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淺談奶粉鐵罐密封性檢測(cè)法

文章出處: 責(zé)任編輯: 人氣:1467 發(fā)表時(shí)間:2019/10/22 10:07:00【

隨著奶粉鐵罐生產(chǎn)要求的不斷提高,奶粉鐵罐密封性檢測(cè)方法(俗稱檢漏法)幾經(jīng)迭代變遷:從早期的離線抽檢方式到簡(jiǎn)易、低精度的負(fù)壓在線檢測(cè)方式;再發(fā)展到通過(guò)氣缸活塞加壓的方式獲得潔凈氣體,精度較好的正壓檢測(cè)方法;最后演變成如今采用無(wú)油空壓機(jī)和過(guò)濾系統(tǒng)獲得潔凈氣體,綜合評(píng)價(jià)最佳的正壓檢測(cè)方法。


奶粉鐵罐


奶粉鐵罐在線檢漏的重要性

奶粉是以新鮮牛奶或羊奶為原料,用冷凍或加熱的方法,除去乳中幾乎全部水分,經(jīng)干燥后再添加適量維生素、礦物質(zhì)等成分而得到的沖調(diào)食品。

奶粉多使用金屬罐包裝,原因是后者具有高阻隔性及良好的密封性。在奶粉灌裝、封罐兩道工序之間,必須對(duì)奶粉鐵罐進(jìn)行抽真空和充氮?dú)馓幚恚源_保奶粉鐵罐內(nèi)氧氣殘存率低于3%。若奶粉鐵罐的密封性不好,就會(huì)使罐內(nèi)的氮?dú)饬魇?,空氣中的氧氣、水分等進(jìn)入罐內(nèi)。由于奶粉含有大量蛋白質(zhì)、脂肪等高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在與氧氣長(zhǎng)時(shí)間接觸后容易出現(xiàn)緩慢氧化變質(zhì)、結(jié)塊、顏色與口感異常等質(zhì)量問(wèn)題,因此奶粉鐵罐密封性能的重要性可見一斑。


奶粉鐵罐圖1 


若奶粉鐵罐的密封性不好,奶粉易出現(xiàn)緩慢氧化變質(zhì)、結(jié)塊、顏色與口感異常等質(zhì)量問(wèn)題

奶粉鐵罐多為馬口鐵三片罐。“三片罐”之稱,源于它由罐身、罐底和罐頂三大部分組成。其中罐身一般通過(guò)電阻縫焊機(jī)焊接而成,罐頂多采用由馬口鐵和鋁箔貼合的易撕蓋,罐底往往為馬口鐵平底蓋。

為了保證奶粉鐵罐的密封性,制罐廠和奶粉廠需在各自生產(chǎn)工藝上嚴(yán)格把控并相互配合。前者需要控制好罐身焊縫質(zhì)量,涉及柔韌性、拖尾長(zhǎng)度、搭接量、焊點(diǎn)間距、毛刺等指標(biāo);易撕蓋鋁箔貼合緊密性;以及罐頂與罐身的卷封質(zhì)量。后者則應(yīng)控制好罐底與罐身的卷封質(zhì)量。由此可見,奶粉鐵罐密封性的大部分控制點(diǎn)都落在制罐工藝上,所以應(yīng)定期抽檢各工序質(zhì)量。此外,對(duì)每個(gè)成品奶粉空罐進(jìn)行在線檢漏也必不可少。

在線檢漏之壓力衰減法

對(duì)馬口鐵三片罐進(jìn)行在線檢漏通常采用壓力衰減法,即:利用膠盤密封罐口并給予罐內(nèi)一定的氣壓,保壓一定時(shí)間后再檢測(cè)氣壓,氣壓差若在許可范圍內(nèi)則視為合格,反之則視為漏罐。

