金屬隔膜貯箱典型試驗過程中隔膜翻轉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的隔膜翻轉事故進行了故障原因摸排和分析，并通過模擬試驗進行故障原因確認。最后得出結論: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壓力，是造成金屬膜翻轉故障的主要原因。針對該問題采取了改進措施，取得了很好的試驗效果，后續產品試驗中再未出現類似問題。

關鍵詞:金屬隔膜貯箱 典型試驗 隔膜翻轉故障 分析

中圖分類號:U260文獻標識碼: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”)屬我國武器系統某型號重點試驗產品，在生產工藝和技術覆蓋方面均體現著世界先進水平。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、進氣嘴、金屬隔膜、支撐環;下半球組件包括下殼體、出液嘴和隔板。

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

在完成了本批次10只貯箱的隔膜正向氣密性試驗后，對貯箱進行了容積測定及液壓強度試驗，檢測結果合格。隨后對抽典件貯箱進行了氣密檢查試驗和高低溫試驗，試驗結果合格。對本批其它9只貯箱進行了氣密檢查試驗，試驗結果合格。最后按技術條件分別對10只貯箱的液腔容積進行了復測。測量中發現抽典件貯箱容積減小約1.3L，不符合設計要求，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生了局部翻轉。為驗證隔膜狀態，對氣腔容積進行了測量，測量結果表明金屬膜在試驗過程中發生了局部翻轉。為保證型號產品質量和杜絕后續事故的再次發生，需要深入進行故障原因探究和解決方案的確認。

1 故障原因排查

1.1 金屬膜設計

根據設計計算，該型號貯箱所使用金屬膜的翻轉壓力約為0.15MPa。經過前期對未焊接金屬膜進行試驗，該批金屬膜設計尺寸符合翻轉壓力要求。本批金屬隔膜貯箱為模樣第2批生產，前期第1批貯箱已進行多只產品的翻轉試驗，翻轉壓力符合設計要求。

1.2 貯箱制造過程

經復查抽典件貯箱在制造過程中生產過程受控，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譜檢漏試驗過程中未出現隔膜翻轉情況，試驗結果合格。該貯箱在壓力驗證前液腔容積測量中未發現異常。

1.3 隔膜氣密檢查試驗氣液口反接

根據金屬隔膜貯箱技術條件要求，貯箱在裝配、焊接及熱處理完成后，需對貯箱進行隔膜氣密檢查試驗。經復查，本批次貯箱隔膜氣密檢查試驗過程中未出現氣液口反接情況。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，試驗結果合格。在貯箱隔膜氣密檢查試驗后即對液腔容積進行了測量，測量結果合格。

1.4 貯箱液壓強度試驗加壓速率過快

技術條件要求，貯箱在隔膜氣密檢查試驗完成后，需對貯箱進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氣、液腔壓力不平衡狀態。

1.5 貯箱高低溫試驗

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

1.6 貯箱氣密檢查過程試驗設備故障

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%。氣壓表標檢合格，在有效標檢期內。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

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

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氣、液腔壓力不平衡狀態。在加壓過程中加壓速率過高，貯箱氣、液腔內會出現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壓力會導致金屬膜發生翻轉。

故障發生后的貯箱氣密檢查模擬試驗結果表明:加壓速率約為2MPa/min時才會出現氣液腔壓力差超過0.15MPa的現象。在2MPa/min加壓速率下需約6sec即可使氣、液腔壓力差接近并達到翻轉壓力。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條件要求。但由于是使用手動截止閥進行的人工操作，無法排除在短時間內出現大于2MPa/min加壓速率的情況。

2 模擬試驗

故障發生后，技術人員針對貯箱氣密檢查試驗階段可能導致隔膜翻轉的加壓過程和卸壓過程進行了模擬試驗。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。

模擬試驗按技術條件要求進行了加壓。加壓過程中發現:液腔壓力值在加壓過程中與系統壓力值始終處于同步變化狀態，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該情況的原因，對系統進行了卸壓。卸壓過程中發現液腔壓力值始終隨系統壓力同步下降，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，這一結果也符合氣體在管路中的流導過程。

2.2 第二階段模擬試驗

由于貯箱產品氣液腔接嘴內徑不一致，且氣腔接嘴內徑大于液腔接嘴內徑，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，進行了第二階段貯箱氣密檢查模擬試驗。根據試驗方案共采取了三種試驗系統連接方式:1)氣口接嘴內徑與貯箱產品相同、氣腔容積與貯箱產品不同;2)氣口接嘴內徑與貯箱產品不同、氣腔容積與貯箱產品不同;3)氣口接嘴內徑與貯箱產品不同、氣腔容積與貯箱產品相同;

