CC BY
0Виды соединений в вакуумной технике
Кондратьев Александр Владимирович
ведущий инженер, Институт ядерной merlin3000@ngs.ru
физики им. Будкера,
Вакуум широко используется в самых разнообразных отраслях промышленности и науки. Не являются исключением и криогенные системы, для которых вакуумное оборудование стало неотъемлемой составной частью. Например в криогенике вакуум используется, прежде всего, для целей изоляции [1]. Также вакуум является рабочей средой для многих других технологических процессов. Вакуумные уплотнения - категория специальной арматуры, которая обеспечивает плотное прилегание деталей оборудования друг к другу, обеспечивая герметизацию соединительного узла. Эти элементы применяются в вакуумных системах во многих областях - научные установки (ускорители-накопители заряженных частиц, плазменные установки, электронные микроскопы), медицине (рентген установки, томографы), промышленности (вакуумный отжиг металлов, вакуумная плавка металлов, вакуумная сушка различных материалов, производство керамических композитов, вакуумное напыление, вакуумная упаковка продуктов), в микроэлектронике. В статье рассмотрены различные виды вакуумных соединений - разъёмные, неразъёмные, подвижные. Описаны наиболее часто применяемые на практике виды разъёмных уплотнений, их основные преимущества и недостатки в зависимости от условий в которых они используются - уровня давления в вакуумной системе, рабочих температур, наличия химически активных сред. Описан вид медного уплотнения, позволяющий снизить затраты на изготовление медных уплотнительных колец. Ключевые слова: вакуум, вакуумные уплотнения, вакуумные соединения, полимерные уплотнители, металлические уплотнители, проволочное уплотнение.
Виды вакуумных соединений
В вакуумной технике используется большое количество видов уплотнений для соединений, используемых в зависимости от условий и требований к установке, таких как предельное давление, температурные режимы, частота разъединения (например люк вакуумной камеры на электронных микроскопах разъединяется часто, а вакуумная система ускорительной установки зачастую не разъединяется многие годы), специфика работы установки (например наличие ионизирующего излучения).
"В технике вакуумом называется состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Единицей измерения давления в системе СИ является 1 Па. В зависимости от значения давления различают вакуум низкий, средний и высокий. Низкий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда, существенного для рассматриваемого процесса (Л Низкому
вакууму обычно соответствует область давлений от 105 до 100 Па. Средний вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул соизмерима с характерным линейным размером (Л = L). Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па. Высокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул значительно превышает характерный линейный размер (Л Высокому вакууму обычно соответствует область давлений от 0,1 до
10"6 Па.
Сверхвысокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Сверхвысокому вакууму обычно соответствует область давлений
менее 10"6 Па. Необходимость вакуума надо рассматривать, исходя из требований для протекающих процессов." [2]
со см о см
О Ш
т
X
3
<
т О X X
Вакуумные системы бывают рассчитаны на низкий вакуум, средний, высокий, и сверхвысокий (табл. 1).
Таблица 1
Виды вакуума Па т°рр
Низкий (форвакуум) >100 >25
Средний 100...0,1 25.10~3
Высокий 0,1...10"6 10~3 ...10~9
Сверхвысокий 10~6 < 10-9 <
Соединения для вакуумных систем бывают разъёмные, неразъёмные, и подвижные.
"В разборных вакуумных соединениях необходимо обеспечить герметичность стыка двух соединяемых деталей, близкую к герметичности сплошного материала. В месте соприкосновения двух деталей в результате механической обработки всегда остаются микронеровности, которые затрудняют получение вакуумно-герметичного соединения. Герметичность может быть достигнута значительно легче, если в зазор между соеди-
няемыми материалами поместить уплотнитель, вязкость которого достаточна для заполнения неровностей при контактных напряжениях, значительно меньших предела упругости основных соединяемых материалов
К разным вакуумным соединениям предъявляются следующие требования: минимальное натекание и газовыделение; механическая прочность; термическая стойкость — способность выдерживать многократные прогревы без нарушения герметичности; коррозионная стойкость; максимальное число циклов разборки и сборки с сохранением герметичности; удобство ремонта и технологичность в изготовлении; возможность лёгкой проверки на герметичность." [3]
Неразъёмные вакуумные соединения
Неразъёмные соединения бывают сварные, паяные, и клеевые. Такие виды соединений применяются в случае если разнимать элементы либо не требуется совсем, например если крупный элемент вакуумной системы был разделён на меньшие элементы с целью транспортировки, либо если разнимать элементы требуется крайне редко или только в аварийных случаях. Примером неразъёмного соединения может быть сварное соединение на тарельчатых фланцах (рис.1)
Рис. 1 Примеры прямоугольного и круглого неразъёмного соединения
В случае если необходимо такое соединение разнять -сварной шов по контуру фланцев опиливается вручную, и, после проведения необходимых работ, обваривается снова. Диаметр фланца при этом значительно уменьшается, и он способен выдержать лишь несколько таких процедур.