壓力衰減法依據(jù)的是克拉伯龍方程PV=nRT。其中:P是氣體的壓強(qiáng);V是氣體的體積;n是氣體的摩爾數(shù);R是氣體普適恒量,其值為8.31J/mol;T 是氣體的溫度。一方面,顯而易見n、R為常數(shù)。另一方面,由于檢測(cè)時(shí)間較短且無(wú)外在影響溫度的因素,因而氣體溫度(T)可視為不變。此外,在檢漏過(guò)程中因罐口被密封,從而罐內(nèi)的空間不變,即氣體的體積(V)亦不變。綜上而言,密封性合格的三片罐罐內(nèi)氣體的壓強(qiáng)(P)理論上也應(yīng)該是不變的,否則就說(shuō)明是漏罐。

根據(jù)波意爾定律,一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變的情況下,其壓強(qiáng)與體積成反比,即P1/P2=V2/V1。具體來(lái)說(shuō),如果兩個(gè)體積不同的罐子泄漏了同樣質(zhì)量的氣體,那么大罐內(nèi)產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化就小,在小罐內(nèi)產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化就大。

根據(jù)檢測(cè)氣壓不同,可分為負(fù)壓檢測(cè)和正壓檢測(cè)。

負(fù)壓檢測(cè)

負(fù)壓檢測(cè)的原理是:利用膠盤密封空罐罐口并進(jìn)行抽真空,使罐內(nèi)壓力達(dá)到一定負(fù)壓值并通過(guò)負(fù)壓壓力傳感器讀取壓力值A(chǔ),保壓數(shù)秒后,再次讀取壓力值B,兩次讀數(shù)之差(壓力差)若在設(shè)定值范圍內(nèi)則視為合格,反之則視為漏罐。

兩大優(yōu)勢(shì) 

首先,檢漏裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易。如圖2所示,在真空吸附力的作用下,空罐罐口(罐口向上)將被吸附并密封在膠盤上,無(wú)需托罐結(jié)構(gòu)或者僅需簡(jiǎn)單的托罐結(jié)構(gòu)。


 奶粉鐵罐檢測(cè)原理圖2


 負(fù)壓檢漏裝置具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)

其次,罐內(nèi)壓力變化受罐身溫度變化影響較小。根據(jù)前述克拉伯龍方程,由于密封奶粉鐵罐內(nèi)氣體的體積不變,因而當(dāng)氣體溫度(T)上升時(shí),氣壓(P)也會(huì)隨之上升,反之亦反。影響罐內(nèi)氣體溫度變化的因素?zé)o外乎外部環(huán)境溫度或罐體溫度。在傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射三類熱傳遞方式中,僅有前二者需要靠介質(zhì)來(lái)傳遞內(nèi)能。當(dāng)罐內(nèi)的負(fù)壓越大,介質(zhì)就越少,氣體溫度變化幅度也就越小。

在實(shí)際奶粉鐵罐生產(chǎn)中,大部分采用無(wú)塵車間并配置有空調(diào)恒溫系統(tǒng)。同時(shí),在檢漏機(jī)的前端配置有一段儲(chǔ)罐輸送帶,基本上能抵消罐身在滾筋卷封后產(chǎn)生的熱量,這樣在進(jìn)入檢漏機(jī)時(shí)罐體溫度就幾乎不變。需要指出的是,大部分奶粉鐵罐都采用了易撕蓋,如果負(fù)壓過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致易撕蓋被拉伸變形。而微負(fù)壓(-10~0Kpa)條件下熱傳遞還是存在的,因此負(fù)壓檢漏“負(fù)壓越大,氣體溫度變化幅度越小”的優(yōu)勢(shì)在奶粉鐵罐檢漏中無(wú)法得到明顯體現(xiàn)。

