氦气钢瓶抽真空处理方法的探讨

2022-10-13吴平

低温与特气 2022年4期

吴平

(济宁协力特种气体有限公司，山东济宁 272000)

1 前言

氦气是一种不可再生的稀有气体，价格比较昂贵，其特殊的理化性质决定了某些用途是其它气体无法代替的。氦气一般用高压钢瓶充装，钢瓶在充装氦气前必须进行抽真空置换处理，确保钢瓶处理合格，避免造成充装后氦气质量不合格，造成资源浪费。在保证钢瓶处理质量的前提下，如何高效率的进行氦气钢瓶抽真空置换处理，对氦气充装的企业来说就非常重要。针对这一问题，设计了不同的实验，并对氦气钢瓶处理效率进行了比对分析，总结出了一种比较高效的处理方法。

2 实验部分

2.1 钢瓶和钢瓶处理设备

准备15个40 L的钢瓶，检查并确保钢瓶无漏点，用本公司自主研发的气瓶自动烘干处理设备对钢瓶进行烘干处理。该设备通过稳定可靠的PLC控制技术实现处理过程自动化，能耗低、效率高，气瓶处理合格率可达100%。保证气瓶含水量<3×10-6，避免气瓶含水量过高对气瓶抽真空造成影响。气瓶自动烘干处理装置见图1。

图1 气瓶自动烘干处理设备

所采用的钢瓶抽真空装置是本公司自主研发的，该装置通过稳定可靠的PLC控制技术实现处理过程自动化。操作人员只需更换气瓶，即可对气瓶自动进行抽真空、查漏、置换等处理，处理过程无需人员干预。真空度、置换气体压力、置换次数等参数可以根据需要进行便捷的修改设定。气瓶处理完毕后是保持真空状态还是垫气保压可根据需要进行选择。自动化抽真空置换装置见图2、处理参数设置见图3。所用的真空泵为30 L/s螺杆泵和150 L/s罗茨泵的组合泵、30 L/s旋片泵和150 L/s罗茨泵的组合泵。

图2 自动化抽真空置换装置

图3 处理参数设置

2.2 实验1

将烘干处理好的15个钢瓶内的氮气排放至微微出气，连接到钢瓶抽真空装置上进行钢瓶抽真空操作。装置处理参数中抽真空次数为2次，过程进气压力为0.5 MPa，其中最后一次选择垫气，垫气所用气体为高纯氦气。这样进行参数设置后，第一遍抽真空钢瓶底气为氮气，第二遍抽真空钢瓶底气为氦气，两遍处理过程仅仅是钢瓶底气不一样，确保了实验过程单一变量。罗茨泵的启动真空度为1000 Pa，2次抽真空中罗茨泵的启动时间分别为7 min和110 min。罗茨泵启动后每隔10 min记录一次真空度数值，实验结果见表1和表2。

表1 钢瓶底气为氮气

表2 钢瓶底气为氦气

通过比较表1和表2的数据可知，钢瓶底气为氮气和钢瓶底气为氦气，抽到相同的真空度数值所用总时间相差100 min以上，但是罗茨泵启动后钢瓶底气为氮气和钢瓶底气为氦气，抽到相同的真空度数值所用的时间基本相同。由此我们可以得出要想缩短氦气钢瓶抽真空处理的时间，关键是要缩短罗茨泵的启动时间，也就是缩短前级泵螺杆泵抽到真空度1000 Pa(罗茨泵的启动真空度)所用的时间。

2.3 实验2

罗茨泵启动之前，螺杆泵抽钢瓶中的氦气是经过罗茨泵的间隙进入螺杆泵的。罗茨泵的间隙本身就很小而氦气的密度也很小，可能是氦气不容易被螺杆泵抽走，所以用的时间就比较长。基于这方面的考虑，我们用波纹管和气动阀门将螺杆泵和抽真空汇流排直接相连。螺杆泵启动时气动阀门打开，当真空度抽到1100 Pa(1000 Pa时罗茨泵自动启动)时再将气动阀门关闭。装置改造前后见图4和图5。

图4 抽真空装置改造前

图5 抽真空装置改造后

将实验1结束后的15个钢瓶内的氦气排放至微微出气，进行钢瓶抽真空操作。装置处理参数中抽真空次数为1次，最后一次选择垫气，垫气所用气体为高纯氦气。罗茨泵的启动真空度为1000 Pa,本次实验罗茨泵的启动时间为92 min。罗茨泵启动后每隔10 min记录一次真空度数值，实验结果见表3。

表3 钢瓶底气为氦气

通过比较表2和表3的数据可知，罗茨泵启动后抽到相同的真空度数值所用的时间基本相同，真空泵改造后罗茨泵的启动时间约能缩短18 min，效果不是很理想，处理的时间仍然比较长。

2.4 实验3

螺杆真空泵的工作原理是利用两个相平行的等螺距螺杆，在泵腔中作同步高速反向旋转而产生吸气和排气的作用。两螺杆经过精细动平衡处理，由轴承支撑，安装在泵壳中，螺杆与螺杆之间有一定间隙，因此泵工作时运行平稳，相互之间无摩擦，工作腔无需工作介质。

考虑到螺杆泵的结构和工作原理，密度较小的氦气可能不太适用螺杆泵进行抽真空，采用旋片泵和罗茨泵组成的泵组处理效率有可能会比较好。

笔者用30 L/s旋片泵和150 L/s罗茨泵的组合泵对15个钢瓶进行抽真空处理，处理前将钢瓶内的氦气排放至微微出气。装置处理参数中抽真空次数为1次，最后一次选择垫气，垫气所用气体为高纯氦气。罗茨泵的启动真空度为1000 Pa,本次实验罗茨泵的启动时间为72 min。罗茨泵启动后每隔10 min记录一次真空度数值，实验结果见表4。