Паяное соединение имеет преимущество перед сварным, так как его можно распаять и спаять обратно большее количество раз. Однако надёжность таких соединений не велика, термостойкость не очень высокая, и для высоковакуумных соединений его применять нежелательно.
Клеевые соединения практически не способны выдерживать нагрев, а получение высокого вакуума на системе с клеевыми соединениями невозможно, из за высокой проницаемости клея и повышенного газообразования и малой долговечности, особенно в установках с ионизирующим излучением.
Наиболее разнообразные виды уплотнителей используются в разъёмных соединения. Они бывают двух видов:
1. Полимерные - резиновые, силиконовые, фторопластовые;
2. Металлические - медные, индиевые, свинцовые, алюминиевые, серебряные, золотые, никелевые и композитные.
Полимерные уплотнения (чаще всего резиновые и силиконовые) используются для часто разнимаемых соединений (например вакуумные клапаны, или люки доступа в вакуумные объёмы), а также на установках с низким уровнем вакуума. Они позволяют соединять поверхности качество обработки которых не слишком высокое, что делает их более дешёвыми по сравнению с другими видами разъёмных соединений. Для уплотнения не требуется высокое усилие - для прокладки шириной 4мм оно в среднем составляет 4-8 Н/мм. Но высокое газообразование, нестойкость к высокой температуре и ионизирующему излучению, а также высокая газопроницаемость не позволяет получать высокий вакуум с такими уплотнениями. Формально существуют и термостойкие виды резины, выдерживающие температуру до 300 градусов Цельсия, однако применяются такие материалы редко ввиду дороговизны по сравнению с дешёвыми вариантами. При этом повышенная газопроницаемость у термостойкой резины также повышенная, поэтому прогревные высоковакуумные объёмы с её использованием построить достаточно сложно. К преимуществам полимерных уплотнений можно отнести нетребовательность к конструкции стыка.
Чаще всего для удобства делают систему "зуб-канавка" (рис.2). Такая конструкция обеспечивает наибольшую герметичность за счёт объёмного сжатия уплотнителя.
Флонец
Фланец
Рис.2. Уплотнение "зуб-канавка"
Но возможно и простое уплотнение плоскости на плоскость (рис.3). Такой вид соединения наиболее простой, но он обеспечивает меньший ресурс соединения.
РРЯИНП
7Т, / /
Я/.
¡рланец
Т/1 Фланец
Рис.3. "Уплотнение плоскость на плоскость"
I I
О
со >
п.
Подвижные вакуумные соединения
В подвижных соединениях герметичность обеспечивается уплотнением из жидких металлов, масел, путём использования специальных материалов и притёртых поверхностей. Чаще всего такие виды соединений используются в вакуумных насосах. Иногда такие соединения используются для вводе элементов движения в вакуумную систему, однако для этих целей лучше использовать сильфоны либо магнитные муфты, как более надёжный элемент, особенно если система высоковакуумная.
Разъёмные вакуумные соединения
Через резиновые уплотнители натекание в вакуумный объём происходит как по поверхности стыка уплотнитель-металл, так и через сам материал уплотнителя, причём "течение газа по стыку резина-металл практически прекращается при сжатии уплотнителя на 10-20% по высоте" [3]
Также известно что возможно некоторое снижение газообразования резиновых уплотнителей путём их предварительного "обезгаживания" нагреванием в вакууме до предельной для них рабочей температуры на несколько часов.
