真空系统的故障診断与排除

姜燮昌

( 沈阳真空技术研究所   沈阳   110042 )

摘 要：本文討論了应用于真空工艺的各种真空获得技术，并提供了多年在使用和操作过程中积累的售后服务經驗。当真空装置需要维修時，系统地对故障进行分析診断和采取正确的糾正措施都是同样重要

关键词：真空获得設备；故障診断及排除

Vacuum System Fault Diagnosing and Troubleshooting

Jiang Xie Chang

( Shenyang Vacuum Technology Institute, 

Shenyang 110042 )

Abstract: The vacuum pumping technologies are discussed and it will give years of reliable service when properly applied and operated. However, when troubleshooting is required, the fault  diagnosing  and applying correct  solution  can be equally as important.

Key words: Vacuum pumping technology; fault  diagnosing  and troubleshooting

1.序言

当真空装置没有达到所要求的真空性能時，人们眼睛往往盯住真空泵，認为它是造成问题的根本原因。然而，在多数情况下真空泵本身没有问题，而是由下列因素造成：(1)  真空泵选型不当，真空泵的性能参数与真空工艺不匹配。 (2) 操作使用不当，以及与真空泵的連接出现问题，例如：抽气口和排气口管道、水的供給以及其它附属装置等都不符合泵的使用规定。 (3) 真空容器和真空管道的設計、結构和材料亦不符合真空技朮的要求。众所周知，真空泵的抽气特性是对应不同的工况，所以要根据不同的真空工艺來选择和設計不同类型和不同性能参数的真空系統。

2.关于真空获得技术

通常在真空工艺中采用的真空获得技术可以归納成二类：(1) 湿式技木  (2) 干式技术。湿式技术和干式技术区分是：当气体通过真空泵时，用户的工艺气体是否与泵内的液体相接触，湿式技木是利用液体在泵的排气口和进气口之间形成一个密封，以尽可能减少从排气口到进气口的气体返流，从而提高抽气效率。而干式技术是不存在工艺气体与泵的液体相接触。

3. 关于真空系统設計需要注意的几个问题

3.1 真空泄漏

在选定真空泵的抽速時，要考虑到真空系统都存在一定量的空气泄漏。过量的泄漏会降低真空泵对工艺气体的抽速，这种泄漏都是发生在真空管道的連接处和真空容器的連接处。

为了避免过量的空气泄漏，这里推荐真空系统中各种不同的連接方法及其工作压力范围：

3.2 判断是真空泵问题还是系统问题

为了做出正确的判断，可以在泵的入口阀门关闭的情下，测量真空泵的极限压力，如果测得的极限压力很接近制造厂给出的数据，表明问题來自于系统的漏气和放气

3.3 过高的排气压力与背压

真空泵的排气压力是一个大气压或稍为高于大气的压力，当排气压力高于一个大气压时就会造成：

(1)  泵的温度升高以及由于过热而造成泵被卡死。

 (2)  泵在运行時的电流升高，造成电机过載、跳闸等故障。

3.4 吸气口和排气口管路尺寸的选择

为了消除真空管路对真空泵性能的影响，可以根据下列原则考虑：

(1)  連接真空泵的吸气口和排气口的管路尺寸不能小于吸气口和排气口的尺寸。

(2)  为了弥补因真空管道长度而造成对真空泵抽速的影响，吸气口管路每 15 米長度，要求管道直径向上增加一挡，例如真空泵入口尺寸是 200 毫米，它与真空容器之间的管路长度是 20 米，真空泵入口管路直径应增加到 250 毫米。

3.5. 平行抽气的真空泵，彼此之间要相互隔离

許多真空装置是由多台真空泵对真空容器平行进行抽空，而且使用公用的吸气管路和排气管路。如果不工作的真空泵的吸气口和排气口沒有与正在工作的泵隔离就会导致：

(1)  正在工作的泵排出的气体会进入到不工作的泵，使不工作的泵受到污染。

(2)  正在工作的泵会对不工作的泵进行抽空，并导致不工作的泵的泵内液体返流到真空管路和容器中。

4.真空泵在真空工艺应用中发生故障的原因及糾正措施

4.1 液环泵

液环泵的性能会受到各种条件的影响，而造成真空性能的下降，例如：

(1)  密封液蒸汽压过高

液环泵通常采用水作为密封液，在一些特殊应用场合，亦可使用其它的液体。一般來説，密封液的温度愈低，其蒸汽压亦愈低，如果密封液的蒸汽压过高，当泵的工作压力接近密封液的蒸汽压時，密封液就从液态急剧蒸发成汽态( 气蚀 ) ，造成泵的抽气能力下降。为了防止泵的气蝕，根据經驗，密封液在工作温度下的蒸汽压要小于泵的工作压力  (P ₁ ) 的二分之一。

