金屬包裝容器二重卷封結(jié)構(gòu)的泄漏機理及其實驗研究

楊丹, 殷鳳龍, 梁小冬, 廖洪波, 李爾康

(西北核技術(shù)研究所, 陜西 西安 710024)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍用包裝的要求越來越高，促使傳統(tǒng)的軍用包裝不斷改進(jìn)。為了降低成本、減輕裝備重量、提高長期貯存的可靠性，一些新的包裝理念和包裝結(jié)構(gòu)在軍用包裝容器的設(shè)計中得到大量應(yīng)用[1]。在軍用產(chǎn)品密封包裝中，密封結(jié)構(gòu)發(fā)生泄漏將導(dǎo)致包裝環(huán)境的改變，是造成內(nèi)裝產(chǎn)品腐蝕、降解、變質(zhì)、破壞和喪失使用功能的主要原因。大量研究表明，外界環(huán)境中的氣氛侵入尤其是水汽通過滲透、泄漏等途徑進(jìn)入包裝容器內(nèi)部，長期情況下會顯著改變內(nèi)裝產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)[2-8]。

金屬包裝容器因其優(yōu)良的氣體阻隔性能、良好的機械強度、可快速批量封裝、成本相對低廉等優(yōu)點，有望在彈藥引信包裝、火藥安全存儲、航空器材封存等軍事領(lǐng)域獲得應(yīng)用前景[9-10]。研究解決金屬包裝容器的氣體密封性問題，對于軍用產(chǎn)品的長期可靠封存、保持相對穩(wěn)定的物理性能具有現(xiàn)實意義。

在金屬包裝容器領(lǐng)域中，二重卷封結(jié)構(gòu)作為最廣泛的一種密封連接形式，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響容器的密封性能。在金屬包裝容器的實際應(yīng)用中，目前國內(nèi)外通常以卷封厚度、疊接率、緊密度等制造工藝參數(shù)來定性判別對二重卷封結(jié)構(gòu)密封效果的影響[11-13]，缺乏對二重卷封結(jié)構(gòu)泄漏機理方面的相關(guān)研究。因此，系統(tǒng)地分析二重卷封結(jié)構(gòu)的泄漏通道微觀尺寸，開展二重卷封結(jié)構(gòu)的泄漏機理及其量化研究，在指導(dǎo)金屬包裝容器的安全性和可靠性設(shè)計方面具有重要意義。

本文運用氣體動力學(xué)相關(guān)理論，通過建立二重卷封結(jié)構(gòu)泄漏模型，綜合考慮氣體的通道泄漏和滲透泄漏兩種因素，定量研究了卷封結(jié)構(gòu)幾何特征尺寸和泄漏介質(zhì)參數(shù)對二重卷封結(jié)構(gòu)中氣體漏率的影響。

1 二重卷封結(jié)構(gòu)泄漏模型

1.1 二重卷封結(jié)構(gòu)

金屬包裝容器上的密封形式包括罐身接縫和二重卷封。其中，罐身接縫屬于永久密封形式，通常使用電阻焊工藝完成，其泄漏可忽略不計。二重卷封結(jié)構(gòu)是金屬包裝容器罐身與罐蓋、罐底的組合，以5層金屬本體輔助密封材料咬合連接在一起的密封形式，如圖1所示。密封膠預(yù)先噴涂在罐蓋外沿上，通過二重卷封工藝壓緊并充填于罐身與罐蓋之間的結(jié)合面上，實現(xiàn)二重卷封結(jié)構(gòu)的有效密封。氣體經(jīng)過二重卷封結(jié)構(gòu)的泄漏途徑有兩種：一是氣體經(jīng)過密封膠的滲透，屬于滲透泄漏；二是氣體在密封膠和金屬材料本體之間形成的微型通道中流動，屬于界面泄漏。

圖1 二重卷封的剖面結(jié)構(gòu)

1.2 二重卷封泄漏模型

將二重卷封結(jié)構(gòu)沿包裝容器的直徑展開，使通道內(nèi)流動方向與x軸正向一致，建立如圖2所示的氣體流動坐標(biāo)系[14]。假設(shè)密封膠與罐身、罐蓋之間的縫隙為矩形，則二重卷封結(jié)構(gòu)的氣體泄漏問題，可等效為氣體在大長寬比矩形截面通道中的流動和滲透問題。矩形通道橫截面的短邊(即密封膠與金屬本體之間的縫隙寬度)為a，長邊(即包裝容器的截面周長)為b，滲透通道寬度(即密封膠厚度)為σ，流動路徑長度為E(即密封膠的寬度)，入口端氣體壓力為pi，出口端氣體壓力為pe.

