試驗臺架獨立抽空和自動吹洗系統的研制

王 旸

（核工業理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

圖2 系統獨立抽空和自動吹洗改造局部示意圖Fig.2 Partial schematic diagram of system independent evacuation and automatic flushing renovation

本院某考核試驗系統設計結構，包含兩組考核樣機，若按照傳統方式布置，一般安裝在供收料管線兩側，從而最大程度地利用空間。該考核系統應用于新機型研制階段，可實現一組樣機（A 組）用于計劃進行長期運行考核，另一組樣機（B 組）進行多批次的更換考核。如圖1 所示，其中B 組樣機更換考核設備時，延續常規技術路線進行拆機需要完成4 步操作。包括機器全部停機，停機后系統8次的吹洗，吹洗結束后對B 組樣機拆機，A 組樣機重新啟動。其中拆除B 組樣機時，A 組必須陪同停機，整個B 組樣機拆除操作時長約42h，其中需要人工操作和監控的時長為18h。因此，從提高工作效率的角度，本文研制了一套帶有獨立抽空和自動吹洗系統的試驗臺架，用于減少試驗過程中人工操作和監控的時長。

圖1 各組樣機試驗操作時長示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test operation time of each group of prototypes

1 考核試驗系統現狀分析及模擬試驗

1.1 考核試驗系統現狀分析

實驗過程中人工操作和監控的時長主要集中在A 組樣機重新啟動，以及階梯供料和B 組反復吹洗的時長。針對以上3 個操作環節，具體分析耗費長時間操作的主要原因。首先，目前試驗系統運行現狀為A 組和B 組共用1 套供收料管線和抽空管線。因此，A 組B 組需要同時停車后，A組機器才可重新啟動；其次，根據《新型樣機工藝操作規程》要求，B 組樣機停車需要占用較長時間，A 組樣機重新啟動后必須進行臺階供料；最后，在B 組停機后，機器解體前吹洗去污是必不可少的環節，并且嚴格按照操作規程，完成氮氣的充入與抽空，其標準操作為充氣壓力要求100hPa，充氣速度不大于300Pa/s，抽空壓力10Pa，重復8 次。最終確定吹洗的實際操作時長約6h，其中占用人工資源現場操作總時長3h，重復操作較多，因此有自動化提升的可能。

為此提出了改變系統現狀的初步設想：設計兩套獨立供收料管線以及抽空管線，并增設自動吹洗系統。但由于獨立抽空功能能夠解決A 組陪同停機的問題，而兩套獨立供收料管線成本將增加數十萬，因而最終確定解決方案為增加獨立抽空功能和設計自動吹洗系統，突破現有試驗系統操作的局限性。根據解決方案確定實際目標為將原有系統更換設備的人工操作時長約18h，通過新系統的研制可以保證機器不停機條件下，將時間降低至2h。

1.2 樣機考核運行模擬試驗

針對需要解決的問題進行了試驗模擬，首先是系統獨立抽空功能的試驗模擬。試驗過程為A 組在原系統管線考核，B 組使用移動泵組模擬獨立抽空線路。在原有設定操作環節中，可實現B 組機器獨立抽空停車，A 組機器不停機情況下0.5h 內完成直接供料至額定工況繼續考核。接下來是手動吹洗模擬試驗，在試驗管線初始狀態檢查無誤后，操作人員進行手動操作測試，期間監控管線壓力，完成氮氣的吹入和抽空，重復操作8 遍共用時6h，其中需要人工現場監控，操作時間3h。設想設備與吹洗管線連通后，使用自動控制取代人工操作及監控，預計將整個吹洗過程的人工操作時長可縮減至1.5h。通過以上模擬試驗和自動控制設想，可以看出增加獨立抽空管路后，人工參與操作的恢復樣機供料時長縮減至0.5h，累加樣機自動吹洗作業中人工參與時長，整個試驗的人工操作時長可縮減至2h，因此目標值可行。

