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低温加注系统故障诊断及预案:从排查到处置的全流程指南

点击次数:24 更新时间:2025-10-11
低温加注系统是实现液氮、液氧、液氩等低温介质精准加注的核心设备,广泛应用于科研实验(如超导磁体加注)、工业生产(如半导体晶圆冷却剂加注)、医疗设备(如低温冷冻治疗仪供液)等场景。系统需在 - 196℃(液氮)至 - 183℃(液氧)超低温环境下运行,故障多与 “低温泄漏、管路堵塞、压力异常、控制失效" 相关,若处置不当易引发冻伤、设备损坏甚至爆炸(如液氧助燃)。本文从故障诊断逻辑与应急预案两方面,提供可落地的操作指南。
一、先识系统:低温加注系统核心组成与故障关联点
低温加注系统的故障多集中在关键组件,需先明确各部分功能与易故障点,为诊断奠定基础:
核心组件
功能作用
易故障点
低温储液罐
储存低温介质,维持初始低温
液位异常、真空层失效(冷损加剧)、安全阀泄漏
输送管路
连接储液罐与加注枪,输送低温介质
管路堵塞、接口泄漏、绝热层破损(冷量流失)
低温加注枪
直接对接目标设备,控制加注流量 / 启停
枪头密封失效、流量调节阀卡涩、扳机故障
控制单元
监控并调节加注参数(流量、压力、温度)
PLC 程序故障、传感器失准(温度 / 压力)、电磁阀失效
安全装置
保障系统安全(防超压、防泄漏)
安全阀卡涩、爆破片老化、泄漏探测器失灵
二、故障诊断:按 “组件分类 + 现象导向" 精准排查
1. 储液罐相关故障:源头级问题,影响整体加注
(1)故障 1:储液罐液位异常下降(非加注状态下)
  • 典型现象:液位计显示 12 小时内液位下降超 5%(正常静态挥发率≤2%/ 天),罐壁局部结霜;

  • 可能原因:① 罐口密封圈老化(冷雾泄漏);② 真空层失效(绝热破损,冷损加剧);③ 底部排污阀微漏;

  • 诊断方法

  1. 用肥皂水涂抹罐口、排污阀接口,观察是否有连续气泡(泄漏点);

  1. 触摸罐壁,若大面积发凉(非正常局部冷区),用真空计检测真空度(正常≤10⁻³Pa,超 10⁻¹Pa 为真空失效);

  • 排除结论:若仅接口泄漏,更换密封圈;若真空失效,需停用并送厂家修复。

(2)故障 2:储液罐压力异常升高(未加注时)
  • 典型现象:压力表显示压力超设计压力 80%(如液氮罐设计压力 1.0MPa,实际超 0.8MPa),安全阀频繁起跳;

  • 可能原因:① 环境温度骤升(如夏季阳光直射);② 罐内介质过度充装(液位超 80%);③ 安全阀预设压力过低;

  • 诊断方法

  1. 检查液位计,确认液位是否超 80%(超装需通过排污阀缓慢排空至 70%);

  1. 用标准压力校准仪检测安全阀开启压力(应等于设计压力的 1.1 倍,如 1.0MPa 罐对应 1.1MPa);

  • 排除结论:若液位 / 环境正常,需重新校准安全阀。

2. 输送管路故障:传输中断,直接停加注
(1)故障 1:管路堵塞,加注流量骤降为 0
  • 典型现象:加注枪无介质流出,管路压力表显示压力骤升(超正常工作压力 50%),靠近堵塞点的管路温度异常升高(无冷雾);

  • 可能原因:① 低温介质中杂质(如金属屑、绝热材料碎屑)堆积;② 管路弯折导致介质流动受阻;③ 低温下管路内壁结冰(若介质含微量水分);

  • 诊断方法

  1. 沿管路走向检查是否有明显弯折(重点在接头、阀门处);

  1. 关闭储液罐出液阀,泄压后拆卸管路分段,用干燥氮气(0.5MPa)反向吹扫,观察气流是否通畅(堵塞段气流明显减弱);