圖2 二重卷封結(jié)構(gòu)的氣體泄漏模型

穩(wěn)定狀態(tài)下，黏滯流態(tài)氣體流動的Navier-Stokes方程為

(1)

式中：u=u(y,z)為主流方向氣體速度；μ為氣體動力黏度；p為通道內(nèi)氣體平均壓力。

兩側(cè)壁面上的流體速度為0 m/s，(1)式的邊界條件為：y=±b/2，u=0 m/s；z=0，u=0 m/s；z=a，u=0 m/s.可解得截面通道上氣體的速度分布為

(2)

流經(jīng)截面上的氣體體積流量q為

(3)

(4)

解得

(5)

式中：Δp=pi-pe.由于在實際中，b為密封膠的長度(即罐的周長)，其值遠(yuǎn)大于a，則(5)式可近似為

(6)

單位時間流過縫隙的氣體量(即氣體漏率)Qi為體積流量與平均壓力的乘積，則有

(7)

式中：Qi為密封膠與金屬之間縫隙的氣體漏率(Pa·m3/s)。

對于氣體從密封膠中滲透所形成的泄漏量，影響因素為膠層的面積、滲透路徑長度以及氣體對密封材料的滲透系數(shù)，其漏率形式為

(8)

式中：Qp為氣體在密封膠中的滲透漏率(Pa·m3/s)；d為包裝容器直徑(m)；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(Pa)；K為泄漏介質(zhì)在密封膠中的滲透系數(shù)(m3(標(biāo)況)·m/(m2·Pa·s))。

綜合以上分析，矩形泄漏通道共兩處，滲透通道一處，因此氣體流經(jīng)二重卷封結(jié)構(gòu)的整體漏率為

(9)

式中：Q為二重卷封結(jié)構(gòu)的整體漏率(Pa·m3/s)。

從(9)式可以看出，由密封膠滲透引起的氣體漏率不可避免，二重卷封結(jié)構(gòu)的整體漏率不小于氣體在密封膠中的滲透漏率。當(dāng)包裝容器的直徑和密封膠寬度確定時，控制二重卷封結(jié)構(gòu)總泄漏量的關(guān)鍵是盡量減小密封膠和罐身、罐體之間的泄漏通道寬度，且該通道形成的漏率與泄漏通道寬度呈三次方關(guān)系。

2 二重卷封結(jié)構(gòu)密封測試實驗

2.1 實驗條件

實驗選取一批直徑127 mm、高度120 mm、厚度0.25 mm的馬口鐵包裝容器為測試對象。實驗樣品容器的底蓋和頂蓋均以二重卷封形式與罐身封接。二重卷封工藝參數(shù)如下：卷邊厚度1.4～1.5 mm，卷邊寬度2.9～3.1 mm，身鉤長度2.1～2.2 mm，蓋鉤長度1.9～2.0 mm，疊接率不小于50%.以天然橡膠作為二重卷封結(jié)構(gòu)的密封材料，膠層的平均厚度為0.05 mm，密封寬度為5 mm，長度取罐蓋周長400 mm.二重卷封結(jié)構(gòu)的密封性能測試方法為：對實驗樣品容器安裝接口抽真空至20 Pa以下[15]，在容器外側(cè)整體包覆集氣罩并充入101 kPa壓力的氦氣，使用氦質(zhì)譜方法測量包裝容器的總漏率，如圖3所示。

圖3 二重卷封結(jié)構(gòu)密封測試裝置

通常金屬包裝容器的耐外壓強度不大于80 kPa，在此條件下如果對包裝容器抽至較高的真空度，會使其發(fā)生失穩(wěn)變形，導(dǎo)致二重卷封結(jié)構(gòu)密封失效，無法獲得準(zhǔn)確的密封檢測結(jié)果。因此，為使容器達(dá)到內(nèi)外近似一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的強度要求，在樣品容器外部采用了4道環(huán)形滾筋加強工藝，使其耐外壓強度提高到120 kPa以上并測試驗證。耐壓強度測試裝置由壓力測試腔體、壓力傳感器、充氣加壓裝置以及壓力采集系統(tǒng)構(gòu)成，壓力數(shù)據(jù)采集頻率為100 Hz，如圖4所示。測試前，在大氣壓(101 kPa)下對樣品容器進(jìn)行封裝，便于準(zhǔn)確記錄容器內(nèi)部初始壓力。測試時，在測試腔體中放置樣品容器，密封好測試腔體的頂部法蘭，向測試腔體和樣品容器外側(cè)之間的夾層中手動緩慢充入干燥氮氣，保持夾層中的氣體壓力逐漸上升，同時通過安裝在頂部法蘭上的壓力傳感器監(jiān)測充氣過程中的夾層壓力變化。當(dāng)容器發(fā)生失穩(wěn)時，其體積瞬間顯著減小勢必會使夾層壓力曲線發(fā)生明顯變化，此時樣品容器的內(nèi)外壓力之差即為其耐壓強度。

圖4 樣品容器耐壓強度測試

圖5給出了某次測試過程中腔體夾層的壓力變化曲線，可得到該樣品容器對應(yīng)的耐壓強度為138 kPa.重復(fù)性測試數(shù)據(jù)表明，樣品容器的耐壓強度集中分布在122～145 kPa之間，對其抽真空不會使二重卷封結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞變形，滿足密封性測試時的內(nèi)外壓差要求(約101 kPa)。

圖5 夾層充氣壓力變化曲線

圖6給出了上述相同規(guī)格樣品容器的密封檢測現(xiàn)場照片。在25 ℃室溫條件下，氦氣在天然橡膠中的滲透系數(shù)為2.25×10-11cm3(標(biāo)況)·mm/(cm2·Pa·s)[16].根據(jù)上述參數(shù)，對于單道二重卷封結(jié)構(gòu)，利用(9)式可計算得到氦氣經(jīng)過密封膠滲透形成的漏率為9.0×10-9Pa·m3/s.氦質(zhì)譜檢漏結(jié)果中共包含上下兩道二重卷封結(jié)構(gòu)的泄漏量，因此理論上樣品容器的總漏率不小于1.8×10-8Pa·m3/s.

