金属软管内壁黑斑分析

陈卫娜， 张增阳， 刘 涛， 谷胜民， 李 炎

（1.中国运载火箭技术研究院物资中心，北京 100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

0 引言

金属软管是一种管道的连接和补偿装置，具有高柔性、质量轻、耐高温高压、耐腐蚀等优点。在管路中可以对任何方向进行连接和补偿，还可以吸收振动、降低噪声[1-2]，是现代管路中必不可少的元件，被广泛用于化工的管道系统、过热蒸气管、液压和气压设备的高压管道、传输毒爆介质的管道等，主要起到吸收往复运动、吸收热膨胀、吸收振动、补偿管路的安装偏差等作用。金属软管大体上由波纹管、网套及接头3大部分构成。波纹管是金属软管的主体，起着绕性的作用；网套起加强、屏蔽的作用；接头起着连接的作用[3]。

在抽真空包装的金属波纹管拆封后进行表面检查时，发现部分波纹管内壁用无尘布蘸酒精擦拭后有黑灰色物质，采用内窥镜观察后发现内壁存在断续黑斑。同批波纹管共计9件，发现2件存在黑斑，黑斑的存在大大增加后续工序中产生多余物的风险。由于该批金属波纹管所用位置对于多余物的控制要求极高[4]，多余物的存在将直接影响单机性能，严重的情况下会导致产品功能丧失，甚至飞行失利[5-7]。因此，必须明确金属波纹管内壁黑斑缺陷性质及产生的原因。

本研究对波纹管内壁的黑斑区域和正常区域进行宏观、微观形貌观察及能谱、红外光谱的测试，同时结合金属软管的生产工艺流程进行分析，确定黑斑产生的原因，进行试验验证，并提出相应的工艺改进措施。

1 试验过程与结果

1.1 宏观分析

采用内窥镜对金属软管内壁进行观察，可见距金属软管一端部约500 mm处内壁存在2条沿金属软管轴向、在内壁波峰处呈断续分布的黑色条带状痕迹，具体形貌见图1。

图1 波纹管内窥形貌Fig.1 Endoscopic image of bellows

将金属软管用机械方法分解，内壁异常痕迹见图2，目视可见2处条带状痕迹，长度分别为40、30 mm，周向间隔 120°，颜色为黑色，呈断续的不规则斑点状附着于金属软管内壁。

图2 波纹管内壁黑斑形貌Fig.2 Black spot appearance of bellows

1.2 微观观察

将金属软管置于扫描电镜下进行微观形貌观察，可见正常部位金属软管内壁呈酸洗形貌，黑色斑点部位覆盖一层薄膜状物质，最大的斑点尺寸约为 0.3 mm×0.8 mm（图3）。

图3 波纹管内壁 SEM 形貌Fig.3 SEM photograph of appearance of bellows internal face

1.3 能谱分析

对黑色斑点区域（图3中点 1）和正常区域（图3中点2）进行能谱成分分析。黑斑区域主要含有 C、O以及少量 Na、Si、S、Cl、Cr、Mn、Fe元素，其中 C、O的质量分数分别高达 68.75%、22.10%，具有有机物成分特征；正常区域主要含有Fe、Cr、Ni、Mn、Si元素，主合金元素种类及含量均与波纹管基材0Cr18Ni9合金牌号相符。具体能谱成分分析表见表1。

表1 波纹管内壁能谱分析（质量分数 /%）Table 1 EDS analysis result of bellows internal face (mass fraction /% )

1.4 红外光谱分析

提取金属软管内壁异常痕迹处的黑色附着物进行红外光谱成分分析，红外光谱见图4。从图4中可见，波纹管内壁黑色附着物的红外光谱在1000~3000 cm−1处存在 1069、1240、1379、1478、2856、2943 cm−1等多个明显吸收峰，其中 1069 cm−1为 C—O—C不对称伸缩振动峰，1240 cm−1为P=O伸缩振动峰，1379 cm−1为—CH3的 C—H对称面内弯曲振动峰，1478 cm−1为—CH3—CH2—的C—H不对称面内弯曲振动峰，2856 cm−1处为C—H对称伸缩振动峰，2943 cm−1处为C—H不对称伸缩振动峰[8]，1069、1379、1478、2856、2943 cm−1吸收峰位置比较符合聚醚类合成油的特征吸收峰，1240 cm−1的P=O伸缩振动峰属于磷酸酯类合成油的特征吸收峰[8]。

图4 黑色附着物的红外光谱Fig.4 FT-IR spectrum of black attachment

2 分析及讨论

根据红外光谱分析结果，波纹管内壁黑色附着物应该主要是油脂类物质，除了C、H之外，还包括O、Si和Cl，在碳氢结构中引入含有这些元素的官能团是合成基础油的主要特征[8-11]，黑斑物质的EDS结果也符合这个特征。由于金属软管为真空包装交货，拆封后进行表面检查时发现，因此，内壁黑斑痕迹应为生产过程中引入。

金属软管的生产过程大致分为3个阶段：原材料入厂复验、金属软管加工、试验。金属软管中所用金属波纹管管坯在波纹管厂家均进行了除油处理，进入金属软管生产厂家后先进行清洗、烘干，再进行内窥检查，该批波纹管入厂后的内窥检查结果并无异常。发现该问题后，厂家对于同批剩余的波纹管进行再次内窥检查，均未发现波纹管内壁有黑斑情况，因此可以排除波纹管自带油迹的可能性。

从金属软管的加工过程分析，加工过程分别经历了焊接、清洗、烘干、吹除工序，清洗时用的是去离子水或无水乙醇，吹除时用的是高纯氮气，通过排查厂家加工工序环境、设备，并未发现金属软管与油性物质接触的情况。

金属软管加工完成后，需对金属软管进行液压强度试验和气密试验，其中气密试验介质为洁净的压缩空气，试验之前用多余物收集工装复检气源洁净度，并在软管入口接过滤器，因此在气密试验过程中引入油性物质的可能性极小。

液压强度试验台由水箱、电动试压泵和控制台组成，电动试压泵为往复式柱塞泵，放置在水箱上（图5）。电动试压泵工作时需要添加润滑油进行润滑，润滑油一旦溢出将会混入试验介质去离子水中。在液压强度试验后，将金属波纹管一端竖起，使金属波纹管内的去离子水从一端流出。在此过程中，混入水中的润滑油极易附着于管壁，经过后续烘干工序的高温环境就会形成黑斑。

图5 液压强度试验机Fig.5 Hydraulic strength testing machine

根据以上分析，将液压强度试验台电泵与水箱分开放置，同时对水箱进行除油处理，选取内壁无黑斑缺陷的金属软管，按照工艺要求进行液压强度试验及后续工序后，采用内窥镜观察金属软管内壁，无黑斑出现。

根据以上分析，提出以下预防措施：

1）改进强度试验台，将水箱与电增压泵分开放置，去除电增压泵中油落入水中的隐患。

2）更改工艺流程，在液压强度试验与烘干工序之间增加氮气双向吹除[12]，促进管内液体排出干净，同时在后续的气密试验完成之后的清洗过程中增加除油工序，确保在最终一道烘干前去除管内油性物质。

4 结论

1）金属软管产品波纹管内壁黑斑为润滑油。

2）润滑油是由液压强度试验台上的电增压泵中溢出落入试验台水箱，混入去离子水中的润滑油在液压强度试验结束后附着于波纹管内壁，在液压强度试验后的高温烘干环境中与空气作用后产生了黑色斑迹。

3）在金属软管的生产过程中，应严格控制生产环境及设备的清洁，避免多余物的引入。