淺談奶粉鐵罐密封性檢測法

隨著奶粉鐵罐生產要求的不斷提高，奶粉鐵罐密封性檢測方法（俗稱檢漏法）幾經迭代變遷：從早期的離線抽檢方式到簡易、低精度的負壓在線檢測方式；再發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方法；最后演變成如今采用無油空壓機和過濾系統獲得潔凈氣體，綜合評價最佳的正壓檢測方法。

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，經干燥后再添加適量維生素、礦物質等成分而得到的沖調食品。

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，必須對奶粉鐵罐進行抽真空和充氮氣處理，以確保奶粉鐵罐內氧氣殘存率低于3%。若奶粉鐵罐的密封性不好，就會使罐內的氮氣流失，空氣中的氧氣、水分等進入罐內。由于奶粉含有大量蛋白質、脂肪等高營養物質，在與氧氣長時間接觸后容易出現緩慢氧化變質、結塊、顏色與口感異常等質量問題，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，奶粉易出現緩慢氧化變質、結塊、顏色與口感異常等質量問題

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工藝上嚴格把控并相互配合。前者需要控制好罐身焊縫質量，涉及柔韌性、拖尾長度、搭接量、焊點間距、毛刺等指標；易撕蓋鋁箔貼合緊密性；以及罐頂與罐身的卷封質量。后者則應控制好罐底與罐身的卷封質量。由此可見，奶粉鐵罐密封性的大部分控制點都落在制罐工藝上，所以應定期抽檢各工序質量。此外，對每個成品奶粉空罐進行在線檢漏也必不可少。

在線檢漏之壓力衰減法

對馬口鐵三片罐進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一定的氣壓，保壓一定時間后再檢測氣壓，氣壓差若在許可范圍內則視為合格，反之則視為漏罐。

壓力衰減法依據的是克拉伯龍方程PV=nRT。其中：P是氣體的壓強；V是氣體的體積；n是氣體的摩爾數；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。另一方面，由于檢測時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氣體的壓強（P）理論上也應該是不變的，否則就說明是漏罐。

根據波意爾定律，一定質量的氣體，在溫度不變的情況下，其壓強與體積成反比，即P1/P2=V2/V1。具體來說，如果兩個體積不同的罐子泄漏了同樣質量的氣體，那么大罐內產生的壓強變化就小，在小罐內產生的壓強變化就大。

根據檢測氣壓不同，可分為負壓檢測和正壓檢測。

負壓檢測

負壓檢測的原理是：利用膠盤密封空罐罐口并進行抽真空，使罐內壓力達到一定負壓值并通過負壓壓力傳感器讀取壓力值A，保壓數秒后，再次讀取壓力值B，兩次讀數之差（壓力差）若在設定值范圍內則視為合格，反之則視為漏罐。

兩大優勢 

首先，檢漏裝置機械結構簡易。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，無需托罐結構或者僅需簡單的托罐結構。

 圖2

 負壓檢漏裝置具有機械結構簡易的優點

其次，罐內壓力變化受罐身溫度變化影響較小。根據前述克拉伯龍方程，由于密封奶粉鐵罐內氣體的體積不變，因而當氣體溫度（T）上升時，氣壓（P）也會隨之上升，反之亦反。影響罐內氣體溫度變化的因素無外乎外部環境溫度或罐體溫度。在傳導、對流、熱輻射三類熱傳遞方式中，僅有前二者需要靠介質來傳遞內能。當罐內的負壓越大，介質就越少，氣體溫度變化幅度也就越小。

在實際奶粉鐵罐生產中，大部分采用無塵車間并配置有空調恒溫系統。同時，在檢漏機的前端配置有一段儲罐輸送帶，基本上能抵消罐身在滾筋卷封后產生的熱量，這樣在進入檢漏機時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，如果負壓過大，會導致易撕蓋被拉伸變形。而微負壓（-10~0Kpa）條件下熱傳遞還是存在的，因此負壓檢漏“負壓越大，氣體溫度變化幅度越小”的優勢在奶粉鐵罐檢漏中無法得到明顯體現。

