大型高真空容器的气体负荷分析

随着科学技术的进步,某些用途的真空装置向大型化、高真空度的方向发展。如容积2000m3,极限真空度达10-3Pa的真空装备业已建造完成。相对于常规真空设备,如此大型的真空容器在设计理论、分析方法、制造工艺技术及测试评价数据等方面可参考的资料非常有限。因此,有必要逐步开展一些分析研究工作为工程实践提供支持。气体负荷是确定真空装备技术指标,进行系统和工艺设计及质量控制的基础,本文针对大型高真空容器的材料出气、蒸发或升华的气体、渗气和漏气进行了分析。1真空系统抽气方程真空系统的任务就是要抽除真空容器内的各种气体,使容器内建立起满足一定要求的真空环境。根据动态平衡关系,真空系统抽气方程[1]为:Vdpdt=-Sep+Qf+Qs+Qz+Ql(1)其中:Se真空系统对容器的有效抽速,m3/sp容器内压力,PaQf放气流量,Pam3/sQs渗透气流量,Pam3/sQz蒸气流量,Pam3/sQl漏气流量,Pam3/s由式(1)可见,在粗真空和低真空抽气时,容器内原有的空间大气Vdp/dt是主要气体负荷。随着容器中的压力降低,进入高真空阶段后,dp/dt变得很小,主要的气体负荷为放气流量、渗透气流量、蒸气流量和漏气流量,可统一表示为Q。当到达极限压力时,dp/dt=0,p=Q/Se,说明在高真空下,系统的极限压力由Q和S决定。可见,准确的估算气体负荷Q对于大型真空系统的设计、制造具有重要意义。但由于气体负荷受材料、结构、表面加工、温度、清洗工艺等诸多因素的影响,很难准确计算。对于各种用途的常规真空装备,可得到的数据或可参考的类似设备较多,分析计算方法也已成熟,可确保合理的实现设计目标。而对于2000m3量级的大型高真空装备还需要结合工程实践进行必要的分析和研究。2放气流量2.1放气流量计算容器抽空后,暴露于真空下的各种材料构件的表面将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来,称为放气。材料的放气速率除了与材料本身的性质有关外,还受温度、时间、材料的制造工艺、储存状况、预处理工艺(如清洗、烘烤、气体放电轰击、表面处理等)等因素影响。放气流量可以依据材料放气率实验数据计算,但放气率随暴露在真空下的时间而变化,实验数据仅对应有限的时间点且现有参考数据一般是在25h以内。另外,某种材料的出气速率可表示为时间的函数:qt=q1t-(2)其中:q1抽空1h的放气速率,Pam3/(m2s)t抽气时间,h出气速率的衰减系数,一般对金属材料1暴露在真空下的所有材料的出气速率之和就是总的放气流量。2000m3的真空球罐直径约为15.7m,内部表面积约为775m2,放气主要来自于罐体结构材料。罐体大,质量重,罐壁需要承受较大的机械强度,设计中可采用S30408(06Cr19Ni10)不锈钢。表1中给出了几种预处理条件下的放气流量,其中q1取与S30408相近的1Cr18Ni9Ti不锈钢的数据[2]。表1几种处理条件下的放气量Table1Outgassingquantityunderseveralprocessingconditions2.2放气流量分析在常规的超高真空系统中,常通过真空除气加速材料表面的放气以在较短时间内获得较高的真空度[3]。烘烤是最常用的手段,但对于2000m3量级的大型容器,实施高温烘烤存在许多技术和成本上的困难。另外,考虑大型容器随温度变化而产生的应力和变形也不建议采用高温烘烤进行除气。其它如电子束或离子束轰击等方式对如此大型的容器也不具备技术和经济上的可行性。因此,在大型真空容器的放气流量分析中应主要考虑常温状态。预处理工艺对减少结构材料表面放气的影响显著。