例如水的蒸汽压在15 ⁰ C 时 Pv=1769 Pa ，于是泵充許最低的工作压力

P ₁ =(2)(1769)=3538 Pa

如果泵的工作压力低于这个值，泵内就会产生汽蚀，最終使泵的叶輪遭到损坏，見啚1 所示。

啚.1 泵的叶輪由于汽蚀遭到损坏

Fig.1 Impeller damage from cavitation

当液环泵用水作为密封液時，如果直接將高温的水輸入到泵内，由于水的温度高蒸汽压亦高,当蒸汽压増加到接近泵的工作压力时，于是水就急骤蒸发，使泵的性能下降。啚 2所示的例子是：图 2 所示的例子是：当泵工作压力在 133 mbar 情况下 , 由于水温升高而造成泵的抽速衰减。从啚2中的曲线可以看出，水温在 15 ⁰ C時，泵的抽速为标称抽速，当水温升至 40 ⁰ C時，抽速己經衰减 50％，而水温到了 50 ⁰ C，抽速衰减到了 90％。  

啚 .2  泵的工作压力为 10000Pa 時，

泵的抽速随着水温升高而衰减

Fig.2 Capacity reduction as the  temperature  rises 

when operating the  pump at 10000Pa

(2)  密封液的流量不当，見啚 3 所示。

为了获得所要求的性能，每一个型号泵的密封液流量都有规定，而且必须控制在所要求流量的5 ％以内，如果流量得不到控制，就会产生下列情况： ①  假如供給泵的密封液流量过多，则泵内的液环的容积就会增加，轉子用來排除工艺气体的容积就减小，造成抽速降低和真空性能变坏。 ②  假如供给泵的密封液流量过少，则泵内液环的容积就減小，轉子和泵壳之间就形成不了密封，于是在内部产生一个从排气口到吸入口的返流，同样亦使泵的性能变环。

啚.3  液环泵的剖面啚

Fig.3 The profile of liquid ring pump

(3)  密封液被工艺气体所污染  ( 在密封液全循环系统情况下 )

工艺气体中含有可凝物---- 在抽气过程中，这些可凝物与泵内的密封液相接触時，很容易聚集在密封液中，假如这些物质的蒸汽压高于泵的工作压力就会突然蒸发成蒸汽，使泵的性能変坏。

工艺气体中含有颗粒----- 在抽气体过程中，这些颗粒会堵塞液环泵系统的管路、过滤器、热交换器、阀门等，使輸送到泵内的密封液的流量受到限制，导致泵的性能降低以及液环泵的过热。

4.2 罗茨泵（啚 4 ）

許多真空工艺装置中，在前級泵的基础上都配备罗茨泵，一是可以提高抽速，二是改善真空。然而，罗茨泵在运行过程中经常遇到下列问题：

(1)  罗茨泵在启动时由于电机过载而跳闸

国内罗茨泵的最大允許压差一般都规定在5000Pa ，其电机容量亦是根据最大允许压差來設定。例如：罗茨泵与前級泵抽速之比为 8 ： 1 ，如果罗茨泵在 2000Pa 下启动，罗茨泵压差为 8x2000Pa-2000Pa=14000Pa>5000Pa ，于是就超过它的最大允许压差，所以要根据罗茨泵与前级泵的配比來確定罗茨泵的最大启动压力。  

