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浅谈奶粉铁罐密封性检测法

文章出处:奶粉铁罐责任编辑:金裕达摩院人气:-发表时间:2019-10-22 10:07【

随着奶粉铁罐生产要求的不断提高,奶粉铁罐密封性检测方法(俗称检漏法)几经迭代变迁:从早期的离线抽检方式到简易、低精度的负压在线检测方式;再发展到通过气缸活塞加压的方式获得洁净气体,精度较好的正压检测方法;最后演变成如今采用无油空压机和过滤系统获得洁净气体,综合评价最佳的正压检测方法。


奶粉铁罐


奶粉铁罐在线检漏的重要性

奶粉是以新鲜牛奶或羊奶为原料,用冷冻或加热的方法,除去乳中几乎全部水分,经干燥后再添加适量维生素、矿物质等成分而得到的冲调食品。

奶粉多使用金属罐包装,原因是后者具有高阻隔性及良好的密封性。在奶粉灌装、封罐两道工序之间,必须对奶粉铁罐进行抽真空和充氮气处理,以确保奶粉铁罐内氧气残存率低于3%。若奶粉铁罐的密封性不好,就会使罐内的氮气流失,空气中的氧气、水分等进入罐内。由于奶粉含有大量蛋白质、脂肪等高营养物质,在与氧气长时间接触后容易出现缓慢氧化变质、结块、颜色与口感异常等质量问题,因此奶粉铁罐密封性能的重要性可见一斑。


奶粉铁罐图1 


若奶粉铁罐的密封性不好,奶粉易出现缓慢氧化变质、结块、颜色与口感异常等质量问题

奶粉铁罐多为马口铁三片罐。“三片罐”之称,源于它由罐身、罐底和罐顶三大部分组成。其中罐身一般通过电阻缝焊机焊接而成,罐顶多采用由马口铁和铝箔贴合的易撕盖,罐底往往为马口铁平底盖。

为了保证奶粉铁罐的密封性,制罐厂和奶粉厂需在各自生产工艺上严格把控并相互配合。前者需要控制好罐身焊缝质量,涉及柔韧性、拖尾长度、搭接量、焊点间距、毛刺等指标;易撕盖铝箔贴合紧密性;以及罐顶与罐身的卷封质量。后者则应控制好罐底与罐身的卷封质量。由此可见,奶粉铁罐密封性的大部分控制点都落在制罐工艺上,所以应定期抽检各工序质量。此外,对每个成品奶粉空罐进行在线检漏也必不可少。

在线检漏之压力衰减法

对马口铁三片罐进行在线检漏通常采用压力衰减法,即:利用胶盘密封罐口并给予罐内一定的气压,保压一定时间后再检测气压,气压差若在许可范围内则视为合格,反之则视为漏罐。

压力衰减法依据的是克拉伯龙方程PV=nRT。其中:P是气体的压强;V是气体的体积;n是气体的摩尔数;R是气体普适恒量,其值为8.31J/mol;T 是气体的温度。一方面,显而易见n、R为常数。另一方面,由于检测时间较短且无外在影响温度的因素,因而气体温度(T)可视为不变。此外,在检漏过程中因罐口被密封,从而罐内的空间不变,即气体的体积(V)亦不变。综上而言,密封性合格的三片罐罐内气体的压强(P)理论上也应该是不变的,否则就说明是漏罐。

根据波意尔定律,一定质量的气体,在温度不变的情况下,其压强与体积成反比,即P1/P2=V2/V1。具体来说,如果两个体积不同的罐子泄漏了同样质量的气体,那么大罐内产生的压强变化就小,在小罐内产生的压强变化就大。

根据检测气压不同,可分为负压检测和正压检测。

负压检测

负压检测的原理是:利用胶盘密封空罐罐口并进行抽真空,使罐内压力达到一定负压值并通过负压压力传感器读取压力值A,保压数秒后,再次读取压力值B,两次读数之差(压力差)若在设定值范围内则视为合格,反之则视为漏罐。

两大优势 

首先,检漏装置机械结构简易。如图2所示,在真空吸附力的作用下,空罐罐口(罐口向上)将被吸附并密封在胶盘上,无需托罐结构或者仅需简单的托罐结构。


 奶粉铁罐检测原理图2


 负压检漏装置具有机械结构简易的优点

其次,罐内压力变化受罐身温度变化影响较小。根据前述克拉伯龙方程,由于密封奶粉铁罐内气体的体积不变,因而当气体温度(T)上升时,气压(P)也会随之上升,反之亦反。影响罐内气体温度变化的因素无外乎外部环境温度或罐体温度。在传导、对流、热辐射三类热传递方式中,仅有前二者需要靠介质来传递内能。当罐内的负压越大,介质就越少,气体温度变化幅度也就越小。

