Любая вакуумная система состоит из большого чис­ла различных элементов. Герметичное соединение их между собой является одной из основных задач, встаю­щих при проектировании и эксплуатации вакуумного оборудования. Различают разъемные и неразъемные соединения.

Для выполнения неразъемных соединений чаще всего применяются сварка и пайка. Разрушение и нарушение герметичности сварных и паяных соединений в процессе эксплуатации вакуумного оборудования явление доволь­но редкое. Если во время эксплуатации оборудования обнаружено натекание по шву, превышающее заданную величину, шов удаляют до основного металла и произ­водят сварку заново. Дополнительная проварка сверху участка шва с натеканием очень часто не устраняет течь. Это в первую очередь относится к тонкостенным свар­ным соединениям. Если по тем или иным причинам все же производится подварка шва с натеканием, то верх­ний шов накладывают по всей длине первоначального шва с обязательным расплавлением самого шва.

Сборка, монтаж и достижение предельных характе­ристик вакуумного оборудования непосредственно связа­ны с надежным уплотнением разъемных соединений. Разъемные соединения можно подразделить на фланце­вые, штуцерные, соединения с применением вакуумных шлангов и соединения с помощью незатвердевающих вакуумных замазок и смол, причем последние обычно ведут к загрязнению системы, и применения их следует избегать. Различают конструкции фланцевых и штуцер­ных соединений с металлическими и эластомерными уплотнителями.

Фланцевые соединения с металлическим уплотните­лем применяют в сверхвысоковакуумных установках и в узлах, подверженных нагреву в процессе эксплуатации. Среди них наибольшее распространение получили флан­цевые соединения из нержавеющей стали с канавочно-клиновым уплотнением с плоским медным или алюми­ниевым уплотнителем (рис. 5-1). Медный уплотнитель применяют в соединениях, прогреваемых до 500 — 600°С, алюминиевый — 150—200°С. Натекание через такие соединения не превышает 6,6* 10 H2 Вт Они сохраняют работоспособность и герметич­ность после многих циклов нагрева. Впрочем, после пер­вого прогрева иногда бывает необходима дополнитель­ная подтяжка соединения.

Плоские уплотнители небольшого диаметра вырезают на токарном станке из листа. При изготовлении уплот­нителя большого диаметра вырезают ленту необходимой длины, изгибают ее и спаивают мягким припоем в торец.

Недопустимо спаивание уплотнителя твердым припоем, так как это приводит к порче соединения при затяжке.

Эксплуатация фланцевых соединений с металличес­ким уплотнителем сопряжена с необходимостью соблю­дения определенных мер предосторожности от повреж­дения уплотняющих поверхностей. Перед хранением во фланцевые соединения устанавливают уплотнитель и соединение стягивают болтами. Если хранению подле­жат элементы вакуумных систем, заканчивающиеся фланцами соединений, то эти фланцы накрывают фанер­ными дисками диаметром, равным наружному диаметру фланца, и с отверстиями, совпадающими с отверстиями фланца под болты. Несколькими болтами диск прижи­мают к фланцу. Под хранением следует понимать лю­бой промежуток времени, кроме моментов непосредст­венного монтажа и демонтажа вакуумной системы. При монтаже и демонтаже необходимо обеспечить условия, когда исключается падение соединения, удар его о твер­дые предметы. Не допускается класть фланцы соедине­ния рабочей поверхностью на металлические предметы.

Наиболее подвержена повреждениям рабочая поверх­ность фланцев, в особенности поверхность зуба канавочно-клинового соединения. Однако вмятины, образовав­шиеся на поверхности самого зуба, например, при слу­чайном ударе, не представляют особой опасности. Их осторожно выравнивают шабером и зачищают оселком. Основными уплотняющими элементами канавочно-клинового соединения являются заплечики по краям зуба (рис. 5-1, г) и гладкая поверхность фланца с канавкой на расстоянии 1,5 мм от канавки. Любое нарушение этих поверхностей ведет к нарушению герметичности соеди­нения.

О сохранности уплотняющих поверхностей можно судить по круговому блестящему отпечатку, остающему­ся на уплотнителе после затяжки соединения. Равномер­ный, без разрывов отпечаток с обеих сторон уплотните­ля свидетельствует о сохранности соединения. Таким образом, при разборке удается проконтролировать работоспособность соединения.

Иногда в результате неаккуратной эксплуатации на центрирующих поверхностях диаметра d\ (рис. 5-1,г) появляются забоины и вмятины, препятствующие сближе­нию фланцев. Аналогичные забоины могут появиться и на других центрирующих поверхностях. Восстановле­ние фланцев производят расточкой на станке на 0,2 — 0,3 мм по диаметру соответствующих поверхностей. Напротив, поверхности, параллельные плоскости уплот­нения, а также зуб и канавку растачивать недопустимо. При их повреждении растачивают все поверхности флан­цев по чертежу, уменьшая при этом толщину фланца, что практически равнозначно изготовлению нового фланца.

