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隔膜式膨胀水箱失效分析及质量控制

北京菲斯曼供热技术有限公司 嵇永飞 文邦兴 冯涛 高学杰



摘要:本文对隔膜式膨胀水箱失效的可能原因进行分析,并参照隔膜式膨胀水箱的欧洲技术标准EN 13831-2007,提出了水箱生产过程的质量关键点。

关键词:隔膜式膨胀水箱 质量关键点 标准

1 引言

隔膜式膨胀水箱用于密闭系统,起到稳定系统压力和系统水量的作用,使得系统得以稳定运行。它在供暖系统、水冷系统、生活水系统中得到了广泛应用。通常,燃气壁挂炉本身就包含了一个隔膜式膨胀水箱。目前,我国对于隔膜式膨胀水箱还缺乏统一的标准,各企业生产的隔膜式膨胀水箱也质量水平不一,基本处于模仿制造阶段。本文分析了膨胀水箱失效的可能原因,并参照隔膜式膨胀水箱的欧洲技术标准,提出了隔膜式膨胀水箱的质量关键点,可用于控制供应商的隔膜式膨胀水箱的质量,保证壁挂炉的产品质量。

2 隔膜式膨胀水箱

2.1 工作原理

 

图1 隔膜式水箱膨胀结构

 

隔膜式膨胀水箱运用于供暖密闭系统中,吸收加热时膨胀的水量,平衡系统水量及压力。当系统水温升高时,压力增大,水压高于预充氮气压力,加热膨胀的水量进入膨胀罐;当系统冷却时,预充氮气的压力将隔膜推向另一侧,系统水被部分挤出膨胀水罐。

2.2 基本结构(见图1)

基本结构包括气门芯、水路连接管、外壳(上面、下面)、橡胶隔膜片等。

2.3  生产流程

生产流程见图2。

 

 图2 隔膜式水箱生产流程

 

3 失效原因分析

3.1 制造质量失效分析鱼骨图(见图3)

 

        图3 制造质量失效分析鱼骨图

 

3.2 隔膜和气门芯的质量是通常失效的主要原因

与制造质量有关的最常见的膨胀水箱失效就是预充压力失效,表现为预充压力下降。在产品出厂后,通常质量好的膨胀水箱,预充压力可保持3年左右。可以认为3年以后预充压力失效是可以接受的。有时会遇到预充压力在2个月左右就失效的现象,甚至时间更短。在采用以上鱼骨图的分析,排除各种制造及检验因素后,最可能的失效原因为隔膜和气门芯质量不合格。在欧洲技术标准EN13831-2007标准中未涉及气门芯的要求,但在具体实践中,气门芯的质量问题是主要的失效原因之一。它会使得膨胀水箱无法通过4.3中试验(2)的要求。

4 隔膜式膨胀水箱的技术要求

4.1 隔膜的技术要求

隔膜是水箱质量的关键部件,而隔膜的性能则取决于隔膜的原料和制造工艺。欧洲技术标准EN13831-2007中推荐了五种原料:异丁烯橡胶、丁腈橡胶、天然橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、三元乙丙橡胶。表1是其有关隔膜技术要求的汇总。

表1 隔膜的技术要求

 

隔膜的通常制造工艺流程:① 原料加配料进行混炼得到橡胶坯料;② 通过坯料在模具里的硫化得到隔膜的成品。

混炼要保证原料配料各成分的配比和混炼的时间,并建立每批次的可追溯性标识,只有各项性能检验合格后才能入库。硫化工艺即硫化成型要保证硫化点(温度、时间、压力),硫化点直接和隔膜的性能相关,尤其是隔膜的渗透性。现场质量人员要确保硫化过程的各参数的正确性。

国内的绝大多数膨胀水箱制造厂都是使用直接采购来的隔膜(皮膜),对隔膜材料缺乏系统的要求和认识,常常是指定一种材料,由供应商自己控制隔膜的质量。当隔膜供应商对隔膜用途不了解,缺少必要的质量控制手段时,将难以保证隔膜的质量要求。我们认为膨胀水箱的制造厂应与隔膜的供应商一起研发,才可生产出合格的产品;并应加强对隔膜供应商的管理。在欧洲,隔膜式膨胀水箱产品可追溯到隔膜的混炼批次。

4.2 外壳设计及设计验证要求

据EN13831中6.1.1、6.1.5、6.2.3外壳设计及设计验证要求为:

(1) 测试的水箱(最大允许压力×水箱容积≤1000巴×L),要装满水,施压到2倍的最大允许压力,并保持5分钟,在这段时间不能出现泄漏,固定变形不超出1%。

(2) 水路连接口径,容积不大于12L,口径为DN12。

(3) 结构对膜的影响:

① 和膜接触的地方不允许有锋利的边缘和棱角(比如焊接珠子等);

② 为保证隔膜随冲压不被拉长至它的受损点,容器与隔膜的尺寸应相匹配;

③ 容器壁上的洞口应以隔膜在容器冲压时不能受损的方式设计;

④ 容器里突出的部分不能使隔膜受损;

⑤ 内表局部的凹度不能使膜受压产生的线性拉伸超过隔膜原料破坏拉伸的10%;

⑥ 啮合焊接的间隙不能大于隔膜厚度的两倍。

4.3 隔膜式膨胀水箱整体性能要求

据EN13831中8.5.3、8.5.4隔膜式膨胀水箱整体性能要求为:

(1) 循环加载试验

试验方法:往水箱中加压充入50%水箱容积的水量。此时,隔膜膨胀。然后再将水放掉。充水、放水的速度及保留的时间要严格控制,并满足图4的要求。试验时,水温为70±5℃,试验循环次数依据EN13831-2007中图22选定。对于6~10L的壁挂炉用膨胀水箱,其循环次数为一万次。

判定合格标准:在循环试验后,一旦水箱冷却下来,立即从气门充气至0.15MPa。一小时内压力下降不得超过0.015MPa。判定时应当考虑环境温度变化所产生的影响。

(2) 隔膜的渗透性试验

试验方法:同规格的水箱,往水箱中充入一定压力的气压,在20℃的环境下放置28天。

判定合格标准:28天后,测量水箱中气压压强,预冲气体的压降不超过2%。

5 结论

通过介绍分析隔膜式膨胀水箱的工作原理、基本结构、生产流程以及失效的可能原因并参照隔膜式膨胀水箱欧洲技术标准EN13831中的要求,我们可以明确隔膜式膨胀水箱的几个质量关键点:

(1)隔膜的质量是重中之重,必须选用合格的隔膜制造水箱, 并应逐渐建立水箱与隔膜批次的可追溯性。

(2)气门芯的质量不可忽视,气门芯和气体泄漏直接相关。

(3)整体组装后的气密性,以保证整体没有泄漏。

(4)出厂前产品应抽检,以保证每批次水箱的质量合格。

参考文献:

[1] EN13831 2007Closed expansion vessels with built in diaphragm for installation in water

 
 


  
 
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