2 技術改進措施

2.1 改造方案

首先針對獨立抽空系統，建立獨立抽空管線與臺架連接。一種改進方案是在臺架供料端另一側安裝，另一種方案是從供料端同側安裝。由于同側安裝管線復雜，難于實現將抽空線從供料線分離出來，因而選擇在另一側安裝抽空線，且加裝控制閥門與樣機相連。其次，自動吹洗系統，借鑒氣體流向原理和編程控制程序，滿足抽空不同階段對速度要求的不同，設計了帶限流裝置和不帶裝置的兩條管線，同時考慮到閥門損壞時需要手動切換線路，因此構思出了抽空線路的改造設計方案。

2.2 確定細化方案

根據設計方案分解確定細化方案，其中包括管徑、氣源、自動閥門、閥門鏈接方式，控制系統、限流裝置、抽空泵、測量計、管道材質，是否有獨立支撐10 個部分。

第一，氣源的選擇。氮氣（N2）[1]通常狀況下是一種無色無味的氣體，在標準大氣壓下，冷卻至-195.6℃時，變成無色液體即液氮，冷卻至-218.8℃時，液態氮變成雪狀的固體。氮氣的化學性質很穩定，常溫下很難跟其他物質發生反應。對比罐裝氮氣和液氮儲罐，液氮的優點為：首先是制備簡單，成本低廉；其次是液氮運輸安全，使用方便，而且液氮的降溫能力強。因此綜合考慮，選擇液氮作為氣源。

第二，閥門的優選。自動閥門是自動吹洗設備中的關鍵零件，針對氣動閥門和電磁閥門進行試驗篩選。首先，氣動閥門需要通過壓空線中的氣體對閥門進行控制，然后通過氣缸里的活塞上下運行帶動閘板打開和關閉閥門，而電磁閥門通過控制器按設定的通信協議傳輸信號對閥門的通斷進行控制，并可以實現閥門正常的通斷和對異常誤動作情況進行指示燈指示和報警。針對兩種不同工作原理的閥門，通過斷電試驗測試閥門斷電后的開關狀態，均可達到要求。再次，通過低溫試驗驗證了短時低溫狀態對閥門無影響，最終根據試驗結果選擇采用價格便宜，斷電可以閉合的電磁閥門。

第三，閥門連接器選擇。閥門連接一般有承插焊、螺紋連接、KF 接口等方式，選擇閥門連接方式時必須注意兩個要點：首先是閥門和管道間安裝空間的限制，其次是連接器密封性的保證。通過對比優選，選擇了滿足安裝漏率小于1.3×10-7（Pa·L/s），同時更方便拆裝的KF 連接口。

第四，控制器的選擇。工控機式的保護與自動化有很多優越性，基于不同系列工控機和嵌入式視窗操作系統，可實現中小型試驗系統的微機保護和自動化功能。工控機式保護裝置的保護實現方法和基于單片機的繼電保護裝置有很大的區別，工控機的控制形式經過動模實驗表現出很好的抗干擾能力，運行穩定可靠，還具有用戶界面友好直觀，處理分析試驗數據的功能齊全等優點。因此，選擇了可編程靈活且能實現吹洗工藝流程的工控機作為該試驗系統的控制器。

第五，限流裝置的選擇。限流裝置在試驗系統中的作用是限制流體的流量或降低流體的壓力，一般選用限流孔板安裝至系統管道內。該類限流孔板為同心銳孔板，流體通過孔板產生壓差，流量隨壓差增大而增大，但當壓差超過一定數值，即超過臨界壓差時，即使壓力增大，流量也將維持一定的數值不再增加。因此，根據限流孔板的原理選定適合吹洗充氮抽空速度要求的孔板孔徑作為限流裝置。

第六，測量計的選擇。應用于該試驗系統中對壓力的精密測量需要較高的要求，所需的壓力傳感器是測量管道氣體的表壓、絕對壓力、負壓和壓差，也就是必須提供試驗中吹洗作業時以高純氮氣為工作介質，用測量的量程更廣的測量計來測量管道壓力。因此，該試驗裝置選壓力真空計[2]來測量管道壓力。使用時壓力最高可達到數兆帕，滿足試驗需求。

第七，管徑的選擇。由于系統建設空間所限，只針對DN15 和DN25 管徑進行對比選擇，基于流體力學理論導出等溫氣體管道壓降計算模型和公式，理論計算帶有彎頭和閥門的水平或垂直管道流動的壓降差，通過計算最終選擇壓降[3,4]更小的DN25 的管道。

