金屬隔膜貯箱典型試驗過程中隔膜翻轉(zhuǎn)故障的原因分析及解決方法研究

摘 要:針對某型號金屬隔膜貯箱在典型試驗過程中出現(xiàn)的隔膜翻轉(zhuǎn)事故進(jìn)行了故障原因摸排和分析，并通過模擬試驗進(jìn)行故障原因確認(rèn)。最后得出結(jié)論:貯箱在氣密性試驗中，過高的加壓速率致使氣、液腔壓力差大于金屬膜翻轉(zhuǎn)壓力，是造成金屬膜翻轉(zhuǎn)故障的主要原因。針對該問題采取了改進(jìn)措施，取得了很好的試驗效果，后續(xù)產(chǎn)品試驗中再未出現(xiàn)類似問題。

關(guān)鍵詞:金屬隔膜貯箱 典型試驗 隔膜翻轉(zhuǎn)故障 分析

中圖分類號:U260文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(b)-0001-02

Abstracts:In view of a certain type of metal diaphragm tank in a typical test appeared in the process of membrane turnover accident reason of the fault investigation and analysis， and through the simulation test for fault reason confirmation， finally draws the conclusion:storage tank in air tightness test， high compression rate in gas， liquid cavity pressure difference is greater than a metal membrane turnover pressure，is the cause of metal diaphragm flip the reason of fault. Aiming at the problem the measures taken to improve， obtained very good results， follow-up product test does not appear again similar problems.

Key Words：Metal diaphragm tank，Typical test，Diaphragm reversal fault， Analysis

某型號金屬隔膜貯箱(以下簡稱“該型號貯箱”)屬我國武器系統(tǒng)某型號重點試驗產(chǎn)品，在生產(chǎn)工藝和技術(shù)覆蓋方面均體現(xiàn)著世界先進(jìn)水平。該貯箱由上半球組件和下半球組件兩部分組成。上半球組件包括上殼體、進(jìn)氣嘴、金屬隔膜、支撐環(huán);下半球組件包括下殼體、出液嘴和隔板。

按技術(shù)條件要求，每批次貯箱制造完成后，需對貯箱進(jìn)行驗收級試驗，并隨機抽取1只貯箱進(jìn)行典型試驗。在完成本批次10只貯箱機加、裝配、焊接后，按技術(shù)條件對貯箱進(jìn)行了驗收級試驗?，F(xiàn)場抽取了1只貯箱作為抽典件進(jìn)行典型試驗。

在完成了本批次10只貯箱的隔膜正向氣密性試驗后，對貯箱進(jìn)行了容積測定及液壓強度試驗，檢測結(jié)果合格。隨后對抽典件貯箱進(jìn)行了氣密檢查試驗和高低溫試驗，試驗結(jié)果合格。對本批其它9只貯箱進(jìn)行了氣密檢查試驗，試驗結(jié)果合格。最后按技術(shù)條件分別對10只貯箱的液腔容積進(jìn)行了復(fù)測。測量中發(fā)現(xiàn)抽典件貯箱容積減小約1.3L，不符合設(shè)計要求，其它9只均合格。初步判斷該抽典件貯箱液腔容積減小的原因是金屬隔膜發(fā)生了局部翻轉(zhuǎn)。為驗證隔膜狀態(tài)，對氣腔容積進(jìn)行了測量，測量結(jié)果表明金屬膜在試驗過程中發(fā)生了局部翻轉(zhuǎn)。為保證型號產(chǎn)品質(zhì)量和杜絕后續(xù)事故的再次發(fā)生，需要深入進(jìn)行故障原因探究和解決方案的確認(rèn)。

1 故障原因排查

1.1 金屬膜設(shè)計

根據(jù)設(shè)計計算，該型號貯箱所使用金屬膜的翻轉(zhuǎn)壓力約為0.15MPa。經(jīng)過前期對未焊接金屬膜進(jìn)行試驗，該批金屬膜設(shè)計尺寸符合翻轉(zhuǎn)壓力要求。本批金屬隔膜貯箱為模樣第2批生產(chǎn)，前期第1批貯箱已進(jìn)行多只產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)試驗，翻轉(zhuǎn)壓力符合設(shè)計要求。

1.2 貯箱制造過程

經(jīng)復(fù)查抽典件貯箱在制造過程中生產(chǎn)過程受控，各零件尺寸合格。金屬膜精加工尺寸符合要求。本批次貯箱上半球組件氦質(zhì)譜檢漏試驗過程中未出現(xiàn)隔膜翻轉(zhuǎn)情況，試驗結(jié)果合格。該貯箱在壓力驗證前液腔容積測量中未發(fā)現(xiàn)異常。