啚.4  罗茨泵的剖面啚

Fig.4 The profile of Roots pump

(2)  罗茨泵在运行过程中过热，甚致造成轉子被卡死

造成罗茨泵过热有二个原因：一是入口气体温度过高，因为被抽气体通过罗茨泵后，温度会进一步升高，如果泵体长時间在超过80 ⁰ C 下运行，会产生一系列故障，甚致造成轉子因热膨胀而卡死，建议当入口气体温度超过 50 ⁰ C 時，在罗茨泵上游增設热交换器。另一原因是罗茨泵排气侧的压力过高，特别是当前級泵为液环泵時，如果液环泵的密封液被工艺气体污染，产生高的蒸汽压，则罗茨泵长时间在高压差运行，就会导致过热。

(3)  前級泵的液体倒流到罗茨泵的泵腔内

这种现象在罗茨水环机组中常有发生。因为在停水环泵時，雖然罗茨泵己經停止运轉，但罗茨泵仍处于真空状态，水环泵的水就会返流到罗茨泵的泵腔内，甚致通过迷宮密封进入油箱，使油乳化，轴承损坏。因此在停水环泵前，必须从水环泵的入口充入大气，而且充气時间必须在水环泵停止运轉以后继续维持30 秒。

4.3 油封滑阀泵 / 旋片泵

油封滑阀泵和旋片泵在运行过程中常见问题如下：

(1)  启动時皮带尖叫声 / 启动电流过大

产生这个问题的原因有： ① 皮带張力不当，主要是皮带太鬆，可以通过启动泵來調整皮带的張力，见啚5 所示。 ② 由于油温过低，油的粘度太大。如果油温低于15 ⁰ C ，就必须对油进行预热，以降低的油的粘度。 ③ ) 滑阀泵停車程序不当，假如泵在真空状态下停車，那么泵油会返回到泵腔内，造成再启动团难。所以滑阀泵在停車前，必须从泵口充入大气，并維持 20 秒，用较大的气流将泵腔内的油打入到油箱。

啚.5調整皮带张力。

① ② 皮带輪， ③ 太紧， ④ 4.太鬆， ⑤ .正确

Fig.5 V-belt Tensioning

（2  泵達不到所要求的极限压力 / 油乳化

通常油封真空泵达不到所要求的极限压力的原因是由于； ① 所使用的油不符合厂商的要求， ② 可凝性的蒸汽聚集在油内。

首先要选择真空泵厂商推荐的油，因为真空泵油必须具有足够低的蒸汽压，而且这个蒸汽压必须低于泵的极限压力，假如使用高的蒸汽压油來代替，当泵達到极限压力時，油会突然蒸发，导致极限压力升高。

許多工艺，例如真空干燥，被抽气体中都含有湿气，当它进入到处于大气压下的油箱時就会冷凝在泵油内，結果油被乳化。当被泠凝的液体和泵油在泵腔内( 在真空下 ) 循环時，就会蒸发成蒸汽状态，造成高的极限压力。为了改善极限真空，可以采取下列措施。 ①. 在真空工艺停止的情况下，打开泵的气镇阀，訨真空泵运行15----30 分钟，用进入的空气來剝离泵油内的湿气。 ②. 一旦油被嚴重乳化，就必须及时换油，否则会导致泵的磨损和发热，降低泵的寿命。

（3 ）泵油返回到真空容器和管路内 ( 啚 6 )

这是因为泵在停机以前没有向泵内充入大气，由于压差原因而造成的返流。所以在停机前，必须从泵的入口充入大气，破坏泵的入口真空，而且充气时间不小于20 秒，利用大气的气流將泵腔内的油打入到油箱。              

啚.6 油封滑阀泵结构啚

Fig.6 Structure of  rotary  piston pump

（4 ）排气口出现大量油雾。

油封机械泵在运行过程中排出大量油雾的原因： ① 泵连续在高的入口压力下运行。油封真空泵连续运行的入口压力通常规定是<1300Pa ，假如高于这个值，高密度的气流会將大量的油带入到减雾器，当超过了它的过滤能力時，造成大量油雾排出到泵外。为了改善这种情况，就需要选择适当容量的泵，以降低泵的入口压力。 ② 另一种可能是减雾器的滤芯纡维己经分离，导致油雾直接从泵排出，这就需要更换滤芯。