第八，抽空泵的選擇。試驗中的吹洗作業需要應用抽空泵組將管道內充入的氮氣抽空，并保證管道壓力在10Pa以內，而單一種類的真空泵不能完全適用該試驗系統的極限抽空要求，因此根據要求的工作壓強范圍和條件選用了不同類型的真空泵組成機組，即應用羅茨泵和璇片泵的組合泵作為本次試驗系統的抽空設備。

第九，管道材質優選。通過對比相同公稱直徑且符合屈度等性能要求的各種管材，科學評分后進行由高到低的排序，最終找到適合該試驗系統具有更耐腐蝕的不銹鋼作為管道材料。

第十，支撐的選擇。獨立抽空的系統有6 個DN25 手動閥門，手動閥門的重量是35.09kg，通過利用ANSYS軟件[5]對抽空系統管道關鍵部位進行靜力分析和模態分析，分析其變形情況、受力情況。軟件仿真結果表明，該抽空系統的關鍵部位的強度遠遠超出其承受能力，最終確定對獨立抽空系統設計獨立支撐。

3 改進措施實施效果

根據細化的改造方案，完成具體的實施效果。

實施效果1：設計管道圖紙，選用管材實現系統管道搭建。具體操作是選用CAD 和犀牛繪圖軟件設計管線圖。根據管線圖定制符合設計要求的不銹鋼材料管道，保證尺寸合格，并按照設計圖紙完成安裝，系統管線安裝完畢后使用探漏儀進行探漏，探漏合格。

實施效果2：制作支撐架，與獨立抽空系統連接，實現管道受力點支撐。具體操作是設計獨立支撐圖紙后，使用ANSYS 軟件進行受力分析，最后完成支撐架的現場安裝，安裝完成后測試水平度達標，受力點均勻。

實施效果3：安裝真空計，實現管道壓力值的實時監測。具體操作是真空計按照設計圖紙安裝，并使用儀表和現場系統檢查是否工作正常，最終通過管道壓力監控判斷信號輸出穩定，探漏合格。

實施效果4：安裝KF 接口的電磁閥門，并加裝簡易孔板，保證閥門漏率合格，不過流。具體操作是選擇電磁閥門連通孔板閥門連接口，并按圖紙要求安裝，安裝前對閥門進行探漏和過流檢查，安裝后檢查電磁閥門符合工藝要求，并可以根據接收信號進行開關，漏率合格。

實施效果5：在工藝流程轉化正確條件下，完成工控機安裝調式，工控機安裝完成后，實現工控機與閥門的通訊，確保閥門開關控制正確。具體操作是安裝工控機時，對工控機的控制系統進行編程，實施后檢查程序能接收信號，按吹洗工藝流程執行閥門正確動作。

圖3 系統改造過程樹圖Fig.3 System transformation process tree diagram

圖4 系統管線搭接流程圖Fig.4 Flow chart of system pipeline connection

實施效果6：選擇合適真空泵組，并按照圖紙完成安裝，實現運行平穩，達到抽空要求。具體操作是選擇極限抽空達到10-2Pa 重級的WAU251/D40B 的真空泵組，將選好的泵組按圖紙接進系統。檢查泵運行平穩，啟動后抽空線壓力達到5Pa。

實施效果7：銅管連接液氮，實現液氮跟系統連接。具體操作是將液氮用銅管跟電磁閥門連接好，保證液氮不會從連接處漏出。

4 效果檢查總結

圖5 系統改進后各組樣機試驗操作時長示意圖Fig.5 Schematic diagram of the test operation time of each group of prototypes after the system improvement

系統完成后，通過測量實際操作的人工用時來驗證實施效果。優化系統前，人工操作時間是3 個階段，包括B組停車前的抽料，B 組樣機停車后的吹洗作業，以及A 組樣機陪同停車后再次啟動和階梯供料，累計共18h。通過獨立抽空管線節省了A 組樣機啟動環節，且A 組樣機卸料后進行供料時不必分臺階進行，只需0.5h 就可直接恢復考核工況，同時自動吹洗系統將人工干預時長縮短至1h。人工干預總時長1.5h，目標達成。該實施效果有效降低了工作人員勞動強度，并在一定程度上實現了自動化作業，同時保證了臺架試驗的可靠性和穩定性越來越好。