在实际奶粉铁罐生产中,大部分采用无尘车间并配置有空调恒温系统。同时,在检漏机的前端配置有一段储罐输送带,基本上能抵消罐身在滚筋卷封后产生的热量,这样在进入检漏机时罐体温度就几乎不变。需要指出的是,大部分奶粉铁罐都采用了易撕盖,如果负压过大,会导致易撕盖被拉伸变形。而微负压(-10~0Kpa)条件下热传递还是存在的,因此负压检漏“负压越大,气体温度变化幅度越小”的优势在奶粉铁罐检漏中无法得到明显体现。

两大劣势 第一,无法检测到易撕盖上铝箔与盖环贴合工艺中可能出现的泄漏或紧密不足等缺陷。如图3、图4所示,铝箔与盖环的贴合面在罐盖外侧,当采用负压检测时,罐内气压低于罐外,气压差会产生一个由罐外向罐内的挤压力,使铝箔微微向罐内凹陷,使铝箔与盖环贴合更加紧密,导致原本铝箔与盖环贴合工艺中可能出现的小瑕疵(似漏非漏状态或者小泄漏缝隙)将被掩盖过去而无法被检出,让奶粉铁罐密封性的风险大为增加。


奶粉铁罐图3 


铝箔与盖环的贴合面在易撕盖外侧


奶粉铁罐原理图4 


贴合面结构示意图

第二,检测精度较低。主要根结在于它的机械设计结构和配置。以容量约2000ml的常用奶粉铁罐罐型#502来说,根据波意尔定律,在负压检测过程中,这么大容量的空罐若存在较小的泄漏,在进入较少气体后,罐内压力变化很微小,压力传感器很难感应到压力变化。如图5所示,压力传感器A和B分别被固定在静密封盘上,必须通过动密封盘、长度在1.5米以上的气管和罐口密封胶盘才能读取到罐内压力值,导致在加大检测空间之外,更增加了压力传感器感应压力变化的难度。


奶粉铁罐检测图5 


负压检漏法检测精度较低的主要根结在于其机械设计结构和配置

另外,由于两个压力传感器的度数基准存在一定偏差,压力读取值A、B之间存在的误差也会影响检测精度。

归结于上述原因,目前在金属包装行业,负压检漏机大多用于检测精度要求不高、小容量罐型(400ml以内)、封平底盖或者易拉盖的食品罐和饮料罐生产。

正压检测

正压检测的原理是:利用胶盘密封空罐罐口并进行充气,使罐内压力达到一定正压值并通过正压压力传感器读取压力值C,保压数秒后,再次读取压力值D,两次读数相减所得压力差若在设定值范围内则视为合格,反之则视为漏罐。

两大不足

 首先,机械结构设计较为复杂,零部件的加工装配精度要求较高,制造成本不低。

如图6所示,在正压检测过程中,罐内压力为正压,需要托罐机构稳定可靠地托住罐底,以使罐口与密封胶盘保持密封。由于胶盘具有一定弹性,若托罐机构稳定性不足,造成设备运作过程出现震动,影响胶盘的压缩量,将导致罐内空间出现微小变化,甚至罐口不密封,最终影响检测精度。因此托罐机构必须具有较高的机械精度。


奶粉铁罐检测图6 


正压检漏法的托罐机构必须具有较高的机械精度

其次,罐内压力变化受罐身温度变化影响较大。不过,正如前文提及的负压检测的第二大优点,由于在实际奶粉铁罐生产中,大部分制罐厂采用无尘车间并配置有空调恒温系统,再加上在检漏机前端配置有一段储罐输送带,因而基本上能让罐身在滚筋封罐后上升的温度自动降下来,这样在进入检漏机时,罐体的温度也几乎不变,完全可以弥补此缺陷。

两大优点

第一,能够同时检出易撕盖上铝箔与盖环贴合工艺中可能出现的微小泄露或紧密不足等缺陷。虽然铝箔与盖环的贴合面在罐盖外侧,但当采用正压检测时,由于罐内气压高于罐外,内外压差会产生一个从罐内向罐外的挤压力,使铝箔微微朝罐外凸出,导致原本铝箔与盖环贴合工艺可能出现的小瑕疵(似漏非漏状态或者小泄漏缝隙)出现漏气而被检出。

