]。

（2）檢查氣密性。氣密性是保證真空狀態的前提，真空爐拆卸裝配件重新裝配時，要更換連接處的密封圈，涂抹真空脂，保證連接面的干凈度，并重新對設備進行壓升率檢查。

（3）安裝熱電偶。熱電偶檢定后，安裝前檢查型號與顯示儀表相配套，外觀完好無損、干凈干燥，導線連接緊固，謹防熱電偶連接端或熱電偶中部接觸短路的情況。安裝時檢查安裝位置與深度符合要求，同樣也要保證連接處的密封性。熱電偶重新安裝后初次使用時應重點觀察其工作是否正常。

5 結語

為防止真空釬焊爐發生超溫和超壓事故，有效開展設備日常使用管理與維護工作非常有必要。管理人員應首先掌握設備的工作原理，辨識設備各結構的安全風險，分析異常現象的成因，并吸取其他真空設備安全事故的經驗教訓，從安全技術和安全管理兩方面提出事故防范措施，力求消除設備運行異常現象，保障真空爐的可靠性以及安全性。