金屬軟管內(nèi)壁黑斑分析

陳衛(wèi)娜， 張?jiān)鲫枺?劉 濤， 谷勝民， 李 炎

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院物資中心，北京 100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

金屬軟管是一種管道的連接和補(bǔ)償裝置，具有高柔性、質(zhì)量輕、耐高溫高壓、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在管路中可以對(duì)任何方向進(jìn)行連接和補(bǔ)償，還可以吸收振動(dòng)、降低噪聲[1-2]，是現(xiàn)代管路中必不可少的元件，被廣泛用于化工的管道系統(tǒng)、過熱蒸氣管、液壓和氣壓設(shè)備的高壓管道、傳輸毒爆介質(zhì)的管道等，主要起到吸收往復(fù)運(yùn)動(dòng)、吸收熱膨脹、吸收振動(dòng)、補(bǔ)償管路的安裝偏差等作用。金屬軟管大體上由波紋管、網(wǎng)套及接頭3大部分構(gòu)成。波紋管是金屬軟管的主體，起著繞性的作用；網(wǎng)套起加強(qiáng)、屏蔽的作用；接頭起著連接的作用[3]。

在抽真空包裝的金屬波紋管拆封后進(jìn)行表面檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分波紋管內(nèi)壁用無塵布蘸酒精擦拭后有黑灰色物質(zhì)，采用內(nèi)窺鏡觀察后發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在斷續(xù)黑斑。同批波紋管共計(jì)9件，發(fā)現(xiàn)2件存在黑斑，黑斑的存在大大增加后續(xù)工序中產(chǎn)生多余物的風(fēng)險(xiǎn)。由于該批金屬波紋管所用位置對(duì)于多余物的控制要求極高[4]，多余物的存在將直接影響單機(jī)性能，嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品功能喪失，甚至飛行失利[5-7]。因此，必須明確金屬波紋管內(nèi)壁黑斑缺陷性質(zhì)及產(chǎn)生的原因。

本研究對(duì)波紋管內(nèi)壁的黑斑區(qū)域和正常區(qū)域進(jìn)行宏觀、微觀形貌觀察及能譜、紅外光譜的測(cè)試，同時(shí)結(jié)合金屬軟管的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析，確定黑斑產(chǎn)生的原因，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀分析

采用內(nèi)窺鏡對(duì)金屬軟管內(nèi)壁進(jìn)行觀察，可見距金屬軟管一端部約500 mm處內(nèi)壁存在2條沿金屬軟管軸向、在內(nèi)壁波峰處呈斷續(xù)分布的黑色條帶狀痕跡，具體形貌見圖1。

圖1 波紋管內(nèi)窺形貌Fig.1 Endoscopic image of bellows

將金屬軟管用機(jī)械方法分解，內(nèi)壁異常痕跡見圖2，目視可見2處條帶狀痕跡，長(zhǎng)度分別為40、30 mm，周向間隔 120°，顏色為黑色，呈斷續(xù)的不規(guī)則斑點(diǎn)狀附著于金屬軟管內(nèi)壁。

圖2 波紋管內(nèi)壁黑斑形貌Fig.2 Black spot appearance of bellows

1.2 微觀觀察

將金屬軟管置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察，可見正常部位金屬軟管內(nèi)壁呈酸洗形貌，黑色斑點(diǎn)部位覆蓋一層薄膜狀物質(zhì)，最大的斑點(diǎn)尺寸約為 0.3 mm×0.8 mm（圖3）。

圖3 波紋管內(nèi)壁 SEM 形貌Fig.3 SEM photograph of appearance of bellows internal face

1.3 能譜分析

對(duì)黑色斑點(diǎn)區(qū)域（圖3中點(diǎn) 1）和正常區(qū)域（圖3中點(diǎn)2）進(jìn)行能譜成分分析。黑斑區(qū)域主要含有 C、O以及少量 Na、Si、S、Cl、Cr、Mn、Fe元素，其中 C、O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá) 68.75%、22.10%，具有有機(jī)物成分特征；正常區(qū)域主要含有Fe、Cr、Ni、Mn、Si元素，主合金元素種類及含量均與波紋管基材0Cr18Ni9合金牌號(hào)相符。具體能譜成分分析表見表1。

表1 波紋管內(nèi)壁能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 EDS analysis result of bellows internal face (mass fraction /% )

1.4 紅外光譜分析

提取金屬軟管內(nèi)壁異常痕跡處的黑色附著物進(jìn)行紅外光譜成分分析，紅外光譜見圖4。從圖4中可見，波紋管內(nèi)壁黑色附著物的紅外光譜在1000~3000 cm?1處存在 1069、1240、1379、1478、2856、2943 cm?1等多個(gè)明顯吸收峰，其中 1069 cm?1為 C—O—C不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1240 cm?1為P=O伸縮振動(dòng)峰，1379 cm?1為—CH3的 C—H對(duì)稱面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，1478 cm?1為—CH3—CH2—的C—H不對(duì)稱面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，2856 cm?1處為C—H對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，2943 cm?1處為C—H不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰[8]，1069、1379、1478、2856、2943 cm?1吸收峰位置比較符合聚醚類合成油的特征吸收峰，1240 cm?1的P=O伸縮振動(dòng)峰屬于磷酸酯類合成油的特征吸收峰[8]。