Металлические уплотнения являются более распространёнными в вакуумных системах высокого и сверхвысокого вакуума. В случае отсутствия в системе высоких температур (бо-
I Ш гл п
2 о м
£л)
лее 70 градусов Цельсия), и отсутствия необходимости прогревать систему для получения высокого вакуума, чаще всего используется уплотнение на индий. Он обладает достаточно высокой текучестью и не требует очень больших усилий для уплотнения, хорошо заполняет неровности на уплотняемых поверхностях, и обеспечивает очень низкую газопроницаемость. Кроме того, индиевые уплотнения, в отличие от других металлических уплотнителей, легко используются повторно -с помощью достаточно простой ручной оснастки остатки индиевого уплотнения формируют в новую проволоку которую можно сразу использовать для уплотнения (фактически это небольшой винтовой пресс со сменной насадкой для формирования проволоки различного диаметра) (рис. 4)
Рис.4. Оснастка для формирования уплотнителя из индия.
Обычно для индиевого уплотнения как минимум на одной из поверхностей формируется профиль для удержания индиевой проволоки (рис.5), но для соединений находящихся в горизонтальной плоскости даже это не обязательно, просто используется проволока чуть большей толщина (1,5.2мм). Всё это делает индиевое уплотнение очень универсальным и доступным. Это хороший вариант для замены резиновых уплотнений с целью улучшения качества вакуума в системе.
Индий__
ф-ЛПЬ
ФЛПЬ
.Ханавка 45 град,
Рис.5. Соединение с индиевым уплотнителем
Удобным вариантом для прямой замены резиновых уплотнений является свинец - он достаточно пластичен и хорошо заполняет неровности поверхности, однако использование этого токсичного металла сегодня желательно сокращать во всех областях где это допустимо.
Медные уплотнители обладают рядом преимуществ перед перечисленными выше металлическими уплотнениями- они выдерживают нагрев до 300...400 градусов, обеспечивают очень низкую газопроницаемость, стоят дешевле серебряных и золотых. Кроме того медь имеет коэффициент температурного расширения близкий к нержавеющей стали, за счёт чего лучше переносит прогрев собранного соединения. Обычно используется соединение типа "confiât" (рис.6)
Рис.6. Соединение типа "confiai"
Из недостатков такого соединения стоит отметить быстрое окисление меди при нагреве, что не позволяет соединению выдерживать более 20-30 циклов нагрева. "Зубы" на которые происходит уплотнение легко повреждаются при случайных ударах, и восстановить их чаще всего невозможно, что приводит к необходимости полностью удалять фланец с элемента, и заменять его новым. Эта процедура зачастую технически очень сложна (например если это фланец вакуумного насоса), а стоимость такого фланца (особенно большого диаметра) очень высока. Кроме того, при длительной эксплуатации такого соединения может возникнуть диффузионная сварка между уплотнителем и фланцами, поэтому требуется предусмотреть специальные "отжимные" резьбовые отверстия во фланцах. Сами фланцы должны быть достаточно большой толщины, так как при сжатии медного уплотнителя требуются большие усилия, а даже очень небольшие деформации фланца могут привести к потере герметичности.
Другие виды металлов хоть и имеют свои преимущества, используются крайне редко. Серебро является очень хорошим металлом для уплотнения, но стоит более чем на порядок больше меди. Золото совершенно не склонно окисляться, выдерживает много циклов нагрева, и уплотняющие свойства лучше чем у меди, но цена такого уплотнения чаще всего слишком высока. В некоторых случаях (присутствие специфических химических сред) используется никель, но усилие для его сжатия столь велико что бывает сложно избежать поломки болтов стягивающих фланцы.
Существенным недостатком медных уплотнителей является то что для правильной работы такого уплотнения его приходится изготавливать из медного листа, что приводит к образованию очень большого количества отходов (при больших диаметрах уплотнителей до 98%). Кроме того, ввиду конструктивных особенностей все такие уплотнения делаются круглыми, что зачастую приводит к неоправданному увеличению габаритов стыкового узла. Одним из вариантов решения этой проблемы является изготовление медного уплотнителя из проволоки (рис. 7)
Фланри
Рис. 7 Проволочное уплотнение
<
DÛ
0
1 I
Внутренняя рамка выполняет функцию ограничителя, не позволяя уплотнителю сместиться в процессе сборки узла. Проволока диаметром 1,5...2 мм (наиболее оптимальный диаметр, который удаётся сжать разумными усилиями) отрезается в размер и сваривается встык, в результате фактически отсутствуют отходы при изготовлении уплотнителя, причём
независимо от его длины. После сварки обязателен отжиг в вакууме при температуре порядка 600 градусов, для облегчения деформации уплотнителя при сжатии. Уплотнение происходит на плоскость фланца, что упрощает и удешевляет конструкцию (не требуется точить сложный и точный "зуб", хотя чистота поверхности всё ещё требуется достаточно высокая). Возможно изготовление уплотнителя фактически любой формы. Так как уплотнитель металлический и достаточно термостойкий, то соединение является прогревным и высоковакуумным. Стоит медная проволока несопоставимо меньше серебряной и золотой.