兩大劣勢(shì) 第一,無(wú)法檢測(cè)到易撕蓋上鋁箔與蓋環(huán)貼合工藝中可能出現(xiàn)的泄漏或緊密不足等缺陷。如圖3、圖4所示,鋁箔與蓋環(huán)的貼合面在罐蓋外側(cè),當(dāng)采用負(fù)壓檢測(cè)時(shí),罐內(nèi)氣壓低于罐外,氣壓差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由罐外向罐內(nèi)的擠壓力,使鋁箔微微向罐內(nèi)凹陷,使鋁箔與蓋環(huán)貼合更加緊密,導(dǎo)致原本鋁箔與蓋環(huán)貼合工藝中可能出現(xiàn)的小瑕疵(似漏非漏狀態(tài)或者小泄漏縫隙)將被掩蓋過(guò)去而無(wú)法被檢出,讓奶粉鐵罐密封性的風(fēng)險(xiǎn)大為增加。


奶粉鐵罐圖3 


鋁箔與蓋環(huán)的貼合面在易撕蓋外側(cè)


奶粉鐵罐原理圖4 


貼合面結(jié)構(gòu)示意圖

第二,檢測(cè)精度較低。主要根結(jié)在于它的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和配置。以容量約2000ml的常用奶粉鐵罐罐型#502來(lái)說(shuō),根據(jù)波意爾定律,在負(fù)壓檢測(cè)過(guò)程中,這么大容量的空罐若存在較小的泄漏,在進(jìn)入較少氣體后,罐內(nèi)壓力變化很微小,壓力傳感器很難感應(yīng)到壓力變化。如圖5所示,壓力傳感器A和B分別被固定在靜密封盤上,必須通過(guò)動(dòng)密封盤、長(zhǎng)度在1.5米以上的氣管和罐口密封膠盤才能讀取到罐內(nèi)壓力值,導(dǎo)致在加大檢測(cè)空間之外,更增加了壓力傳感器感應(yīng)壓力變化的難度。


奶粉鐵罐檢測(cè)圖5 


負(fù)壓檢漏法檢測(cè)精度較低的主要根結(jié)在于其機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和配置

另外,由于兩個(gè)壓力傳感器的度數(shù)基準(zhǔn)存在一定偏差,壓力讀取值A(chǔ)、B之間存在的誤差也會(huì)影響檢測(cè)精度。

歸結(jié)于上述原因,目前在金屬包裝行業(yè),負(fù)壓檢漏機(jī)大多用于檢測(cè)精度要求不高、小容量罐型(400ml以內(nèi))、封平底蓋或者易拉蓋的食品罐和飲料罐生產(chǎn)。

正壓檢測(cè)

正壓檢測(cè)的原理是:利用膠盤密封空罐罐口并進(jìn)行充氣,使罐內(nèi)壓力達(dá)到一定正壓值并通過(guò)正壓壓力傳感器讀取壓力值C,保壓數(shù)秒后,再次讀取壓力值D,兩次讀數(shù)相減所得壓力差若在設(shè)定值范圍內(nèi)則視為合格,反之則視為漏罐。

兩大不足

 首先,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,零部件的加工裝配精度要求較高,制造成本不低。

如圖6所示,在正壓檢測(cè)過(guò)程中,罐內(nèi)壓力為正壓,需要托罐機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠地托住罐底,以使罐口與密封膠盤保持密封。由于膠盤具有一定彈性,若托罐機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不足,造成設(shè)備運(yùn)作過(guò)程出現(xiàn)震動(dòng),影響膠盤的壓縮量,將導(dǎo)致罐內(nèi)空間出現(xiàn)微小變化,甚至罐口不密封,最終影響檢測(cè)精度。因此托罐機(jī)構(gòu)必須具有較高的機(jī)械精度。


奶粉鐵罐檢測(cè)圖6 


正壓檢漏法的托罐機(jī)構(gòu)必須具有較高的機(jī)械精度

其次,罐內(nèi)壓力變化受罐身溫度變化影響較大。不過(guò),正如前文提及的負(fù)壓檢測(cè)的第二大優(yōu)點(diǎn),由于在實(shí)際奶粉鐵罐生產(chǎn)中,大部分制罐廠采用無(wú)塵車間并配置有空調(diào)恒溫系統(tǒng),再加上在檢漏機(jī)前端配置有一段儲(chǔ)罐輸送帶,因而基本上能讓罐身在滾筋封罐后上升的溫度自動(dòng)降下來(lái),這樣在進(jìn)入檢漏機(jī)時(shí),罐體的溫度也幾乎不變,完全可以彌補(bǔ)此缺陷。

