氦氣鋼瓶抽真空處理方法的探討

吳 平

(濟寧協(xié)力特種氣體有限公司，山東 濟寧 272000)

1 前 言

氦氣是一種不可再生的稀有氣體，價格比較昂貴，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。在保證鋼瓶處理質(zhì)量的前提下，如何高效率的進行氦氣鋼瓶抽真空置換處理，對氦氣充裝的企業(yè)來說就非常重要。針對這一問題，設(shè)計了不同的實驗，并對氦氣鋼瓶處理效率進行了比對分析，總結(jié)出了一種比較高效的處理方法。

2 實驗部分

2.1 鋼瓶和鋼瓶處理設(shè)備

準(zhǔn)備15個40 L的鋼瓶，檢查并確保鋼瓶無漏點，用本公司自主研發(fā)的氣瓶自動烘干處理設(shè)備對鋼瓶進行烘干處理。該設(shè)備通過穩(wěn)定可靠的PLC控制技術(shù)實現(xiàn)處理過程自動化，能耗低、效率高，氣瓶處理合格率可達100%。保證氣瓶含水量<3×10-6，避免氣瓶含水量過高對氣瓶抽真空造成影響。氣瓶自動烘干處理裝置見圖1。

圖1 氣瓶自動烘干處理設(shè)備

所采用的鋼瓶抽真空裝置是本公司自主研發(fā)的，該裝置通過穩(wěn)定可靠的PLC控制技術(shù)實現(xiàn)處理過程自動化。操作人員只需更換氣瓶，即可對氣瓶自動進行抽真空、查漏、置換等處理，處理過程無需人員干預(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)需要進行選擇。自動化抽真空置換裝置見圖2、處理參數(shù)設(shè)置見圖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 自動化抽真空置換裝置

圖3 處理參數(shù)設(shè)置

2.2 實驗1

將烘干處理好的15個鋼瓶內(nèi)的氮氣排放至微微出氣，連接到鋼瓶抽真空裝置上進行鋼瓶抽真空操作。裝置處理參數(shù)中抽真空次數(shù)為2次，過程進氣壓力為0.5 MPa，其中最后一次選擇墊氣，墊氣所用氣體為高純氦氣。這樣進行參數(shù)設(shè)置后，第一遍抽真空鋼瓶底氣為氮氣，第二遍抽真空鋼瓶底氣為氦氣，兩遍處理過程僅僅是鋼瓶底氣不一樣，確保了實驗過程單一變量。羅茨泵的啟動真空度為1000 Pa，2次抽真空中羅茨泵的啟動時間分別為7 min和110 min。羅茨泵啟動后每隔10 min記錄一次真空度數(shù)值，實驗結(jié)果見表1和表2。

表1 鋼瓶底氣為氮氣

表2 鋼瓶底氣為氦氣

通過比較表1和表2的數(shù)據(jù)可知，鋼瓶底氣為氮氣和鋼瓶底氣為氦氣，抽到相同的真空度數(shù)值所用總時間相差100 min以上，但是羅茨泵啟動后鋼瓶底氣為氮氣和鋼瓶底氣為氦氣，抽到相同的真空度數(shù)值所用的時間基本相同。由此我們可以得出要想縮短氦氣鋼瓶抽真空處理的時間，關(guān)鍵是要縮短羅茨泵的啟動時間，也就是縮短前級泵螺桿泵抽到真空度1000 Pa(羅茨泵的啟動真空度)所用的時間。

2.3 實驗2

羅茨泵啟動之前，螺桿泵抽鋼瓶中的氦氣是經(jīng)過羅茨泵的間隙進入螺桿泵的。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，所以用的時間就比較長。基于這方面的考慮，我們用波紋管和氣動閥門將螺桿泵和抽真空匯流排直接相連。螺桿泵啟動時氣動閥門打開，當(dāng)真空度抽到1100 Pa(1000 Pa時羅茨泵自動啟動)時再將氣動閥門關(guān)閉。裝置改造前后見圖4和圖5。

圖4 抽真空裝置改造前

圖5 抽真空裝置改造后

將實驗1結(jié)束后的15個鋼瓶內(nèi)的氦氣排放至微微出氣，進行鋼瓶抽真空操作。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。羅茨泵的啟動真空度為1000 Pa,本次實驗羅茨泵的啟動時間為92 min。羅茨泵啟動后每隔10 min記錄一次真空度數(shù)值，實驗結(jié)果見表3。

表3 鋼瓶底氣為氦氣

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

2.4 實驗3

螺桿真空泵的工作原理是利用兩個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)過精細動平衡處理，由軸承支撐，安裝在泵殼中，螺桿與螺桿之間有一定間隙，因此泵工作時運行平穩(wěn)，相互之間無摩擦，工作腔無需工作介質(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比較好。

筆者用30 L/s旋片泵和150 L/s羅茨泵的組合泵對15個鋼瓶進行抽真空處理，處理前將鋼瓶內(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。羅茨泵的啟動真空度為1000 Pa,本次實驗羅茨泵的啟動時間為72 min。羅茨泵啟動后每隔10 min記錄一次真空度數(shù)值，實驗結(jié)果見表4。

表4 鋼瓶底氣為氦氣

通過比較表2、表3和表4的數(shù)據(jù)可知，羅茨泵啟動后抽到相同的真空度數(shù)值所用的時間相差不大，前級泵為旋片泵，羅茨泵的啟動時間約能縮短38 min，效果比較明顯，但是與底氣為氮氣所需7 min相比羅茨泵的啟動時間仍然太長。

2.5 實驗4

經(jīng)過查閱有關(guān)螺桿泵方面的資料并咨詢螺桿泵廠家得知，氦氣密度比較小，氦氣會在螺桿間隙中循環(huán)，不能及時排出，所以造成抽真空時間比較長?？梢韵蚵輻U泵排氣側(cè)的氣鎮(zhèn)閥通入一定量的氮氣或者氬氣使氦氣能夠被及時排出，達到縮短抽真空時間的目的。見圖6。

圖6 氣鎮(zhèn)閥通入氬氣

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

將實驗3結(jié)束后的15個鋼瓶內(nèi)的氦氣排放至微微出氣，進行鋼瓶抽真空操作。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。羅茨泵的啟動真空度為1000 Pa,本次實驗羅茨泵的啟動時間為15 min，僅比底氣為氮氣處理時間長了8 min，實驗結(jié)果比較理想。

螺桿泵啟動后通入氬氣，氬氣會不會反流進入待處理的鋼瓶內(nèi)影響鋼瓶處理的質(zhì)量？為此對處理完的墊入高純氦氣的15個鋼瓶進行全面分析，分析

結(jié)果表明15個鋼瓶內(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影響鋼瓶的處理質(zhì)量。

3 結(jié) 語

1.同一排氦氣鋼瓶的處理時間主要取決于羅茨泵的啟動時間，羅茨泵啟動后鋼瓶內(nèi)無論是氦氣介質(zhì)還是氮氣介質(zhì)，抽到相同的真空度數(shù)值所用時間相差不大。

2.相同條件下對氦氣鋼瓶進行抽真空，旋片泵要比螺桿泵所用的時間短。

3.螺桿泵啟動后，通入一定量氬氣可以大大縮短氦氣鋼瓶抽真空時間，提高氦氣鋼瓶的處理效率，同時對鋼瓶的處理質(zhì)量不會造成任何影響。

4.氦氣鋼瓶抽真空處理方法同樣適用于氫氣鋼瓶。