摘 要:某發射筒端蓋在周轉過程中出現密封失效,通過理化檢驗和失效模擬試驗等方法,對該 端蓋密封失效的原因進行了分析.結果表明:端蓋外表面在周轉過程中受到機械外力作用產生了 裂紋,裂紋不斷擴展導致泄漏失效;將包裝箱內緩沖材料厚度適當增加,使發射筒與緩沖材料的間 隙小于１mm,可有效避免此類失效的發生.
關鍵詞:發射筒端蓋;裂紋;密封性;機械失效
中圖分類號:TB２３３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３０Ｇ０３
某發射筒端蓋在周轉過程中檢驗發現筒內壓力 降為０kPa(其正常值應大于０kPa),出現密封失 效.端蓋周轉過程經歷了溫度變化和長途運輸,其 成型工藝為模塑料熱壓成型,設計壽命遠大于周轉 期.為查明該端蓋密封失效的原因,筆者對其進行 了檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 泄漏檢測
端蓋安裝在筒端,與筒之間依靠密封條密封. 為查明泄漏位置,向筒內充氮氣至１０kPa(壓力傳 感器測量值),在端蓋和接口處涂抹肥皂水,結果發 現僅端蓋表面有氣泡產生.泄壓后更換一只新端蓋,再次進行檢漏,結果均無氣泡產生,且放置２４h 后無明顯壓降.由此斷定原端蓋出現密封失效.
１．２ 宏觀檢驗
使用放大鏡檢查失效端蓋的表面,并與未進行 周轉的端蓋對比,發現在該失效端蓋外表面圓弧過 渡處出現不連續裂紋,而內表面未發現任何裂紋, 見圖１.
１．３ 浸水氣密試驗
將該端蓋安裝在氣密工裝上進行浸水氣密試 驗,向工裝內充壓縮空氣至１０kPa(與周轉過程所 受壓力相同),結果發現外表面圓弧過渡處出現氣 泡,見圖２.壓力使裂紋寬度增加,但長度未擴展. 試驗進行５h,僅在裂紋處出現氣泡,而無裂紋處無 氣泡產生.
２ 失效分析與討論
端蓋表面有裂紋,而浸水氣密試驗表明僅裂紋 處氣體泄漏,說明端蓋密封失效原因直接來源于裂 紋,非金屬 失 效 主 要 有 老 化 失 效 和 機 械 失 效 兩 種 形式[１].
２．１ 老化失效
對端蓋與發射筒其他部分進行全狀態全要素加 速壽命模擬試驗,結果均合格.端蓋經歷多批次交 付與使用,未發現密封失效現象,而周轉期遠遠小于 設計壽命,說明端蓋在設計和制造工藝方面不存在 問題.復查密封失效端蓋生產過程,也未發現不符 合設計和制造工藝的情況.
端蓋經密封性能全檢、外觀全檢驗收后交付,說 明其在周轉前密封性能正常,排除了端蓋自身質量 問 題引起裂紋的產生,那么裂紋只可能來自于周轉過程.
將端蓋按標準和使用中實際遇到的工況進行各 類試驗(包 括 顛 震 試 驗、太 陽 輻 射 試 驗、運 輸 試 驗 等[２Ｇ４]),均通過了鑒定試驗考核,說明端蓋可以經受 周轉遇到的各種工況.
端蓋的密封性能指標遠遠高于周轉過程中的 正常壓力范圍(承壓維持在１０kPa左右).若壓力 保護裝置失 效 時,其 承 受 的 壓 力 范 圍 為 －１０~３７ kPa(考 慮 到 溫 度 變 化,數 值 來 自 于 實 際 試 驗 數 據),該范圍也遠遠低于端蓋的密封性能指標.同 時端蓋按 照 標 準 進 行 過 濕 熱 試 驗[５]、多 批 次 高 溫 和 低 溫 貯 存 試 驗[６Ｇ７],結 果 均 正 常,證 明 端 蓋 可 承 受周轉過 程 中 的 溫 度 變 化.查 閱 周 轉 過 程 記 錄, 未發現壓力 和 溫 度 超 標,其 他 使 用 工 況 均 未 超 出 設計范圍.