兩大優(yōu)點(diǎn)

第一,能夠同時(shí)檢出易撕蓋上鋁箔與蓋環(huán)貼合工藝中可能出現(xiàn)的微小泄露或緊密不足等缺陷。雖然鋁箔與蓋環(huán)的貼合面在罐蓋外側(cè),但當(dāng)采用正壓檢測(cè)時(shí),由于罐內(nèi)氣壓高于罐外,內(nèi)外壓差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從罐內(nèi)向罐外的擠壓力,使鋁箔微微朝罐外凸出,導(dǎo)致原本鋁箔與蓋環(huán)貼合工藝可能出現(xiàn)的小瑕疵(似漏非漏狀態(tài)或者小泄漏縫隙)出現(xiàn)漏氣而被檢出。

第二,目前業(yè)內(nèi)用于奶粉鐵罐的正壓檢漏機(jī)的檢測(cè)精度較高。細(xì)究其因有二。一方面,通過(guò)在空罐內(nèi)套入填充物,罐內(nèi)體積(檢測(cè)空間)減少量高達(dá)80%~85%,這樣既節(jié)省了壓縮空氣的耗氣量,又大大提高了檢測(cè)精度。另一方面,每個(gè)檢測(cè)工位配置有獨(dú)立的壓力傳感器并安裝在密封膠盤之上,完美規(guī)避了負(fù)壓檢測(cè)精度低的成因——既避免了不同壓力傳感器讀取壓力值的基準(zhǔn)偏差,又減少了壓力傳感器與空罐之間那段長(zhǎng)度超過(guò)1.5米的氣管,從而保證了較小的檢測(cè)氣體體積。

由于奶粉鐵罐的衛(wèi)生要求比較高,為了避免污染到罐子,要求檢測(cè)氣體為無(wú)油、無(wú)異味、無(wú)雜質(zhì)的潔凈氣體,其獲得方式有氣缸活塞加壓法與無(wú)油空壓機(jī)和過(guò)濾系統(tǒng)法兩種,分別詳述如下。

正壓檢測(cè)潔凈氣體獲取途徑之一:氣缸活塞加壓法

一個(gè)途徑是通過(guò)氣缸活塞加壓的方式獲得潔凈氣體。每個(gè)檢測(cè)工位配置的氣缸活塞裝置如圖7所示。通過(guò)外接壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞壓縮氣缸內(nèi)氣體進(jìn)入已被密封膠盤密封了罐口的奶粉鐵罐內(nèi),罐內(nèi)壓力將上升,并可借由旋擰螺母來(lái)調(diào)整活塞的行程從而實(shí)現(xiàn)壓力大小的調(diào)整。

奶粉鐵罐檢測(cè)圖7 

氣缸活塞加壓法結(jié)構(gòu)示意圖

如圖8所示,當(dāng)奶粉鐵罐完成檢測(cè)被送出后,切換電磁閥,在彈簧的作用下,活塞向上提升,使氣缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓吸附力,并儲(chǔ)備了從無(wú)塵車間吸取的部分潔凈氣體,用于下一次檢測(cè)。

奶粉鐵罐檢測(cè)圖8 

氣缸活塞加壓法工作示意圖

氣缸活塞加壓法表現(xiàn)出以下優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)可以直接取用無(wú)塵車間的潔凈氣體作為檢測(cè)氣體,不需額外增加投資成本和占用場(chǎng)地。

