一例热压罐设备降温速率异常现象分析与研究

江智轩

(昌河飞机工业(集团)有限责任公司，江西 景德镇 333002)

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料[1]，迄今为止，航空航天领域要求高承载的绝大多数复合材料构件都是采用热压罐成型工艺，如飞机的桨叶、骨架、整流罩等部位，逐渐取代老旧的金属材料，具有重量轻、承受力强、可修复等优点[2]。而复合材料的固化是零件加工过程中一个十分重要的环节，固化的效果直接决定复合材料的使用性能。热压罐作为复合材料固化设备，已成为各制造企业的关键设备，而降温冷却系统对保障其稳定运行起着极为重要作用。

1 故障现象

我公司现有4台热压罐设备，其中有一台尺寸为φ1.5 m×3 m热压罐在加工零件时出现降温速率十分缓慢异常现象，如图1所示。在进行空载降温测试时，发现罐内空气温度由120 ℃降至60 ℃需要长达70 min，带零件降温甚至需要120 min以上，严重影响使用车间生产任务，同时对零件固化质量也无法得到保障。

2 故障原因分析及处理

目前，热压罐设备一般会在罐体尾部装有一冷却器，降温原理为：温控仪表通过输出4～20 mA的电流信号控制冷却水管路上的主冷进水阀(气动薄膜阀)开度行程，将大量冷却水注入至冷却器中，同时通过循环风机大流量吹冷风带走热量。因此，针对降温速率异常的可能原因及处理措施有以下几点：

图1 热压罐降温异常图表Fig.1 Chart of abnormal cooling of autoclave

2.1 进水压力不足、进水温度过高导致冷却效果不佳

观察进水管路上的压力仪表，显示进水压力达到4 bar，同时观察进水温度显示仪表显示冷却水温为18 ℃，与其他几台正常热压罐设备基本一致。因此，可以排除因进水压力不足与进水温度过高导致冷却效果不佳的可能。

2.2 循环风机异常

首先设备无风机报警提示，其次在风机运行时声音正常无异响，变频器显示50 Hz，排除循环风机异常的原因。

2.3 主冷进水阀、回水阀开度异常导致通过冷却器的水流量低，冷却效果不佳

设备降温时现场观察主冷进水阀动作，发现主冷进水阀未完全开启，如图2所示，只开启了全行程的50%，导致进水流量不足，影响冷却效果。该阀体由温控仪表4～20 mA电流信号控制行程[3]，压缩空气执行动作。造成阀体行程未完全开启的原因有以下几点：

(1)压缩空气不足。检查连接气路无泄漏，压力达到4 bar，满足气动薄膜阀使用要求，故排除因气压不足导致阀体未完全打开的原因；

(2)控制仪表输出信号异常。设备温控仪表使用霍尼韦尔UDC2500系列仪表，具有双回路控制，一路4～20 mA用于控制加热， 另外一路4～20 mA用于控制冷却[4]。正常情况应是在降温时温控仪表输出功率为0%，对应输出20 mA电流控制主冷阀体全开行程。在实际降温过程中，按照工艺降温速率SP值已经到达20 ℃，但实际罐内温度为73.1 ℃，仪表输出应为0%，输出20 mA，但通过仪表DISPALY按键检查输出功率发现仪表OT输出功率为7.6%，并非0%，见图3。进一步检查温控仪表内部设定参数，发现在仪表CONTRL菜单中-OUT LO子菜单项中仪表最低输出设置为7.6，将其修改至0后，仪表显示输出为0%，主冷阀开度变大，但仍未完全开启，如图4所示。阀体仍未完全开启可能是长期使用后机械位置偏移，需要人工校准[5]，通过阀体自带的行程调整旋钮进行调节零位与全行程位，使阀体开打达到最大，如图5所示，但降温速率并未明显提高。

图2 主冷阀开启50%Fig.2 The main cooling valve open 50%

图3 仪表输出功率Fig.3 Output power of the instrument

图4 主冷阀开启70%Fig.4 The main cooling valve open 70%

图5 阀体机械调整旋钮Fig.5 Mechanical adjusting knob of valve

继续检查回水管路，回水管路中使用的回水阀是一种二位气动阀，由外部气动电磁阀控制开启与闭合，可能由于回水阀未完全开启，导致回水不畅影响冷却效果，故对回水阀进行拆卸检查，发现阀体动作时并无卡滞现象，能够完全开启，控制气路无泄漏，故排除因回水不畅影响降温速率的原因。

2.4 冷却器内部有大量水垢堵塞造成冷却效果不佳

由于该热压罐设备体积较小，直径仅为φ1.5 m，安装使用的冷却器尺寸也相应较小。经检查发现热压罐设备的冷却水系统均配备普通自来水，并非去离子水，容易形成水垢，同时又因为本台热压罐使用的冷却器尺寸较小，及易堵塞冷却器内部的冷却管与冷却孔，影响冷却效果。对冷却器进行拆卸检查，如图6、图7所示，发现在冷却器内部已经存有大量水垢、污泥，严重堵塞冷却管路及冷却小孔，影响冷却效果，故确定冷却器堵塞是造成罐体降温慢的根本原因。重新安装更换冷却器后进行降温试验，速率明显提高，罐内温度从120 ℃降到60 ℃仅需30 min，速率提高一倍以上，如图8所示。

图6 罐尾冷却器Fig.6 The cooler at the end of autoclave

图7 水垢堵塞冷却孔Fig.7 Scale blockage cooling hole

图8 更换冷却器后降温测试图表Fig.8 Cooling test chart after replacement cooler

3 总结

通过本次故障处理案例，可以发现，热处理设备冷却系统对冷却水质的处理尤为重要，不能使用普通自来水进行冷却，否则极易形成水垢影响冷却效果，甚至产生锈蚀管路、壳体等现象。为此，需对热压罐设备冷却水系统进行整体改造，彻底杜绝因水质问题影响热压罐设备降温速率的隐患。