Выводы
Все рассмотренные в статье виды вакуумных соединений обладают своими преимуществами и недостатками. Чаще всего низкая стоимость и нетребовательность к монтажным условиям сочетается с невысокими характеристиками соединительного узла, не позволяющими использовать его на высоковакуумных установках. А высококачественные соединения либо сложны в использовании (пример - неразъёмные тарельчатые фланцы, которые очень трудоёмко разнимаются и соединяются), либо крайне дороги (медные уплотнения - из за дорогих и легко повреждаемых фланцев, или серебряные и золотые уплотнения, из за высокой стоимости уплотнителя). Универсальных решений нет, и в каждом конкретном проекте необходимо тщательно выбирать подходящие материалы и конструкции соединителей. Редко используемый вид проволочных соединений (в основном это соединения на основе индия) является самым простым и универсальным для непро-гревных вакуумных систем высокого и сверхвысокого уровня вакуума. Кроме того, индиевые уплотнения зачастую позволяют избавиться от резиновых соединений, что при минимальных затратах улучшает качество вакуумной системы, а возможность использовать индий повторно практически неограниченное число раз снижает стоимость использования таких соединений. Единственным недостатком индия является его невысокая термостойкость. Предложенный вид проволочного уплотнения на основе медной проволоки позволяет избавиться от этих недостатков - конструкция соединения проста в изготовлении, уплотнитель делается по месту под фланец любого размера и форму, а термостойкость меди позволяет производить прогрев узла до температур в 400...600 градусов. Всё это позволяет значительно снизить издержки на эксплуатацию таких соединений, а зачастую и проектировать более компактные элементы вакуумных систем.
Литература
1. Вакуумная техника, Министерство Образования и Науки Российской Федерации, Университет ИТМо, В.И. Иванов, учебное пособие 2016
2. Расчёт вакуумных систем, Министерство Образования и Науки Российской Федерации, А.В.Юрьева, издательство Томского Политехнического Университета, 2012
3. Основы вакуумной техники: Учебное пособие, Шешин Е.П., М.: МФТИ, 2001
4. Материаловедение, Л.А. Мальцева, М.А. Гервасьев, А.Б. Кутьин, Федеральное агентство по образованию РФ, 2007
Types of connections in vacuum technology Kondratyev A.V.
Institute of Nuclear Physics named after. Budkera
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
Vacuum is widely used in a wide variety of industries and science. Cryogenic systems are no exception, for which vacuum equipment has become an integral part. For example, in cryogenics, vacuum is used primarily for insulation purposes [1]. Vacuum is also a working medium for many other technological processes. Vacuum seals are a category of special fittings that ensure a tight fit of equipment parts to each other, ensuring sealing of the connecting unit. These elements are used in vacuum systems in many areas - scientific installations (charged particle accelerators, plasma installations, electron microscopes), medicine (X-ray installations, tomographs), industry (vacuum annealing of metals, vacuum smelting of metals, vacuum drying various materials, production of ceramic composites, vacuum deposition, vacuum packaging of products), in microelectronics. The article discusses various types of vacuum connections -detachable, permanent, movable. The most commonly used types of detachable seals are described, their main advantages and disadvantages depending on the conditions under which they are used - the pressure level in the vacuum system, operating temperatures, and the presence of chemically active media. A type of copper seal is described that allows reducing the cost of manufacturing copper O-rings.
Keywords: vacuum, vacuum seals, vacuum connections, polymer seals, metal seals,
wire seal. References
1. Vacuum technology, Ministry of Education and Science of the Russian Federation,
ITMO University, V.I. Ivanov, textbook 2016
2. Calculation of vacuum systems, Ministry of Education and Science of the Russian
Federation, A.V. Yuryeva, Tomsk Polytechnic University Publishing House, 2012
3. Fundamentals of vacuum technology: Textbook, Sheshin E.P., M.: MIPT, 2001
4. Materials Science, L.A. Maltseva, M.A. Gervasyev, A.B. Kutin, Federal Agency for
Education of the Russian Federation, 2007
X X О го А С.
X
го m
о
м о м
CJ