在試驗過程中分別使用了Φ4mm、Φ6mm兩種接頭進行試驗，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，未發現明顯變化。

試驗數據表明氣、液腔試驗接頭內徑的改變對液腔容積無影響。所以，試驗結果也排除了氣、液腔試驗接頭內徑差異導致產生故障的可能性。

2.3 第三階段模擬試驗

經過之前兩個階段的試驗后，對造成抽典貯箱金屬膜翻轉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行了試驗。試驗中均采用了不同加壓速率進行了加壓，每次加壓均達到或接近貯箱產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據進行了采集。在首先進行的氣壓表數據采集的模擬試驗中，共采用了兩種加壓速率，并同時從3部氣壓表讀取壓力數據。

試驗結果表明，在不同的加壓速率下進行貯箱氣密檢查模擬試驗，會導致氣、液腔內壓力出現不同程度的變化。

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據。通過對這些數據的分析可以得出結論:(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，采用技術條件所規定的加壓速率(0.5MPa/min)不會出現明顯的氣、液腔壓力差;使用較高加壓速率(≤1.5MPa/min)的情況下，會出現明顯的氣、液腔壓力差，但差值較小，無法達到金屬膜翻轉壓力值;使用過高的加壓速率(2MPa/min)會導致氣、液腔出現可使金屬膜發生翻轉的壓力差。以2MPa/min加壓速率連續加壓超過6s即達到翻轉壓力;加壓過程中易出現明顯壓力差值的時間段為容器內部壓力未超過2MPa之前的加壓初期;(4)在貯箱氣密檢查試驗結束后的卸壓過程中，如不采用極速卸壓的方法，不會產生明顯的壓力差;使用過高的卸壓速率(2MPa/min)會導致氣、液腔出現明顯的壓力差，且液腔壓力大于氣腔壓力;卸壓過程中易出現壓力差的時間段為容器內部壓力低于2MPa之后的卸壓末期;(5)按技術條件規定:每加壓1MPa，保壓1min，可以保證氣、液腔壓力平衡。

3.2 討論

根據模擬試驗結果可以得出，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生故障的原因。抽典貯箱試驗過程中所采用的與技術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達到翻轉壓力的氣液腔壓力差的。但由于使用了手動截止閥進行操作，其固有特性導致在試驗過程中必須通過調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6s以上以大加壓速率(≥2MPa/min)進行加壓的情況。抽典件貯箱在抽典試驗過程中共進行了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該情況或多次累加造成金屬膜的翻轉。

4 解決方案

4.1 采取措施

根據機理分析結果，貯箱在進行氣密檢查試驗過程中緩慢加壓不會產生大于0.15MPa的翻轉壓力。但在持續大速率加壓的情況下，會產生導致金屬膜翻轉的氣、液腔壓力差，在技術上存在一定的風險。為保證后續產品試驗順利完成，制定了以下解決措施(系統連接見圖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，使用減壓閥進行加壓操作，消除加壓過程中出現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

為保證改進措施的有效性，按改進方案進行了改進方案驗證試驗。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據采集系統，共進行了高、低兩種加壓速率的驗證試驗。經過試驗，并對試驗數據進行分析后，可以得出:通過減小容器容積差，基本消除了兩只容器內出現壓力差的可能性;使用減壓閥進行手工操作可以有效的避免短時加壓速率變化的情況。改進措施能夠有效的保證了后續產品試驗的順利完成。

采取改進措施后，本批次其它產品經驗收級試驗后進行容積復測，均未發現產品容積發生變化，金屬膜在試驗過程中未再出現翻轉故障。

5 結論

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

(2)在試驗過程中由于操作不當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壓力是造成金屬膜翻轉故障的主要原因;

(3)在采取改進措施后，有效解決了該故障產生的渠道，杜絕了該故障的再次發生，在后續產品試驗中再未出現類似問題。

參考文獻

[1]孫明杰，等.淺談壓力容器的水壓試驗[J].才智，2011(17):31-32.

[2]白杰.壓力管道設計應關注的幾個問題[J].新疆化工，2010(3):41-43.

[3]劉振洋.壓力試驗在壓力容器檢驗中的質量控制[J].科技資訊，2011(11):40-44.

[4]李洪昇.壓力容器的安全檢測與壓力試驗的應用[J].壓力容器，2009(5):22-23.

[5]王守樟.壓力試驗與壓力容器的安全評定[J].化工工業，2009(2):40-42.

[6]張新風.壓力容器設計與檢測探討[J].內蒙古科技與經濟，2009(15):18-19.

[7]馬秉彬.壓力容器壓力試驗的操作與實施[J].石化技術，2008(2):34-35.