  • 排除结论:弯折需矫正管路,杂质堵塞需吹扫或更换管路,结冰需用热氮气(≤30℃)融化后吹扫。

(2)故障 2:管路接口泄漏(加注过程中)
  • 典型现象:接口处有冷雾溢出,局部结霜,加注流量不稳定(忽大忽小);

  • 可能原因:① 法兰 / 螺纹接口密封垫片老化(聚四氟乙烯垫片低温硬化);② 接口螺栓松动(低温收缩导致);③ 管路材质疲劳(反复冷缩热胀);

  • 诊断方法

  1. 戴低温手套触摸接口,感受冷雾溢出强度,用肥皂水涂抹接口,观察气泡密集度;

  1. 用扭矩扳手检查螺栓扭矩(304 不锈钢螺栓扭矩通常 15-20N・m,避免过度拧紧导致螺纹损坏);

  • 排除结论:垫片老化需更换耐低温垫片(如 PTFE 垫片),螺栓松动需补拧至标准扭矩。

3. 加注枪故障:终端失效,无法精准加注
(1)故障 1:加注枪头密封失效,介质泄漏
  • 典型现象:枪头对接目标设备接口后,仍有冷雾从缝隙溢出,加注时介质损耗超 10%;

  • 可能原因:① 枪头密封圈磨损(反复插拔导致);② 枪头与目标接口尺寸不匹配(如口径偏差 0.5mm 以上);③ 枪头按压力度不足(未贴合);

  • 诊断方法

  1. 拆卸枪头密封圈,检查是否有裂纹、变形(正常应无明显损伤,弹性良好);

  1. 用卡尺测量枪头内径与目标接口外径(偏差应≤0.2mm,超差需更换适配枪头);

  • 排除结论:密封圈损坏需更换同规格低温密封圈,尺寸不匹配需更换枪头。

(2)故障 2:加注枪流量调节阀卡涩,流量无法调节
  • 典型现象:旋转流量调节旋钮时阻力大,或调节后流量无变化(如旋钮从 “小" 转至 “大",流量计显示仍≤1L/min);

  • 可能原因:① 阀体内杂质卡滞(介质中碎屑进入);② 阀芯低温硬化(长期未维护,润滑脂失效);③ 阀体冻住(介质泄漏导致内部结冰);

  • 诊断方法

  1. 关闭储液罐出液阀,泄压后拆卸调节阀,用放大镜观察阀芯是否有杂质(有则用无水乙醇清洗);

  1. 检查阀芯润滑情况(正常应涂抹低温润滑脂,如硅基润滑脂,无干涸、结块);

  • 排除结论:杂质卡滞需清洗阀芯,润滑失效需补涂低温润滑脂,结冰需用干燥氮气融化后清理。

4. 控制与安全装置故障:智能监控失效,风险升高
(1)故障 1:PLC 控制系统无响应,无法启动加注
  • 典型现象:启动按钮按下后,系统无动作(循环泵不转、电磁阀不开启),触摸屏显示 “通信故障" 或无参数;

  • 可能原因:① 电源故障(如断路器跳闸、电源线接触不良);② PLC 与传感器通信中断(线缆松动或断裂);③ PLC 程序死机(突发断电导致);

  • 诊断方法

  1. 检查配电箱断路器是否跳闸,用万用表检测电源电压(应符合系统要求,如 AC220V±10%);

  1. 检查 PLC 与温度 / 压力传感器的连接线(如 RS485 线缆),是否有松动或外皮破损(断裂需重新接线);

  1. 重启 PLC 系统(长按复位键 3 秒),观察是否恢复正常通信;

  • 排除结论:电源问题需恢复供电,通信中断需修复线缆,程序死机需重启或重新加载程序。

(2)故障 2:泄漏探测器失灵,泄漏未报警
  • 典型现象:故意释放微量低温介质(如液氮)至探测器附近,探测器无声光报警(正常应在 10 秒内响应);

  • 可能原因:① 探测器传感器老化(使用寿命超 2 年);② 探测器校准过期(误差超 ±10%);③ 探测器供电不足(电池电量低或电源线接触不良);

  • 诊断方法

  1. 检查探测器供电状态(如指示灯是否常亮,电池款需查看电量显示);

  1. 用标准浓度的低温介质模拟泄漏(如用 0.1L/min 液氮喷雾),检测探测器响应时间(超 30 秒为失灵);

