分享：某发射筒端盖密封失效分析
摘 要:某发射筒端盖在周转过程中出现密封失效,通过理化检验和失效模拟试验等方法,对该 端盖密封失效的原因进行了分析.结果表明:端盖外表面在周转过程中受到机械外力作用产生了 裂纹,裂纹不断扩展导致泄漏失效;将包装箱内缓冲材料厚度适当增加,使发射筒与缓冲材料的间 隙小于１mm,可有效避免此类失效的发生.
关键词:发射筒端盖;裂纹;密封性;机械失效
中图分类号:TB２３３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３０Ｇ０３
某发射筒端盖在周转过程中检验发现筒内压力 降为０kPa(其正常值应大于０kPa),出现密封失 效.端盖周转过程经历了温度变化和长途运输,其 成型工艺为模塑料热压成型,设计寿命远大于周转 期.为查明该端盖密封失效的原因,笔者对其进行 了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 泄漏检测
端盖安装在筒端,与筒之间依靠密封条密封. 为查明泄漏位置,向筒内充氮气至１０kPa(压力传 感器测量值),在端盖和接口处涂抹肥皂水,结果发 现仅端盖表面有气泡产生.泄压后更换一只新端盖,再次进行检漏,结果均无气泡产生,且放置２４h 后无明显压降.由此断定原端盖出现密封失效.
１．２ 宏观检验
使用放大镜检查失效端盖的表面,并与未进行 周转的端盖对比,发现在该失效端盖外表面圆弧过 渡处出现不连续裂纹,而内表面未发现任何裂纹, 见图１.
１．３ 浸水气密试验
将该端盖安装在气密工装上进行浸水气密试 验,向工装内充压缩空气至１０kPa(与周转过程所 受压力相同),结果发现外表面圆弧过渡处出现气 泡,见图２.压力使裂纹宽度增加,但长度未扩展. 试验进行５h,仅在裂纹处出现气泡,而无裂纹处无 气泡产生.
２ 失效分析与讨论
端盖表面有裂纹,而浸水气密试验表明仅裂纹 处气体泄漏,说明端盖密封失效原因直接来源于裂 纹,非金属 失 效 主 要 有 老 化 失 效 和 机 械 失 效 两 种 形式[１].
２．１ 老化失效
对端盖与发射筒其他部分进行全状态全要素加 速寿命模拟试验,结果均合格.端盖经历多批次交 付与使用,未发现密封失效现象,而周转期远远小于 设计寿命,说明端盖在设计和制造工艺方面不存在 问题.复查密封失效端盖生产过程,也未发现不符 合设计和制造工艺的情况.
端盖经密封性能全检、外观全检验收后交付,说 明其在周转前密封性能正常,排除了端盖自身质量 问 题引起裂纹的产生,那么裂纹只可能来自于周转过程.
将端盖按标准和使用中实际遇到的工况进行各 类试验(包 括 颠 震 试 验、太 阳 辐 射 试 验、运 输 试 验 等[２Ｇ４]),均通过了鉴定试验考核,说明端盖可以经受 周转遇到的各种工况.
端盖的密封性能指标远远高于周转过程中的 正常压力范围(承压维持在１０kPa左右).若压力 保护装置失 效 时,其 承 受 的 压 力 范 围 为 －１０~３７ kPa(考 虑 到 温 度 变 化,数 值 来 自 于 实 际 试 验 数 据),该范围也远远低于端盖的密封性能指标.同 时端盖按 照 标 准 进 行 过 湿 热 试 验[５]、多 批 次 高 温 和 低 温 贮 存 试 验[６Ｇ７],结 果 均 正 常,证 明 端 盖 可 承 受周转过 程 中 的 温 度 变 化.查 阅 周 转 过 程 记 录, 未发现压力 和 温 度 超 标,其 他 使 用 工 况 均 未 超 出 设计范围.
在端盖的不连续裂纹上选取典型位置取样,进 一步观察裂纹扩展情况,取样过程见图３.试样取 下后保持完整,未断裂为两块,说明裂纹未贯穿,这 与 宏 观 检 验 结 果 一 致. 使 用 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM)观察裂纹截面形貌,见图４.可以看出截面 上裂纹附近无细小裂纹,由此推断裂纹不是老化失 效造成的.