1.3 隔膜氣密檢查試驗氣液口反接

根據(jù)金屬隔膜貯箱技術(shù)條件要求，貯箱在裝配、焊接及熱處理完成后，需對貯箱進(jìn)行隔膜氣密檢查試驗。經(jīng)復(fù)查，本批次貯箱隔膜氣密檢查試驗過程中未出現(xiàn)氣液口反接情況。貯箱隔膜氣密檢查試驗過程中，液腔壓力始終高于氣腔壓力，試驗結(jié)果合格。在貯箱隔膜氣密檢查試驗后即對液腔容積進(jìn)行了測量，測量結(jié)果合格。

1.4 貯箱液壓強度試驗加壓速率過快

技術(shù)條件要求，貯箱在隔膜氣密檢查試驗完成后，需對貯箱進(jìn)行貯箱液壓強度試驗。本批次貯箱液壓強度試驗加壓速率未超過技術(shù)條件要求，由于液體壓縮比很小，在正常加壓速率下不會出現(xiàn)氣、液腔壓力不平衡狀態(tài)。

1.5 貯箱高低溫試驗

在抽典件貯箱進(jìn)行高溫試驗及低溫試驗過程中，未對貯箱進(jìn)行加壓，貯箱始終處于空載狀態(tài)，不會產(chǎn)生致使金屬隔膜翻轉(zhuǎn)的反向壓力。

1.6 貯箱氣密檢查過程試驗設(shè)備故障

本批次貯箱氣密檢查過程中使用的氣壓表量程為10MPa，精度為0.4%。氣壓表標(biāo)檢合格，在有效標(biāo)檢期內(nèi)。在本批次貯箱氣密檢查過程中使用了三通連接高壓管路，管路無堵塞、泄漏情況。在本批次貯箱氣密檢查過程中使用了手動截止閥進(jìn)行了加壓操作。閥門操作順暢，無堵塞、泄漏情況。

1.7 貯箱氣密檢查試驗卸壓速率過快

由于液腔容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣腔容積，卸壓過程中如出現(xiàn)壓力不平衡情況，金屬隔膜也始終處于正向受壓，不會產(chǎn)生致使金屬隔膜翻轉(zhuǎn)的反向壓力。故障發(fā)生后的貯箱氣密檢查模擬試驗結(jié)果表明:在緩慢卸壓過程中氣、液腔壓力始終保持平衡，未發(fā)現(xiàn)氣腔壓力大于液腔壓力的情況;在極速卸壓的情況下，會出現(xiàn)液腔壓力大于氣腔壓力情況，不會產(chǎn)生造成金屬膜翻轉(zhuǎn)的反向壓力。

1.8 貯箱氣密檢查試驗加壓速率過快

在該貯箱典型試驗過程中，共進(jìn)行了3次貯箱氣密檢查試驗。試驗要求從貯箱氣、液口端同時緩慢通入6.5MPa壓縮氣體，加壓速率不大于0.5MPa/min，保壓5min。保壓過程中貯箱任何部位不允許漏氣。

由于氣體壓縮比大，在氣密檢查試驗加壓過程中易出現(xiàn)氣、液腔壓力不平衡狀態(tài)。在加壓過程中加壓速率過高，貯箱氣、液腔內(nèi)會出現(xiàn)由于容積差異大造成的壓力不平衡情況，且氣腔壓力大于液腔壓力。如氣液腔反向壓力差超過翻轉(zhuǎn)壓力會導(dǎo)致金屬膜發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

故障發(fā)生后的貯箱氣密檢查模擬試驗結(jié)果表明:加壓速率約為2MPa/min時才會出現(xiàn)氣液腔壓力差超過0.15MPa的現(xiàn)象。在2MPa/min加壓速率下需約6sec即可使氣、液腔壓力差接近并達(dá)到翻轉(zhuǎn)壓力。本批次貯箱氣密檢查試驗加壓過程總體加壓速率未超過技術(shù)條件要求。但由于是使用手動截止閥進(jìn)行的人工操作，無法排除在短時間內(nèi)出現(xiàn)大于2MPa/min加壓速率的情況。

2 模擬試驗

故障發(fā)生后，技術(shù)人員針對貯箱氣密檢查試驗階段可能導(dǎo)致隔膜翻轉(zhuǎn)的加壓過程和卸壓過程進(jìn)行了模擬試驗。模擬試驗共分3個階段完成，3個階段中共進(jìn)行模擬試驗4次。4次模擬試驗基本覆蓋了故障貯箱氣密檢查試驗全過程。