兩大缺點(diǎn)一是影響檢測(cè)精度。由于每個(gè)檢測(cè)工位獨(dú)立裝配一套氣缸活塞裝置,再精密的加工裝配工藝都無(wú)法保證各個(gè)工位充入罐內(nèi)的檢測(cè)氣體質(zhì)量一致,導(dǎo)致各個(gè)工位之間檢測(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)存在一定的偏差,從而影響檢測(cè)精度。

二是罐型更換操作繁瑣,活塞磨損后存在外接壓縮空氣污染罐內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。盡管檢測(cè)工位配置了罐內(nèi)填充物,但由于不同奶粉鐵罐罐型的容量不同,因而檢測(cè)體積也相異。為保證較好的檢測(cè)精度,在每次更換罐型時(shí),都需要調(diào)整每個(gè)工位充氣氣缸活塞的行程,以使充入罐內(nèi)氣體的質(zhì)量也得到調(diào)整,確保達(dá)到較理想的檢測(cè)壓力。

然而在實(shí)際應(yīng)用會(huì)面臨兩個(gè)難題。首先,由于操作較為繁瑣,如果操作工人存在惰性心理,沒(méi)有做出相應(yīng)的調(diào)整,將影響到檢測(cè)精度。其次,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作后,活塞與氣缸將出現(xiàn)一定程度磨損而產(chǎn)生間隙,導(dǎo)致罐內(nèi)無(wú)法達(dá)到理想的檢測(cè)壓力,將帶來(lái)檢測(cè)精度降低,甚至沒(méi)有經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾的外接壓縮空氣可能通過(guò)間隙污染奶粉鐵罐內(nèi)壁的嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

正壓檢測(cè)潔凈氣體獲取途徑之二:無(wú)油空壓機(jī)和過(guò)濾系統(tǒng)法通過(guò)無(wú)油空壓機(jī)和過(guò)濾系統(tǒng)獲得潔凈氣體的方法表現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn) 壓力穩(wěn)定、氣體潔凈度有保障。如圖9所示,無(wú)油空壓機(jī)的氣源為奶粉鐵罐無(wú)塵生產(chǎn)車間內(nèi)的氣體,經(jīng)由不銹鋼儲(chǔ)氣罐、各級(jí)別的精細(xì)過(guò)濾和干燥獲得了潔凈氣體。同時(shí),因不銹鋼儲(chǔ)氣罐帶來(lái)的整機(jī)各工位檢測(cè)氣壓穩(wěn)定一致保障了檢漏過(guò)程中壓力傳感器度數(shù)基準(zhǔn)的穩(wěn)定,進(jìn)一步保障了檢測(cè)精度。

缺點(diǎn) 需額外增加數(shù)萬(wàn)元的投資成本,并占用3~4m2的車間場(chǎng)地。

奶粉鐵罐檢測(cè)圖9 

無(wú)油空壓機(jī)和過(guò)濾系統(tǒng)法具有壓力穩(wěn)定、氣體潔凈度受保障等優(yōu)點(diǎn)

最符合現(xiàn)實(shí)需要的奶粉鐵罐檢漏解決方案

近幾年某大型國(guó)營(yíng)奶粉鐵罐生產(chǎn)企業(yè)充分驗(yàn)證了正壓檢測(cè)方法二的各項(xiàng)優(yōu)越性,并在其多家分公司的奶粉鐵罐生產(chǎn)線上推廣使用了該方法。

表1 三類檢測(cè)方法各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

奶粉鐵罐檢測(cè)表

通過(guò)表1可見,在諸多高指標(biāo)評(píng)分的“輝映”之下,這一方法前述額外投資成本和占地空間的劣勢(shì)幾乎可以忽略不計(jì)。因此,就目前的檢漏手段來(lái)看,綜合考慮衛(wèi)生要求、檢測(cè)精度、操作便捷等因素,采用無(wú)油空壓機(jī)和過(guò)濾系統(tǒng)獲得的潔凈氣體作為檢測(cè)氣體的正壓檢漏方式更適用于當(dāng)下奶粉鐵罐的檢漏要求。


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