兩大劣勢 第一，無法檢測到易撕蓋上鋁箔與蓋環貼合工藝中可能出現的泄漏或緊密不足等缺陷。如圖3、圖4所示，鋁箔與蓋環的貼合面在罐蓋外側，當采用負壓檢測時，罐內氣壓低于罐外，氣壓差會產生一個由罐外向罐內的擠壓力，使鋁箔微微向罐內凹陷，使鋁箔與蓋環貼合更加緊密，導致原本鋁箔與蓋環貼合工藝中可能出現的小瑕疵（似漏非漏狀態或者小泄漏縫隙）將被掩蓋過去而無法被檢出，讓奶粉鐵罐密封性的風險大為增加。

圖3 

鋁箔與蓋環的貼合面在易撕蓋外側

圖4 

貼合面結構示意圖

第二，檢測精度較低。主要根結在于它的機械設計結構和配置。以容量約2000ml的常用奶粉鐵罐罐型#502來說，根據波意爾定律，在負壓檢測過程中，這么大容量的空罐若存在較小的泄漏，在進入較少氣體后，罐內壓力變化很微小，壓力傳感器很難感應到壓力變化。如圖5所示，壓力傳感器A和B分別被固定在靜密封盤上，必須通過動密封盤、長度在1.5米以上的氣管和罐口密封膠盤才能讀取到罐內壓力值，導致在加大檢測空間之外，更增加了壓力傳感器感應壓力變化的難度。

圖5 

負壓檢漏法檢測精度較低的主要根結在于其機械設計結構和配置

另外，由于兩個壓力傳感器的度數基準存在一定偏差，壓力讀取值A、B之間存在的誤差也會影響檢測精度。

歸結于上述原因，目前在金屬包裝行業，負壓檢漏機大多用于檢測精度要求不高、小容量罐型（400ml以內）、封平底蓋或者易拉蓋的食品罐和飲料罐生產。

正壓檢測

正壓檢測的原理是：利用膠盤密封空罐罐口并進行充氣，使罐內壓力達到一定正壓值并通過正壓壓力傳感器讀取壓力值C，保壓數秒后，再次讀取壓力值D，兩次讀數相減所得壓力差若在設定值范圍內則視為合格，反之則視為漏罐。

兩大不足

 首先，機械結構設計較為復雜，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，在正壓檢測過程中，罐內壓力為正壓，需要托罐機構穩定可靠地托住罐底，以使罐口與密封膠盤保持密封。由于膠盤具有一定彈性，若托罐機構穩定性不足，造成設備運作過程出現震動，影響膠盤的壓縮量，將導致罐內空間出現微小變化，甚至罐口不密封，最終影響檢測精度。因此托罐機構必須具有較高的機械精度。

圖6 

正壓檢漏法的托罐機構必須具有較高的機械精度

其次，罐內壓力變化受罐身溫度變化影響較大。不過，正如前文提及的負壓檢測的第二大優點，由于在實際奶粉鐵罐生產中，大部分制罐廠采用無塵車間并配置有空調恒溫系統，再加上在檢漏機前端配置有一段儲罐輸送帶，因而基本上能讓罐身在滾筋封罐后上升的溫度自動降下來，這樣在進入檢漏機時，罐體的溫度也幾乎不變，完全可以彌補此缺陷。

兩大優點

第一，能夠同時檢出易撕蓋上鋁箔與蓋環貼合工藝中可能出現的微小泄露或緊密不足等缺陷。雖然鋁箔與蓋環的貼合面在罐蓋外側，但當采用正壓檢測時，由于罐內氣壓高于罐外，內外壓差會產生一個從罐內向罐外的擠壓力，使鋁箔微微朝罐外凸出，導致原本鋁箔與蓋環貼合工藝可能出現的小瑕疵（似漏非漏狀態或者小泄漏縫隙）出現漏氣而被檢出。