2.1 第一階段模擬試驗

模擬試驗過程中分別使用了與該貯箱氣、液腔容積相近的兩只模擬容器，使用了與故障貯箱試驗過程相同的加壓管路及氣壓表。

模擬試驗按技術(shù)條件要求進(jìn)行了加壓。加壓過程中發(fā)現(xiàn):液腔壓力值在加壓過程中與系統(tǒng)壓力值始終處于同步變化狀態(tài)，氣腔壓力值始終處于0位，待加壓至1MPa保壓開始后逐漸與液腔壓力平衡。為查清試驗過程中出現(xiàn)該情況的原因，對系統(tǒng)進(jìn)行了卸壓。卸壓過程中發(fā)現(xiàn)液腔壓力值始終隨系統(tǒng)壓力同步下降，氣腔壓力變化很緩慢。待液腔壓力值下降為0后氣腔壓力開始下降，且下降速率緩慢，約5min后下降至0位。

試驗結(jié)果表明:管路直徑對不同腔體氣壓增壓過程中壓力的變化影響很大，這一結(jié)果也符合氣體在管路中的流導(dǎo)過程。

2.2 第二階段模擬試驗

由于貯箱產(chǎn)品氣液腔接嘴內(nèi)徑不一致，且氣腔接嘴內(nèi)徑大于液腔接嘴內(nèi)徑，氣、液口入口位置管徑存在一定差異。為弄清管路管徑對貯箱試驗的影響，進(jìn)行了第二階段貯箱氣密檢查模擬試驗。根據(jù)試驗方案共采取了三種試驗系統(tǒng)連接方式:1)氣口接嘴內(nèi)徑與貯箱產(chǎn)品相同、氣腔容積與貯箱產(chǎn)品不同;2)氣口接嘴內(nèi)徑與貯箱產(chǎn)品不同、氣腔容積與貯箱產(chǎn)品不同;3)氣口接嘴內(nèi)徑與貯箱產(chǎn)品不同、氣腔容積與貯箱產(chǎn)品相同;

在試驗過程中分別使用了Φ4mm、Φ6mm兩種接頭進(jìn)行試驗，氣腔容積分別采用了1L及0.4L，每組試驗均采用2～3種加壓速率加壓至1MPa。在以上各種試驗條件下測定容積，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

試驗數(shù)據(jù)表明氣、液腔試驗接頭內(nèi)徑的改變對液腔容積無影響。所以，試驗結(jié)果也排除了氣、液腔試驗接頭內(nèi)徑差異導(dǎo)致產(chǎn)生故障的可能性。

2.3 第三階段模擬試驗

經(jīng)過之前兩個階段的試驗后，對造成抽典貯箱金屬膜翻轉(zhuǎn)故障的主要原因有了基本的定位。為完全模擬故障貯箱試驗全過程，我們組織進(jìn)行了第三階段貯箱氣密檢查模擬試驗。在第三階段模擬試驗過程中，分別使用壓力表及壓力傳感器進(jìn)行了試驗。試驗中均采用了不同加壓速率進(jìn)行了加壓，每次加壓均達(dá)到或接近貯箱產(chǎn)品氣密檢查試驗壓力。在不同加壓速率下均對氣液腔壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。在首先進(jìn)行的氣壓表數(shù)據(jù)采集的模擬試驗中，共采用了兩種加壓速率，并同時從3部氣壓表讀取壓力數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果表明，在不同的加壓速率下進(jìn)行貯箱氣密檢查模擬試驗，會導(dǎo)致氣、液腔內(nèi)壓力出現(xiàn)不同程度的變化。