Для удобства в работе и обеспечения равномерности затяжки соединения все болты должны иметь одинако­вый шаг резьбы. К тому же, если есть возможность, болты лучше заменить шпильками, причем в прогревае­мых системах следует применять сульфидированные болты (шпильки) и гайки из нержавеющей стали.

В процессе многократных нагревов может произойти диффузионная сварка уплотнителя с поверхностью флан­цев. Кроме того, деформированный уплотнитель в ряде случаев оказывает расклинивающее действие. В резуль­тате разъединение фланцев оказывается затруднитель­ным. Поэтому в одном из фланцев канавочно-клинового соединения имеются два резьбо­вых отверстия для отжимных бол­тов, с помощью которых фланцы легко разъединяются. Другими способами разъединения фланцев пользоваться не рекомендуется во избежание порчи соединения.

Уплотнитель канавочно-клино-вого соединения, особенно алю­миниевый, способен обеспечить герметичность при двух и иногда даже при трех-четырех сборках. Тем не менее рекомендуется за­менять уплотнитель после каждой сборки.

Форма фланцев и расположение уплотнителя во флан­цевых соединениях с эластомерным уплотнителем по­казаны на рис. 5-2 и 5-3. В качестве уплотнителя в них используются вакуумные резины или фторопласт. Фто­ропластовые уплотнители вытачивают на станке. Резиновые уплотнители небольшого размера обычно также на станке вырезают из листа. Уплотнители большого диаметра склеивают резиновым клеем. При постановке клееного уплотнителя в соединение необходимо обра­щать внимание на то, чтобы направление усилия сжатия уплотнителя при затяжке соединения совпадало с плос­костью склеивания уплотнителя (рис. 5-4).

Фланцевые соединения с эластомерным уплотнителем применяют в высоковакуумных непрогреваемых систе­мах, а с уплотнителями из таких резин, как ИРП-2043, 51-1433, ИРП-1368 и ИРП-1399, в прогреваемых до 2000C

системах. Наиболее широко при­меняют уплотнители из вакуум­ной резины марок 7889 и 9024.

Эластомерный уплотнитель допускает многократную сборку гоединения. Большим ресурсом обладают соединения, сжатие уплотнителя в которых ограниче­но смыканием фланцев (рис. 5-3,в и г). Напротив, меньшим ресур­сом обладают соединения, изо­браженные на рис. 5-3,а и б. Наибольшую герметичность обеспечивают соединения с объемно сжатым уплотнителем, например, изображен­ные на рис. 5-3,5. Объемное сжатие уплотнителя может быть реализовано в соединении, изображенном на рис. 5-3, в. Определяя необходимое для этого сечение уплотнителя, следует помнить, что резину надо рассмат­ривать, как несжимаемый материал. Площадь сечения уплотнителя, как правило, круглого, должна составлять 90 — 95% площади сечения канавки под уплотнитель.

Величина сжатия уплотнителя по высоте, гаранти­рующая герметичное соединение при комнатной темпе­ратуре, оценивается в 20 — 25% высоты уплотнителя, при высоких плюсовых и минусовых температурах — в 30 — 35%. Для некоторых резин, в частности для резины марки 7889, герметичное уплотнение возникает при сжа­тии на б— 10%. Однако эта величина еще не гаранти­рует надежного уплотнения при изменении температуры соединения.

В данном случае степень сжатия уплотнителя харак­теризует усилие, с которым уплотнитель прижимается к фланцу. Минимальная величина этого усилия, необхо­димая для создания надежного уплотнения, находится в пределах 5•1O⁵—10^б Н/м2 (5—10 кгс/см2), оптималь­ная — МО6—1,2-106 Н/м2 (10—12 кгс/см2). Для мягких резин эти величины меньше, для твердых больше.

Для работы при сверхнизких температурах, темпе­ратурах сжижения газов, наиболее надежны фланцевые и штуцерные соединения с тонким фторопластовым уплотнителем, например соединение, изображенное на рис. 5-3, е.

Через фланцевое соединение с резиновым уплотни­телем газ натекает в систему как по поверхности сопри­косновения уплотнителя с фланцем, так и в результате диффузии через уплотнитель. Течение газа по поверх­ности соприкосновения уплотнителя с фланцем прекра­щается при сжатии уплотнителя на 10 — 20% по высоте. Мнения о влиянии чистоты обработки поверхности флан­цев на герметичность соединения разноречивы. Практи­чески известно, что при средней высоте микронеровнос­тей 2,5 мкм шероховатость поверхности удовлетворяет требованиям к герметичности, предъявляемым к флан­цевым соединениям с резиновым уплотнителем (см. при­ложение 12), суммарное натекание через которые не превышает 1,3-10"10 Вт (1,0-10~6 л-мкм рт. ст/с).