第二，目前業內用于奶粉鐵罐的正壓檢漏機的檢測精度較高。細究其因有二。一方面，通過在空罐內套入填充物，罐內體積（檢測空間）減少量高達80%~85%，這樣既節省了壓縮空氣的耗氣量，又大大提高了檢測精度。另一方面，每個檢測工位配置有獨立的壓力傳感器并安裝在密封膠盤之上，完美規避了負壓檢測精度低的成因——既避免了不同壓力傳感器讀取壓力值的基準偏差，又減少了壓力傳感器與空罐之間那段長度超過1.5米的氣管，從而保證了較小的檢測氣體體積。

由于奶粉鐵罐的衛生要求比較高，為了避免污染到罐子，要求檢測氣體為無油、無異味、無雜質的潔凈氣體，其獲得方式有氣缸活塞加壓法與無油空壓機和過濾系統法兩種，分別詳述如下。

正壓檢測潔凈氣體獲取途徑之一：氣缸活塞加壓法

一個途徑是通過氣缸活塞加壓的方式獲得潔凈氣體。每個檢測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動活塞壓縮氣缸內氣體進入已被密封膠盤密封了罐口的奶粉鐵罐內，罐內壓力將上升，并可借由旋擰螺母來調整活塞的行程從而實現壓力大小的調整。

圖7 

氣缸活塞加壓法結構示意圖

如圖8所示，當奶粉鐵罐完成檢測被送出后，切換電磁閥，在彈簧的作用下，活塞向上提升，使氣缸內產生負壓吸附力，并儲備了從無塵車間吸取的部分潔凈氣體，用于下一次檢測。

圖8 

氣缸活塞加壓法工作示意圖

氣缸活塞加壓法表現出以下優缺點

優點可以直接取用無塵車間的潔凈氣體作為檢測氣體，不需額外增加投資成本和占用場地。

兩大缺點一是影響檢測精度。由于每個檢測工位獨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工位充入罐內的檢測氣體質量一致，導致各個工位之間檢測壓力標準存在一定的偏差，從而影響檢測精度。

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的風險。盡管檢測工位配置了罐內填充物，但由于不同奶粉鐵罐罐型的容量不同，因而檢測體積也相異。為保證較好的檢測精度，在每次更換罐型時，都需要調整每個工位充氣氣缸活塞的行程，以使充入罐內氣體的質量也得到調整，確保達到較理想的檢測壓力。

然而在實際應用會面臨兩個難題。首先，由于操作較為繁瑣，如果操作工人存在惰性心理，沒有做出相應的調整，將影響到檢測精度。其次，在長時間運作后，活塞與氣缸將出現一定程度磨損而產生間隙，導致罐內無法達到理想的檢測壓力，將帶來檢測精度降低，甚至沒有經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壁的嚴重質量問題。

正壓檢測潔凈氣體獲取途徑之二：無油空壓機和過濾系統法通過無油空壓機和過濾系統獲得潔凈氣體的方法表現出以下特點。

優點 壓力穩定、氣體潔凈度有保障。如圖9所示，無油空壓機的氣源為奶粉鐵罐無塵生產車間內的氣體，經由不銹鋼儲氣罐、各級別的精細過濾和干燥獲得了潔凈氣體。同時，因不銹鋼儲氣罐帶來的整機各工位檢測氣壓穩定一致保障了檢漏過程中壓力傳感器度數基準的穩定，進一步保障了檢測精度。

缺點 需額外增加數萬元的投資成本，并占用3~4m2的車間場地。

圖9 

無油空壓機和過濾系統法具有壓力穩定、氣體潔凈度受保障等優點

最符合現實需要的奶粉鐵罐檢漏解決方案

近幾年某大型國營奶粉鐵罐生產企業充分驗證了正壓檢測方法二的各項優越性，并在其多家分公司的奶粉鐵罐生產線上推廣使用了該方法。

表1 三類檢測方法各項指標對比

通過表1可見，在諸多高指標評分的“輝映”之下，這一方法前述額外投資成本和占地空間的劣勢幾乎可以忽略不計。因此，就目前的檢漏手段來看，綜合考慮衛生要求、檢測精度、操作便捷等因素，采用無油空壓機和過濾系統獲得的潔凈氣體作為檢測氣體的正壓檢漏方式更適用于當下奶粉鐵罐的檢漏要求。