3 分析與討論

3.1 試驗分析

通過三個階段的模擬試驗，積累了大量的試驗數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析可以得出結(jié)論:(1)氣液腔容積差是形成加卸壓過程氣液腔壓力差的根本原因;(2)在貯箱氣密檢查試驗過程中，試驗管路管徑會對氣、液腔壓力造成影響。但在故障貯箱試驗過程中，試驗管路的管徑較接近且管徑均較大，管徑影響可以排除;(3)在貯箱氣密檢查試驗過程中，采用技術(shù)條件所規(guī)定的加壓速率(0.5MPa/min)不會出現(xiàn)明顯的氣、液腔壓力差;使用較高加壓速率(≤1.5MPa/min)的情況下，會出現(xiàn)明顯的氣、液腔壓力差，但差值較小，無法達(dá)到金屬膜翻轉(zhuǎn)壓力值;使用過高的加壓速率(2MPa/min)會導(dǎo)致氣、液腔出現(xiàn)可使金屬膜發(fā)生翻轉(zhuǎn)的壓力差。以2MPa/min加壓速率連續(xù)加壓超過6s即達(dá)到翻轉(zhuǎn)壓力;加壓過程中易出現(xiàn)明顯壓力差值的時間段為容器內(nèi)部壓力未超過2MPa之前的加壓初期;(4)在貯箱氣密檢查試驗結(jié)束后的卸壓過程中，如不采用極速卸壓的方法，不會產(chǎn)生明顯的壓力差;使用過高的卸壓速率(2MPa/min)會導(dǎo)致氣、液腔出現(xiàn)明顯的壓力差，且液腔壓力大于氣腔壓力;卸壓過程中易出現(xiàn)壓力差的時間段為容器內(nèi)部壓力低于2MPa之后的卸壓末期;(5)按技術(shù)條件規(guī)定:每加壓1MPa，保壓1min，可以保證氣、液腔壓力平衡。

3.2 討論

根據(jù)模擬試驗結(jié)果可以得出，貯箱在氣密檢查試驗中氣、液腔壓力的變化是造成抽典件貯箱產(chǎn)生故障的原因。抽典貯箱試驗過程中所采用的與技術(shù)要求相一致的加壓速率是能夠保證在試驗過程中不會出現(xiàn)達(dá)到翻轉(zhuǎn)壓力的氣液腔壓力差的。但由于使用了手動截止閥進(jìn)行操作，其固有特性導(dǎo)致在試驗過程中必須通過調(diào)整來控制總體加壓速率。因此無法排除試驗過程中由于操作不慎連續(xù)6s以上以大加壓速率(≥2MPa/min)進(jìn)行加壓的情況。抽典件貯箱在抽典試驗過程中共進(jìn)行了3次貯箱氣密檢查試驗，在3次試驗加壓初始階段均有可能出現(xiàn)該情況或多次累加造成金屬膜的翻轉(zhuǎn)。

4 解決方案

4.1 采取措施

根據(jù)機理分析結(jié)果，貯箱在進(jìn)行氣密檢查試驗過程中緩慢加壓不會產(chǎn)生大于0.15MPa的翻轉(zhuǎn)壓力。但在持續(xù)大速率加壓的情況下，會產(chǎn)生導(dǎo)致金屬膜翻轉(zhuǎn)的氣、液腔壓力差，在技術(shù)上存在一定的風(fēng)險。為保證后續(xù)產(chǎn)品試驗順利完成，制定了以下解決措施(系統(tǒng)連接見圖3):在試驗管路氣腔端連入與液腔容積接近的緩沖裝置，減小氣、液腔容積差;在試驗管路中接入減壓閥，使用減壓閥進(jìn)行加壓操作，消除加壓過程中出現(xiàn)瞬間大加壓速率的情況;在氣、液腔接口處接入壓差計，實時觀察氣液腔壓力值，控制加壓過程中氣液腔壓力差值。

4.2 措施驗證

為保證改進(jìn)措施的有效性，按改進(jìn)方案進(jìn)行了改進(jìn)方案驗證試驗。試驗中使用了兩只容積分別為1L及0.4L的模擬容器，并使用了與氣密檢查模擬試驗完全一致的壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，共進(jìn)行了高、低兩種加壓速率的驗證試驗。經(jīng)過試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可以得出:通過減小容器容積差，基本消除了兩只容器內(nèi)出現(xiàn)壓力差的可能性;使用減壓閥進(jìn)行手工操作可以有效的避免短時加壓速率變化的情況。改進(jìn)措施能夠有效的保證了后續(xù)產(chǎn)品試驗的順利完成。

采取改進(jìn)措施后，本批次其它產(chǎn)品經(jīng)驗收級試驗后進(jìn)行容積復(fù)測，均未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品容積發(fā)生變化，金屬膜在試驗過程中未再出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)故障。

5 結(jié)論

(1)在抽典件貯箱進(jìn)行氣密檢查試驗加壓過程中，對產(chǎn)品狀態(tài)認(rèn)識不到位使用了手動截止閥進(jìn)行操作;

(2)在試驗過程中由于操作不當(dāng)在短時間使用了過高的加壓速率，致使氣、液腔壓力差大于金屬膜翻轉(zhuǎn)壓力是造成金屬膜翻轉(zhuǎn)故障的主要原因;

(3)在采取改進(jìn)措施后，有效解決了該故障產(chǎn)生的渠道，杜絕了該故障的再次發(fā)生，在后續(xù)產(chǎn)品試驗中再未出現(xiàn)類似問題。

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