Эксплуатация фланцевых соединений с эластомерным уплотнителем существенно проще, чем соединений с ме­таллическим уплотнителем. Тем не менее и в этом слу­чае необходимо соблюдать определенные меры по обес­печению сохранности соединения. Нe допускается появ­ление радиальных рисок на поверхностях фланцев в месте расположения уплотнителя. Поверхности флан­цев, обращенные в вакуумную полость, должны отвечать требованиям вакуумной гигиены. Правила хранения такие же, как и фланцевых соединений с металлическим уплотнителем.

Выделяющиеся из резины в процессе эксплуатации соединения смолистые вещества налипают на поверх­ности фланцев, на которых в результате этого скапли­ваются различные загрязнения и вырываемые из уплот­нителя кусочки резины. При каждой разборке соедине­ния поверхности фланцев должны быть очищены от этих загрязнений протиркой чистой бязью, смоченной в бен­зине.

Поскольку фланцы соединения в большинстве слу­чаев изготавливают из обычной углеродистой стали, нередки случаи появления ржавчины на рабочих поверх­ностях фланцев. При разборке следы ржавчины должны быть удалены мелкой наждачной бумагой.

Если на рабочей поверхности появились глубокие радиальные риски, поверхность фланца протачивают на токарном станке на глубину риски.

При эксплуатации фланцевых соединений с резино­вым уплотнителем наряду с натеканием газа по соеди­нению имеет место газовыделение из резины. Поэтому перед постановкой в вакуумную систему уплотнитель полезно обезгазить. Известно, что величина газовыделе­ния из уплотнителя возрастает с ростом температуры. При длительном нагреве в вакууме газовыделение пос­тепенно снижается, достигая практически постоянной величины. При последующем охлаждении газовыделение резко снижается до величины, много меньше первона­чального газовыделения при той же температуре. На этом основан способ предварительного обезгаживания резиновых уплотнителей, впрочем, как и любых других материалов. При обезгаживании уплотнители нагревают в вакууме до максимальной рабочей или несколько боль­шей температуры и выдерживают при этой температуре 10—15 ч.

Штуцерное соединение с эластомерным уплотнителем показано на рис. 5-5, а на рис. 5-6 показана разновид­ность штуцерного соединения — грибковое соединение. В качестве уплотнителя в пер­вом применяют резину или фторопласт, во втором — толь­ко мягкую резину.

Уплотнение в грибковом соединении достигается следующим образом. С помощью гайки 2 (рис. 5-6) че­рез кольцо 3 сжимается уплотнитель 4. Под действием вертикального сжатия уплотнитель распирается в гори­зонтальном направлении и уплотняет поверхность сопри­косновения уплотнителя с присоединяемым трубопро­водом.

Следует обратить внимание на обязательность скруг-ления поверхности кольца 3, обращенной к уплотнителю, по радиусу, равному толщине кольца. При уплотнении

соединения с плоской поверх­ностью кольца и зазором меж­ду кольцом и трубопроводом кромка уплотнителя зажимает­ся между кольцом и присоеди­няемым трубопроводом. В ре­зультате не достигается герме­тизация соединения и рвется уплотнитель.

Соединение трубопровода с помощью резинового вакуумного шланга ^рис. о-/) части используется в лабораторной практике для присоедине­ния форвакуумного насоса. Желательно концы трубо­проводов на длину 1,5—2,0 диаметра расточить, как по­казано на рисунке. Для выполнения соединения исполь­зуют шланг, внутренний диаметр которого в полтора раза меньше внешнего диаметра трубопровода, а длина составляет 4—6 диаметров трубопровода.

Запорная арматура — обязательный элемент любой вакуумной системы. Общий термин для запорной арма­туры — вакуумный клапан. Конструкция вакуумного клапана (клапана, затвора, натекателя) включает сле­дующие детали: корпус, седло, заслонку, уплотнитель и привод, а также перегородку, отделяющую значительную часть элементов привода от вакуумной полости. (Прово­димость запорной арматуры см. в приложении 13.)

В процессе эксплуатации вакуумных клапанов на­ряду с выполнением общих требований — соблюдение требований вакуумной гигиены по отношению к дета­лям, расположенным в вакуумной полости; сохранение требуемой точности сопряжения пары седло—заслонка; периодические профилактические разборки клапана и смазка трущихся поверхностей деталей, расположенных в атмосфере; периодический контроль герметичности па­ры седло—заслонка и смена уплотнителя — требуется выполнение специфических требований, обусловленных конструкцией каждого типа клапана. При получении клапана до сборки установки и по­становки его в вакуумную систему клапан освобождают от консервирующей смазки, проверяют наличие смазки