運載火箭氧自生增壓不銹鋼管道的安全性研究

趙耀中，鄭 然，彭龍濤，劉 屹

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

0 引言

我國某型新一代運載火箭液氧貯箱采用氧自生增壓。氧氣廣泛運用于化工、航空航天、鋼鐵、醫(yī)療保健等行業(yè)，隨著使用范圍擴(kuò)大，氧氣使用帶來的故障事例也相應(yīng)增加。純氧氣本身作為強氧化劑，在使用過程中對設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料及內(nèi)部條件等均有諸多限制[1-2]。在火箭貯箱氧自生增壓中，需將氧氣進(jìn)行預(yù)熱[3]，其對使用設(shè)備的要求就更為苛刻。氧氣管道材質(zhì)的選擇直接影響其加工工藝和經(jīng)濟(jì)性，不銹鋼作為工業(yè)常用的金屬材料[4]，也是氧氣系統(tǒng)上使用最多的材質(zhì)之一。根據(jù)試驗測定，常壓純氧中，10 g金屬鐵塊的瞬間引燃溫度為930～950℃，該溫度低于鐵的熔點（1 500℃），說明鐵在純氧中的燃燒會發(fā)生在鐵熔融之前。而不銹鋼在1 MPa下與純氧的引燃溫度為920℃，在3.5 MPa下與純氧的引燃溫度會降至840℃[5]。因而，預(yù)熱后的氧氣在06Cr19Ni10不銹鋼材質(zhì)的管道中流動的安全性，是火箭液氧貯箱采用氧自生增壓方式的關(guān)鍵問題之一。

1 不銹鋼管道中氧氣危險因素分析

無論是氧氣管道中發(fā)生燃燒或爆燃事故，都必須滿足著火的必備條件[6]，即：燃料、氧化劑和點火能量。如前文述，不銹鋼在純氧中的燃燒溫度較低，因而在氧氣管道中，燃料和氧化劑這兩個條件是滿足且不可避免的，而至關(guān)重要的就是點火能量。經(jīng)多項氧氣管道燃燒事故調(diào)查和分析[7-8]，可能形成點火能量的因素包括：氧氣流速過大、閥后管道絕熱壓縮、管道中存在可燃固體顆粒[9-10]和氧氣流靜電放電等[11]。在自生增壓管道設(shè)計中，氧氣最高壓力約1 MPa，預(yù)熱溫度在130℃左右，管道通徑為50 mm，管道中包含數(shù)處90°彎頭，氧氣最大設(shè)計流量約0.8 kg/s。針對該管道可能引起管道內(nèi)燃燒危險發(fā)生的因素進(jìn)行分析。

1.1 氧氣流速

氧氣高速流動是管道內(nèi)溫度上升導(dǎo)致燃燒或燃爆的直接或間接原因[6]，主要發(fā)生機(jī)理包括這幾個方面：氧氣高速流動，氣流自身與管道發(fā)生摩擦，使管道內(nèi)壁面溫度升高或產(chǎn)生靜電，當(dāng)氣流摩擦產(chǎn)生的溫升達(dá)到管道材料或管道中其他材料的燃點時，就會發(fā)生燃燒現(xiàn)象。根據(jù)GB16912-1997《氧氣及有關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》，不銹鋼管道中氧氣流速不能大于25 m/s。而在火箭貯箱上自生增壓管道的設(shè)計流速約為42 m/s，大于安全技術(shù)規(guī)程規(guī)定的數(shù)值，管道產(chǎn)生燃燒的風(fēng)險較大，必須進(jìn)行實際使用工況甚至加嚴(yán)工況的考核，以判別管路使用是否安全。

1.2 固體顆粒物

雖然火箭動力系統(tǒng)的貯箱、輸送管路、閥門、發(fā)動機(jī)等組成部分及液氧介質(zhì)的加注過程都要嚴(yán)格進(jìn)行多余物控制，但是各環(huán)節(jié)難免可能產(chǎn)生金屬粉屑顆粒。含有金屬粉屑的液氧經(jīng)發(fā)動機(jī)加熱氣化后，將會進(jìn)入增壓管道，由于氣流的帶動作用，金屬顆粒在管道內(nèi)運動時與管道壁面產(chǎn)生碰撞和摩擦，這種撞擊作用在管道的彎頭處表現(xiàn)得最為厲害。碰撞與摩擦作用使顆粒及壁面溫度升高，在壁面處形成能量積累。當(dāng)這種碰撞作用使溫度上升到材料在氧氣中的燃點時，便會發(fā)生燃燒。

