淺談奶粉鐵罐密封性檢測(cè)法

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油空壓機(jī)和過濾系統(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?，以確保奶粉鐵罐內(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)量問題，因此奶粉鐵罐密封性能的重要性可見一斑。

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。具體來說，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，無需托罐結(jié)構(gòu)或者僅需簡(jiǎn)單的托罐結(jié)構(gòu)。

 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法得到明顯體現(xiàn)。

兩大劣勢(shì) 第一，無法檢測(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）將被掩蓋過去而無法被檢出，讓奶粉鐵罐密封性的風(fēng)險(xiǎn)大為增加。

圖3 

鋁箔與蓋環(huán)的貼合面在易撕蓋外側(cè)

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來說，根據(jù)波意爾定律，在負(fù)壓檢測(cè)過程中，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。

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。

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，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，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)氣體為無油、無異味、無雜質(zhì)的潔凈氣體，其獲得方式有氣缸活塞加壓法與無油空壓機(jī)和過濾系統(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調(diào)整活塞的行程從而實(shí)現(xiàn)壓力大小的調(diào)整。

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)備了從無塵車間吸取的部分潔凈氣體，用于下一次檢測(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)無法達(dá)到理想的檢測(cè)壓力，將帶來檢測(cè)精度降低，甚至沒有經(jīng)過干燥過濾的外接壓縮空氣可能通過間隙污染奶粉鐵罐內(nèi)壁的嚴(yán)重質(zhì)量問題。

正壓檢測(cè)潔凈氣體獲取途徑之二：無油空壓機(jī)和過濾系統(tǒng)法通過無油空壓機(jī)和過濾系統(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，無油空壓機(jī)的氣源為奶粉鐵罐無塵生產(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)過濾和干燥獲得了潔凈氣體。同時(shí)，因不銹鋼儲(chǔ)氣罐帶來的整機(jī)各工位檢測(cè)氣壓穩(wěn)定一致保障了檢漏過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)萬元的投資成本，并占用3~4m2的車間場(chǎng)地。

圖9 

無油空壓機(jī)和過濾系統(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

通過表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，采用無油空壓機(jī)和過濾系統(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。