圖6 樣品容器密封測試

2.2 實驗結(jié)果及分析

表1給出了10個樣品容器的總漏率測試結(jié)果。樣品容器的總漏率分布在1.7×10-8～5.2×10-8Pa·m3/s之間。考慮到測試過程中氦氣的壓力、濃度、標(biāo)準(zhǔn)漏孔等因素引入的不確定度，對于漏率最小的樣品容器，可以認(rèn)為密封膠層的氣體滲透效應(yīng)是形成泄漏的主要原因。切割包裝容器的二重卷封結(jié)構(gòu)，罐蓋及罐底各選取3～4個切割點，并保持切割剖面完整清晰。使用掃描電鏡對切割剖面進(jìn)行觀測，得到密封膠層的平均厚度約為53 μm，如圖7所示。對于不同樣品容器總漏率測試結(jié)果的差異性，主要原因可能是馬口鐵材料厚度的不均勻性(0.25 mm±5%)及其對兩道滾輪卷封過程的影響，這同時也體現(xiàn)在前述樣品容器耐壓強度的差異性方面(122～145 kPa)。值得注意的是，實驗中還發(fā)現(xiàn)樣品容器泄漏的穩(wěn)定時間普遍在20 min以上。

表1 樣品容器總漏率測試結(jié)果

圖7 密封膠層局部微觀圖

圖8給出了密封膠和金屬材料本體之間的泄漏通道寬度對應(yīng)的包裝容器的總漏率。從圖8中可以看出，隨著泄漏通道寬度的增大，樣品容器的總漏率迅速上升。當(dāng)泄漏通道寬度小于1 μm時，包裝容器的總漏率可控制優(yōu)于1.0×10-7Pa·m3/s.對于總漏率為5.2×10-8Pa·m3/s的包裝容器，解算預(yù)判其泄漏通道的平均寬度為0.77 μm.圖9給出了金屬材料本體與密封膠層之間的縫隙微觀照片，顯示泄漏通道的寬度處于0.74～0.97 μm之間，與預(yù)期計算值符合較好。

圖8 不同泄漏通道寬度對應(yīng)的總漏率

圖9 金屬材料本體與密封膠層之間的縫隙

由上述金屬材料本體與密封膠層之間的縫隙測試結(jié)果可以看出，縫隙尺度在1 μm以下，其矩形流動面的當(dāng)量直徑為

(10)

流動縫隙a取1 μm，流動寬度πd取400 mm，可得到氣體沿泄漏通道流動面的當(dāng)量直徑為2 μm，遠(yuǎn)小于流動路徑總長(二重卷封結(jié)構(gòu)的密封寬度)5 mm.在此條件下，氦氣在泄漏通道入口處的Knudsen數(shù)約為0.1，符合連續(xù)性假設(shè)。因此，前述泄漏理論計算使用一維黏滯流模型是合理的，并且可以忽略氣體流動的孔口效應(yīng)。

3 結(jié)論

本文針對流經(jīng)二重卷封結(jié)構(gòu)的氣體泄漏機理展開研究，綜合考慮通道泄漏和滲透泄漏兩種因素，提出一種基于矩形截面通道的氣體黏滯流泄漏模型，運用氣體動力學(xué)理論，定量研究了卷封幾何特征尺寸和泄漏介質(zhì)參數(shù)對金屬包裝容器二重卷封結(jié)構(gòu)泄漏特性的影響。得到主要結(jié)論如下：

1)由密封膠滲透引起的氣體漏率不可避免，二重卷封結(jié)構(gòu)的整體漏率不小于滲透漏率。測試結(jié)果表明，當(dāng)密封性能良好時，二重卷封結(jié)構(gòu)的整體漏率不小于9.0×10-9Pa·m3/s.

2)在密封膠寬度和包裝容器直徑確定的情況下，提高二重卷封結(jié)構(gòu)密封性的關(guān)鍵是控制密封膠和金屬材料本體之間的泄漏通道寬度，且該部分漏率與通道寬度呈三次方關(guān)系。利用實驗結(jié)果，預(yù)判并觀測了泄漏通道斷面的微觀尺寸。

3)本文研究結(jié)果可以為金屬包裝容器的密封設(shè)計與泄漏控制提供理論依據(jù)。對于實驗中二重卷封結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定泄漏耗時長達(dá)20 min以上的現(xiàn)象，還有待進(jìn)一步研究。