4.4 干式螺杆真空泵

干式螺杆泵通常遇到的问题是应用和操作不当

（1 ）过热和卡死

干式螺杆泵对外界的各种条件是非常敏感，通常造成过热的原因如下： ① 冷却水的流量不夠/ 泠却水的温度过高。由于螺杆真空泵内部温度很高，它对于冷却水的流量和温度的要求比较严格，如果流量和温度不符合制造厂家的规定，会导致泵的过热和卡死。 ② 入口气体温度过高。因为螺杆泵内部没有吸收热量的液体，根据干式螺杆真空泵的設計，其泵的内部温度是在110 ⁰ C 到 260 ⁰ C 之间，所以厂家都规定了泵的最高入口温度，一般不允许超过 70 ⁰ C ，如果忽略了这个问题，就会导致泵的内部温度过高，甚至泵被卡死。 ③ 与罗茨泵的配比不合理。在螺杆真空泵与罗茨真空泵选型过程中，有些参数是必须考虑的，其中最主要的是干式螺杆泵与上游罗茨真空泵的配比，亦就是容积流率之比

SR=V ₁ /V ₂

 V ₁ /V ₂ =P ₂ /P ₁

V ₁     罗茨泵容积流率

V ₂     螺杆泵容积流率

P ₁     罗茨泵的入口压力

P ₂     螺杆泵的入口压力

SR     級比

由于V ₁ 通常大于V ₂  ,  所以 P ₂ 大于P ₁ ，当气体通过罗茨泵以后，其排出的气体温度会升高，当进入螺杆泵的气体温度超出允许值后，就会造成泵的过热甚致卡死。为了可靠起见，一般SR 取 2 — 4 之间。

（2 ）电机电流过高。

造成这个问题的原因有： ① 过高的排气压力( 背压 ) 。 ② 由于冷却水和入口气体温度过高，而造成螺杆之间的相互接触。 ③ 工艺物质堆积在泵内

上述 ① 和 ② 己经在前面討論过，现在重点討論工艺物质堆积问题。众所周知，许多真空工艺都含有化学物质，它们在高温下具有粘性，很容易堆积并烧結在螺杆的表面，见啚7 所示，当堆积的厚度不断增加時，就会在螺杆与螺杆之间出现一个零间隙，造成相互接触，于是在泵軸上产生一个附加扭矩，导致泵的运行电流增加。

关于工艺物质堆积问题的解决方案，可以作如下选择：方案1 在螺杆泵的上游設置分离罐或过滤器。方案 2 用水蒸汽冲洗。方案 1 对于延长泵的寿命是非常有利，然而这些过滤器是很昻贵，亦需要經常维护，另外当过滤器堵塞時，会导致螺杆泵对容器的有效抽速下降。方案 2 用水蒸汽冲洗，虽然无需过滤器，但操作不当，亦有可能造成对泵的损害和不能確保冲洗后的效果。冲洗時，泵要停止运行，关闭泵的入口阀门，打开泵的排气口，从泵的入口通入水蒸汽，直到螺杆泵可以灵活轉动为止。冲洗完成后，螺杆泵仍需空轉运行 20 分钟，使泵腔内部始终保持干燥狀态。           

啚.7 工艺物质堆积在螺杆表面

Fig.7 Process build-up on surface of screw

5. 結論

随着真空技术的迅速发展，真空应用领域愈来愈宽，而且有些应用场合如：半导体、光伏产业、化工、制药等领域，它的工作条件十分苛刻。所以真空工作者必须根据不同的真空工艺來选择和設計不同类型和不同性能参数的真空系統。当真空系统出现故障時，对故障进行分析、诊断和釆取正确的纠正措施同样亦是十分重要。

参考文献

（1 ）姜燮昌，真空获得技术面临的挑战与对策 〔 J 〕.真空，2007(2)：1-7.

（2）Kinney KLRC Series Liquid Ring Vacuum Pump Manual [Z]，2004.

(3) JB/T 7674 罗茨真空泵标准，2005.

(4) Kinney KT Rotary Piston Pump Manual [Z] ，2008.

（5）姜燮昌，螺杆真空泵的特点与应用 〔 J 〕.真空，2013(2)：1-7.

作者简介：姜燮昌 (1933--) ，上海市人，教授級高工。原中国真空学会副理事长，原机械工业部总工程師。