經(jīng)分析，液氧系統(tǒng)中可能存在的金屬多余物顆粒包括不銹鋼及鋁等。顆粒尺寸均較小，粒徑分布在10～500 μm范圍內(nèi)。其中，鋁在純氧中點燃的溫度僅為600℃度左右，可能在氧氣中碰撞燃燒，并引燃管道內(nèi)壁面?；诖丝紤]，火箭自生增壓管道存在固體顆粒物摩擦碰撞引起燃燒的可能。

2 試驗研究

2.1 試驗方案

為確保箭體增壓管道使用安全，必須進(jìn)行相關(guān)試驗研究。若采用真實的動力系統(tǒng)進(jìn)行搭載試車，一旦發(fā)生燃燒，經(jīng)濟(jì)損失大，并影響型號總體研制。因而，需先進(jìn)行地面可行性模擬試驗，然后再進(jìn)行動力系統(tǒng)試車搭載。

在地面模擬試驗中，采用火箭自生增壓的不銹鋼管路，創(chuàng)造與增壓氧氣流相同的溫度、壓力及流速條件，并將不同粒徑的金屬顆粒摻入管道，以考核管道的安全性。

2.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由氧氣源、氧氣加熱裝置、增壓管路、多余物入射裝置、消防系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成。氧氣源由25組氧氣瓶組成，每組包括16個40 L的10 MPa氧氣瓶，可用氧氣總量為880 kg，可供持續(xù)試驗時間為1 100 s。各組氧氣瓶由金屬軟管與集氣排連接。主管路上設(shè)置過濾器、閥門、減壓閥、質(zhì)量流量計、氧氣加熱器、隔離銅段[13]等。各部件材質(zhì)均能滿足氧氣環(huán)境使用條件，管道內(nèi)氧氣設(shè)計流速滿足氧氣安全使用標(biāo)準(zhǔn)。

為確保氧氣加熱過程中的安全，采用水浴換熱器對氧氣進(jìn)行加熱，如圖1所示。加熱器為殼管式，氧氣從管程通過，材質(zhì)為銅，設(shè)計壓力2 MPa，熱水由殼程通過，并通過循環(huán)泵作用使水在換熱器與水加熱器間形成循環(huán)，水溫由加熱器控制。水加熱器采用電加熱，最大功率150 kw，最高工作溫度180℃，對應(yīng)最高壓力1.5 MPa，具備超溫、超壓自動調(diào)整功能。

圖1 氧氣加熱裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat exchanger for oxygen gas

增壓管路與加熱器出口對接，并按照箭上布局順序安裝。由于氧氣管道出口不連接貯箱，為此在增壓管路出口處安裝限流孔板，使管道內(nèi)壓力達(dá)到試驗設(shè)定值，孔板材質(zhì)為銅。

為實現(xiàn)多余物顆粒在高溫氧氣流動過程中進(jìn)入試驗管段，采用少量氮氣將多余物吹入隔離銅管后、試驗管路入口前的主管路上，由氧氣流吹入下游的管路中。多余物入射系統(tǒng)裝置由減壓閥、電磁閥、孔板、單向閥和過濾器構(gòu)成，多余物顆粒裝在過濾器與主管路間的管道內(nèi)。

由于試驗件管道存在燃爆的可能，在隔離銅管前端接入消防氮氣管道，且在試驗件管道上方設(shè)置噴水消防系統(tǒng)。

2.3 試驗過程及結(jié)果

2.3.1 多余物制備與入射系統(tǒng)調(diào)試

采用常用的不銹鋼、鋁及焊料等五種箭體動力系統(tǒng)常用材料，各占總質(zhì)量的20%，研磨至粒徑10～500 μm范圍。每次試驗稱量多余物3 g放置于入射裝置。