在端蓋的不連續裂紋上選取典型位置取樣,進 一步觀察裂紋擴展情況,取樣過程見圖３.試樣取 下后保持完整,未斷裂為兩塊,說明裂紋未貫穿,這 與 宏 觀 檢 驗 結 果 一 致. 使 用 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (SEM)觀察裂紋截面形貌,見圖４.可以看出截面 上裂紋附近無細小裂紋,由此推斷裂紋不是老化失 效造成的.
２．２ 機械失效
由于裂紋僅出現在端蓋外表面,未貫穿,推測端 蓋外表面受到外力作用而產生了裂紋.為此,取兩 只性能合格的端蓋,置于工裝上,使用 SANS拉力 試驗機進行模擬試驗,試驗裝置見圖５.在實際周 轉過程中端蓋外表面受緩沖材料保護,因此在進行 模擬試驗時也使用了緩沖材料.在端蓋表面放泡沫 棉(與周轉過程中所使用的材料一致,厚度相當),然 后覆上鐵塊(與周轉過程中端蓋接觸面積相當),通 過壓縮裝置的上夾具,從外表面對端蓋施加壓力,觀 察其是否出現裂紋.試驗采用了５,５０ mmmin－１ 兩種外力加載速度(根據試驗機使用經驗選擇有對 比性 的 兩 個 速 度 ),當 力 分 別 達 到 ２２５２ N 和 ２３３０N 時,端蓋出現裂紋,但位移相差不大,均為 ３~４mm.無 論 采 用 ５ mm min－１ 還 是 ５０mmmin－１的加載速度,端蓋均出現了和密封失 效端蓋類似的裂紋,即內表面無裂紋,僅外表面存在 裂紋,且加載速度越快,受力越大,端蓋出現裂紋的 時間越短.再進行浸水氣密試驗也發現裂紋處有氣 泡產生;采用和失效端蓋同樣的方式取樣觀察,發現 裂紋未貫穿.
上述分析結果表明,端蓋密封失效由外力所致. 細查周轉過程發現所用包裝箱加了緩沖防撞材料 后,防撞材料與端蓋的距離公差可達３mm,與筒的 距離公差為２ mm,裝箱后發射筒的一部分會在包 裝箱內有微小移動,移動距離最大為５ mm.包裝 箱在周轉過程中受到外力作用時,由于存在間隙,加 上緩沖材料厚度較薄,外力會傳遞到端蓋上,致使端 蓋產生裂紋并逐漸擴展,最終發生密封失效.
２．３ 解決措施及驗證
為避免機械失效,將圖５中的緩沖材料厚度增加２mm后再次進行了模擬試驗.結果發現無論以 ５mmmin－１還是５０mmmin－１的速度加載,當力 達到３０００N 時,端蓋均未出現裂紋,浸水氣密試驗 也未發現泄漏.由此可見,適當增加緩沖材料厚度 可有效防止裂紋的產生.
綜合上述試驗結果以及實際經驗,擬將箱內緩 沖材料的厚度增加２ mm,同時裝箱時檢查發射筒 和緩沖材料之間的間隙,當間隙大于１mm 時,額外 增加緩沖材料,將間隙減至１mm 以內.對待周轉 的端蓋采取上述措施處理,經驗證該批次端蓋在周 轉過程中未再出現類似失效問題.
３ 結論及建議
該發射筒端蓋密封失效原因為周轉過程中端蓋 外表面受外力作用產生了裂紋,裂紋不斷擴展最終 導致其密封失效.將包裝箱內緩沖材料厚度適當增 加,保證發射筒和緩沖材料之間的間隙小于１mm, 可有效防止此類機械失效.
參考文獻:
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<文章來源 >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 55卷 > 10期 (pp:730-732)>