２．２ 机械失效
由于裂纹仅出现在端盖外表面,未贯穿,推测端 盖外表面受到外力作用而产生了裂纹.为此,取两 只性能合格的端盖,置于工装上,使用 SANS拉力 试验机进行模拟试验,试验装置见图５.在实际周 转过程中端盖外表面受缓冲材料保护,因此在进行 模拟试验时也使用了缓冲材料.在端盖表面放泡沫 棉(与周转过程中所使用的材料一致,厚度相当),然 后覆上铁块(与周转过程中端盖接触面积相当),通 过压缩装置的上夹具,从外表面对端盖施加压力,观 察其是否出现裂纹.试验采用了５,５０ mmmin－１ 两种外力加载速度(根据试验机使用经验选择有对 比性 的 两 个 速 度 ),当 力 分 别 达 到 ２２５２ N 和 ２３３０N 时,端盖出现裂纹,但位移相差不大,均为 ３~４mm.无 论 采 用 ５ mm min－１ 还 是 ５０mmmin－１的加载速度,端盖均出现了和密封失 效端盖类似的裂纹,即内表面无裂纹,仅外表面存在 裂纹,且加载速度越快,受力越大,端盖出现裂纹的 时间越短.再进行浸水气密试验也发现裂纹处有气 泡产生;采用和失效端盖同样的方式取样观察,发现 裂纹未贯穿.
上述分析结果表明,端盖密封失效由外力所致. 细查周转过程发现所用包装箱加了缓冲防撞材料 后,防撞材料与端盖的距离公差可达３mm,与筒的 距离公差为２ mm,装箱后发射筒的一部分会在包 装箱内有微小移动,移动距离最大为５ mm.包装 箱在周转过程中受到外力作用时,由于存在间隙,加 上缓冲材料厚度较薄,外力会传递到端盖上,致使端 盖产生裂纹并逐渐扩展,最终发生密封失效.
２．３ 解决措施及验证
为避免机械失效,将图５中的缓冲材料厚度增加２mm后再次进行了模拟试验.结果发现无论以 ５mmmin－１还是５０mmmin－１的速度加载,当力 达到３０００N 时,端盖均未出现裂纹,浸水气密试验 也未发现泄漏.由此可见,适当增加缓冲材料厚度 可有效防止裂纹的产生.
综合上述试验结果以及实际经验,拟将箱内缓 冲材料的厚度增加２ mm,同时装箱时检查发射筒 和缓冲材料之间的间隙,当间隙大于１mm 时,额外 增加缓冲材料,将间隙减至１mm 以内.对待周转 的端盖采取上述措施处理,经验证该批次端盖在周 转过程中未再出现类似失效问题.
３ 结论及建议
该发射筒端盖密封失效原因为周转过程中端盖 外表面受外力作用产生了裂纹,裂纹不断扩展最终 导致其密封失效.将包装箱内缓冲材料厚度适当增 加,保证发射筒和缓冲材料之间的间隙小于１mm, 可有效防止此类机械失效.
参考文献:
[１] 许凤和,邸 祥 发,过 梅 丽．航 空 非 金 属 件 失 效 分 析 [M]．北京:科学出版社,１９９３．
[２] 中航工业综合技术研究所．军用装备实验室环境试验 方法 第１部分 通用要求:GJB１５０．１A－２００９[S]．北 京:总装备部军标出版发行社,２００９．
[３] 中国航天标准化研究所．地(舰)空 导 弹 运 输 试 验 方 法:GJB５１８４－２００３[S]．北京:国防科工委军标出版 发行部,２００３．
[４] 中航工业综合技术研究所．军 用 装 备 实 验 室 环 境 试 验方法 第７部分:太阳辐射试验:GJB１５０．７A－２００９ [S]．北京:总装备部军标出版发行社,２００９．
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[６] 中航工业综合技术研究所．军 用 装 备 实 验 室 环 境 试 验方法 第３部分 高温试验:GJB１５０．３A－２００９[S]． 北京:总装备部军标出版发行社,２００９．
[７] 中航工业综合技术研究所．军 用 装 备 实 验 室 环 境 试 验方法 第４部分 低温试验:GJB１５０．４A－２００９[S]． 北京:总装备部军标出版发行社,２００９．
<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 10期 (pp:730-732)>
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