為使入射氮氣對氧氣純度影響不超過5%，對氮氣流量及多余物吹入能力進(jìn)行了調(diào)試。調(diào)試時安裝0.5 mm孔徑孔板，將多余物裝入管段，后端通大氣，調(diào)節(jié)孔板入口氮氣壓力，通氣10 s后檢查管道內(nèi)多余物情況。采用多余物完全被吹出時的參數(shù)計算出多余物入射管道內(nèi)的氮氣流速約為10 m/s。再根據(jù)試驗時的背壓條件和調(diào)試流速計算出相應(yīng)的氮氣流量為35 g/s，滿足氧氣純度條件，而此時孔板入口壓力應(yīng)為3.4 MPa。

2.3.2 背壓孔板等試驗參數(shù)確定

為了確定試驗時的熱水溫度、主減壓器出口壓力及背壓孔板孔徑等參數(shù)，采用氮氣進(jìn)行了幾輪系統(tǒng)調(diào)試及參數(shù)調(diào)整。在試驗流量下，當(dāng)出口采用22～26 mm的孔板時，試驗管路入口壓力為1 MPa。安裝22 mm孔板調(diào)試時，水加熱器出口溫度設(shè)置為175℃，主減壓器后動態(tài)壓力設(shè)置為1.4 MPa。經(jīng)調(diào)試曲線分析，試驗管路入口氮氣溫度可達(dá)397 K，實測氮流量為660 g/s，入口壓力為1.02 MPa（絕壓）。

利用上述實測流量參數(shù)對憋壓孔板流量系數(shù)進(jìn)行了反算后，計算出當(dāng)管路入口處壓力為1.15 MPa時，氧氣流量將達(dá)到約790 g/s。因而，減壓器出口動態(tài)壓力需提高至1.55～1.6 MPa?？紤]減壓器動態(tài)特性，試驗開始前該出口壓力靜態(tài)值需設(shè)為1.8 MPa。

2.3.3 試驗過程

試驗系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后，先打開水加熱器，使水溫上升至175℃，并使熱水在換熱器與加熱器間循環(huán)。為確保試驗安全，避免閥門開啟時氧氣流的沖擊使管道發(fā)生燃燒，在系統(tǒng)內(nèi)充氧氣前，先在管道內(nèi)充入低于氧氣源壓力的氮氣，并調(diào)節(jié)好主路減壓閥的出口壓力。打開氧氣主閥和隔離閥，氣流經(jīng)過換熱器后進(jìn)入試驗件管道。為消除管道內(nèi)氮氣對試驗結(jié)果的影響，試驗總時間由400 s增加至440 s，且多余物在通氣開始100 s以后再吹入系統(tǒng)。試驗過程中，測量試驗件管道入口壓力、溫度及管道彎頭外壁等處溫度。試驗結(jié)束后，拆卸管路檢查多余物在入射管道中是否有存留，試驗件管道內(nèi)壁是否發(fā)生燒損等。

2.3.4 試驗結(jié)果

對同一試驗件進(jìn)行了兩輪試驗，試驗期間，未發(fā)生不銹鋼管道燃爆的現(xiàn)象，其中一次試驗過程中測量的數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。

圖2 氧氣流量曲線Fig.2 Mass flow curve of oxygen gas

圖3 試驗壓力曲線Fig.3 Curves of oxygen and powder blowing pressure

圖4 試驗溫度曲線Fig.4 Curves of oxygen flow and tube wall temperature at different locations

試驗數(shù)據(jù)和試驗件檢查結(jié)果表明，各試驗參數(shù)均已達(dá)到要求，多余物全部進(jìn)入試驗管道，并在背壓孔板上游發(fā)現(xiàn)金屬顆粒留存，試驗件管道內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)燒蝕痕跡。

3 結(jié)論

針對運載火箭氧箱自生增壓彎頭管道，完成了高溫?fù)诫s氣流試驗.試驗系統(tǒng)滿足考核參數(shù)和安全要求。管道中氧氣流速約為42 m/s、管道入口氧氣壓力1 MPa、溫度380～410 K范圍內(nèi)時，氣流中若存在少量粒徑10～500 μm的金屬多余物時，不影響管道的安全工作。本試驗僅針對短時間工作的火箭增壓管道，結(jié)論不作為其他氧氣管道系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推廣和參考。

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