第二,目前业内用于奶粉铁罐的正压检漏机的检测精度较高。细究其因有二。一方面,通过在空罐内套入填充物,罐内体积(检测空间)减少量高达80%~85%,这样既节省了压缩空气的耗气量,又大大提高了检测精度。另一方面,每个检测工位配置有独立的压力传感器并安装在密封胶盘之上,完美规避了负压检测精度低的成因——既避免了不同压力传感器读取压力值的基准偏差,又减少了压力传感器与空罐之间那段长度超过1.5米的气管,从而保证了较小的检测气体体积。

由于奶粉铁罐的卫生要求比较高,为了避免污染到罐子,要求检测气体为无油、无异味、无杂质的洁净气体,其获得方式有气缸活塞加压法与无油空压机和过滤系统法两种,分别详述如下。

正压检测洁净气体获取途径之一:气缸活塞加压法

一个途径是通过气缸活塞加压的方式获得洁净气体。每个检测工位配置的气缸活塞装置如图7所示。通过外接压缩空气驱动活塞压缩气缸内气体进入已被密封胶盘密封了罐口的奶粉铁罐内,罐内压力将上升,并可借由旋拧螺母来调整活塞的行程从而实现压力大小的调整。

奶粉铁罐检测图7 

气缸活塞加压法结构示意图

如图8所示,当奶粉铁罐完成检测被送出后,切换电磁阀,在弹簧的作用下,活塞向上提升,使气缸内产生负压吸附力,并储备了从无尘车间吸取的部分洁净气体,用于下一次检测。

奶粉铁罐检测图8 

气缸活塞加压法工作示意图

气缸活塞加压法表现出以下优缺点

优点可以直接取用无尘车间的洁净气体作为检测气体,不需额外增加投资成本和占用场地。

两大缺点一是影响检测精度。由于每个检测工位独立装配一套气缸活塞装置,再精密的加工装配工艺都无法保证各个工位充入罐内的检测气体质量一致,导致各个工位之间检测压力标准存在一定的偏差,从而影响检测精度。

二是罐型更换操作繁琐,活塞磨损后存在外接压缩空气污染罐内的风险。尽管检测工位配置了罐内填充物,但由于不同奶粉铁罐罐型的容量不同,因而检测体积也相异。为保证较好的检测精度,在每次更换罐型时,都需要调整每个工位充气气缸活塞的行程,以使充入罐内气体的质量也得到调整,确保达到较理想的检测压力。

然而在实际应用会面临两个难题。首先,由于操作较为繁琐,如果操作工人存在惰性心理,没有做出相应的调整,将影响到检测精度。其次,在长时间运作后,活塞与气缸将出现一定程度磨损而产生间隙,导致罐内无法达到理想的检测压力,将带来检测精度降低,甚至没有经过干燥过滤的外接压缩空气可能通过间隙污染奶粉铁罐内壁的严重质量问题。

正压检测洁净气体获取途径之二:无油空压机和过滤系统法通过无油空压机和过滤系统获得洁净气体的方法表现出以下特点。

优点 压力稳定、气体洁净度有保障。如图9所示,无油空压机的气源为奶粉铁罐无尘生产车间内的气体,经由不锈钢储气罐、各级别的精细过滤和干燥获得了洁净气体。同时,因不锈钢储气罐带来的整机各工位检测气压稳定一致保障了检漏过程中压力传感器度数基准的稳定,进一步保障了检测精度。

缺点 需额外增加数万元的投资成本,并占用3~4m2的车间场地。

奶粉铁罐检测图9 

无油空压机和过滤系统法具有压力稳定、气体洁净度受保障等优点

最符合现实需要的奶粉铁罐检漏解决方案

近几年某大型国营奶粉铁罐生产企业充分验证了正压检测方法二的各项优越性,并在其多家分公司的奶粉铁罐生产线上推广使用了该方法。

表1 三类检测方法各项指标对比

奶粉铁罐检测表

通过表1可见,在诸多高指标评分的“辉映”之下,这一方法前述额外投资成本和占地空间的劣势几乎可以忽略不计。因此,就目前的检漏手段来看,综合考虑卫生要求、检测精度、操作便捷等因素,采用无油空压机和过滤系统获得的洁净气体作为检测气体的正压检漏方式更适用于当下奶粉铁罐的检漏要求。


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