  • 排除结论:传感器老化需更换,校准过期需送计量机构校准,供电不足需充电或修复线路。

三、应急预案:分 “紧急处置 + 长期预防" 双维度应对
1. 紧急处置预案:针对高风险故障,10 分钟内控制风险
(1)一级应急:低温介质大量泄漏(如管路破裂,泄漏量≥5L/min)
  • 处置步骤

  1. 立即按下 “紧急停止" 按钮,关闭储液罐总出液阀,切断介质源头;

  1. 疏散泄漏点 5 米内人员,禁止火源(尤其液氧泄漏,严禁吸烟、使用明火);

  1. 开启通风设备(如排风扇),加速气态介质扩散(液氮气化后氮气密度大,需重点通风低洼处);

  1. 穿戴低温防护服、防护手套后,用保温棉覆盖泄漏点(减少挥发速度),待泄漏停止后更换破损管路;

  • 注意事项:禁止用水冲洗泄漏点(低温介质遇水会剧烈汽化,产生大量白雾影响视线)。

(2)二级应急:系统超压(压力超设计压力 10%,安全阀未起跳)
  • 处置步骤

  1. 停止加注作业,关闭储液罐出液阀,打开管路放空阀(缓慢开启,泄压速度≤0.05MPa/min,避免压力骤降导致管路变形);

  1. 检查安全阀是否卡涩(戴手套手动按压安全阀阀芯,若能泄压则为卡涩,需后续拆解清洗);

  1. 泄压至设计压力 80% 后,关闭放空阀,检查超压原因(如液位、环境温度),排除后再恢复作业;

  • 禁忌:禁止直接拆卸安全阀泄压(易导致介质喷射伤人)。

(3)三级应急:加注枪无法关闭(扳机故障,介质持续流出)
  • 处置步骤

  1. 立即关闭储液罐出液阀,切断介质供应;

  1. 用专用夹具(如不锈钢卡箍)临时夹紧加注枪进液管(若有备用截止阀,可关闭该阀门);

  1. 待枪内残留介质排空后,拆卸加注枪检修扳机或更换枪头;

  • 注意:夹紧管路时需垫石棉垫,避免金属直接接触导致管路损伤。

2. 长期预防预案:降低故障发生率,保障系统稳定
(1)日常维护:每日 / 每周必做项
  • 每日检查:① 储液罐液位、压力(记录数据,对比历史值,异常及时排查);② 加注枪密封圈、接口密封性(无冷雾、无结霜);③ 安全装置指示灯(如泄漏探测器绿灯常亮,无报警);

  • 每周维护:① 用干燥氮气吹扫输送管路(避免杂质堆积);② 检查 PLC 系统通信状态(无报错、参数显示正常);③ 测试紧急停止按钮(按下后系统能立即断电停泵)。

(2)定期校准:按周期保障精度与安全
设备 / 组件
校准周期
校准标准
压力 / 温度传感器
3 个月 / 次
压力误差≤±0.5% FS,温度误差≤±0.3℃
安全阀
1 年 / 次
开启压力为设计压力的 1.05-1.1 倍,回座压力≥设计压力的 90%
泄漏探测器
6 个月 / 次
响应时间≤10 秒,报警浓度误差≤±10%
流量计
6 个月 / 次
流量误差≤±2%
(3)人员培训:提升应急处置能力
  • 定期培训内容:① 系统组件识别与故障判断(如区分管路泄漏与真空失效);② 紧急处置流程演练(如泄漏、超压的 10 分钟处置);③ 个人防护装备使用(低温防护服穿戴、氧气浓度检测仪操作);

  • 考核要求:每季度进行 1 次实操考核,确保操作人员能独立完成故障排查与应急处置。

总结
低温加注系统的故障诊断需遵循 “现象导向、组件定位、分步排查" 的逻辑,应急预案需兼顾 “紧急风险控制" 与 “长期预防维护"。核心在于:日常多监控(液位、压力、密封),故障早排查(按组件分类,用专业工具验证),应急快处置(切断源头、疏散人员、规范操作)。只有将 “诊断 - 处置 - 预防" 形成闭环,才能在保障低温加注效率的同时,规避超低温环境下的安全风险。


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