圖4 黑色附著物的紅外光譜Fig.4 FT-IR spectrum of black attachment

2 分析及討論

根據(jù)紅外光譜分析結(jié)果，波紋管內(nèi)壁黑色附著物應(yīng)該主要是油脂類物質(zhì)，除了C、H之外，還包括O、Si和Cl，在碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)中引入含有這些元素的官能團(tuán)是合成基礎(chǔ)油的主要特征[8-11]，黑斑物質(zhì)的EDS結(jié)果也符合這個(gè)特征。由于金屬軟管為真空包裝交貨，拆封后進(jìn)行表面檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此，內(nèi)壁黑斑痕跡應(yīng)為生產(chǎn)過程中引入。

金屬軟管的生產(chǎn)過程大致分為3個(gè)階段：原材料入廠復(fù)驗(yàn)、金屬軟管加工、試驗(yàn)。金屬軟管中所用金屬波紋管管坯在波紋管廠家均進(jìn)行了除油處理，進(jìn)入金屬軟管生產(chǎn)廠家后先進(jìn)行清洗、烘干，再進(jìn)行內(nèi)窺檢查，該批波紋管入廠后的內(nèi)窺檢查結(jié)果并無異常。發(fā)現(xiàn)該問題后，廠家對(duì)于同批剩余的波紋管進(jìn)行再次內(nèi)窺檢查，均未發(fā)現(xiàn)波紋管內(nèi)壁有黑斑情況，因此可以排除波紋管自帶油跡的可能性。

從金屬軟管的加工過程分析，加工過程分別經(jīng)歷了焊接、清洗、烘干、吹除工序，清洗時(shí)用的是去離子水或無水乙醇，吹除時(shí)用的是高純氮?dú)猓ㄟ^排查廠家加工工序環(huán)境、設(shè)備，并未發(fā)現(xiàn)金屬軟管與油性物質(zhì)接觸的情況。

金屬軟管加工完成后，需對(duì)金屬軟管進(jìn)行液壓強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)，其中氣密試驗(yàn)介質(zhì)為潔凈的壓縮空氣，試驗(yàn)之前用多余物收集工裝復(fù)檢氣源潔凈度，并在軟管入口接過濾器，因此在氣密試驗(yàn)過程中引入油性物質(zhì)的可能性極小。

液壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)由水箱、電動(dòng)試壓泵和控制臺(tái)組成，電動(dòng)試壓泵為往復(fù)式柱塞泵，放置在水箱上（圖5）。電動(dòng)試壓泵工作時(shí)需要添加潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油一旦溢出將會(huì)混入試驗(yàn)介質(zhì)去離子水中。在液壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，將金屬波紋管一端豎起，使金屬波紋管內(nèi)的去離子水從一端流出。在此過程中，混入水中的潤(rùn)滑油極易附著于管壁，經(jīng)過后續(xù)烘干工序的高溫環(huán)境就會(huì)形成黑斑。

圖5 液壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)Fig.5 Hydraulic strength testing machine

根據(jù)以上分析，將液壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)電泵與水箱分開放置，同時(shí)對(duì)水箱進(jìn)行除油處理，選取內(nèi)壁無黑斑缺陷的金屬軟管，按照工藝要求進(jìn)行液壓強(qiáng)度試驗(yàn)及后續(xù)工序后，采用內(nèi)窺鏡觀察金屬軟管內(nèi)壁，無黑斑出現(xiàn)。

根據(jù)以上分析，提出以下預(yù)防措施：

1）改進(jìn)強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，將水箱與電增壓泵分開放置，去除電增壓泵中油落入水中的隱患。

2）更改工藝流程，在液壓強(qiáng)度試驗(yàn)與烘干工序之間增加氮?dú)怆p向吹除[12]，促進(jìn)管內(nèi)液體排出干凈，同時(shí)在后續(xù)的氣密試驗(yàn)完成之后的清洗過程中增加除油工序，確保在最終一道烘干前去除管內(nèi)油性物質(zhì)。

4 結(jié)論

1）金屬軟管產(chǎn)品波紋管內(nèi)壁黑斑為潤(rùn)滑油。

2）潤(rùn)滑油是由液壓強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)上的電增壓泵中溢出落入試驗(yàn)臺(tái)水箱，混入去離子水中的潤(rùn)滑油在液壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后附著于波紋管內(nèi)壁，在液壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的高溫烘干環(huán)境中與空氣作用后產(chǎn)生了黑色斑跡。

3）在金屬軟管的生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)環(huán)境及設(shè)備的清潔，避免多余物的引入。