航天發(fā)射場低溫容器管道設(shè)計(jì)

王明富，王　立

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京　100076）

航天發(fā)射場低溫容器管道設(shè)計(jì)

王明富，王立

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076）

低溫容器管道受力復(fù)雜，同時(shí)也是容器結(jié)構(gòu)薄弱部件。為確保航天發(fā)射場低溫容器安全、可靠的運(yùn)行，針對航天發(fā)射場低溫容器使用特點(diǎn)，提出低溫容器管道設(shè)計(jì)內(nèi)容（包括結(jié)構(gòu)要求，主要管道功能分析及驗(yàn)算，管道柔性計(jì)算及結(jié)果判定）。以DN50管道方案設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用分析軟件對管道進(jìn)行應(yīng)力分析，從管道占用空間、管道應(yīng)力值及管道對容器接管處的作用力三方面進(jìn)行比較，提出增加管道柔性的措施。鑒于航天發(fā)射場低溫容器管道設(shè)計(jì)的重要性和復(fù)雜性，建議采取措施，確保管道結(jié)構(gòu)合理、可靠。

低溫容器；管道；設(shè)計(jì)

0　引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及低溫技術(shù)的普及，低溫液體的應(yīng)用日趨廣泛，各行業(yè)對低溫容器的需求日益增長[1]。航天發(fā)射場低溫推進(jìn)劑加注系統(tǒng)通常配有低溫容器，用來貯存液氮、液氧和液氫，由于這些介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)低且氣化潛熱小，極易從環(huán)境中吸熱而氣化為氣體。為了減少低溫容器的漏熱量，降低容器蒸發(fā)損失，從而有效貯存低溫液體介質(zhì)，航天發(fā)射場貯存液氮、液氧和液氫的容器通常采用夾套結(jié)構(gòu)，在夾套內(nèi)裝填絕熱材料并抽真空（真空粉末絕熱：夾套真空度1～3 Pa；真空多層絕熱：夾套真空度1×10-3Pa）。

為了滿足航天發(fā)射場低溫推進(jìn)劑加注工序要求，低溫容器應(yīng)具備貯存、自增壓、按規(guī)定流量向外輸送低溫液體的基本功能，工作期間，還需對液面、壓力進(jìn)行檢測和控制。

位于低溫容器夾套內(nèi)的管道，既承受壓力載荷、內(nèi)外容器間的溫差載荷，同時(shí)還承受介質(zhì)重力載荷，對于移動式低溫容器，夾套內(nèi)的管道還承受運(yùn)動時(shí)的慣性載荷，管道受力復(fù)雜。夾套內(nèi)的管道一旦失效發(fā)生泄漏，低溫液體會進(jìn)入夾套，導(dǎo)致夾套真空度喪失和絕熱層隔熱功能失效，低溫容器漏熱量將顯著增加，容器不能正常工作。當(dāng)大量低溫液體進(jìn)入夾套時(shí)，可能導(dǎo)致碳鋼制作的外夾套產(chǎn)生低溫脆斷。文獻(xiàn)[2]對臥式低溫容器徑向支撐結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3]對高壓低溫容器加工工藝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，其研究內(nèi)容均未涉及低溫容器管道，為此對航天發(fā)射場低溫容器管道進(jìn)行功能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化是非常必要的。

1　管道設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)一般要求

低溫容器管道結(jié)構(gòu)需滿足要求：管道漏熱量小、結(jié)構(gòu)可靠性高、布局緊湊，以減小夾套空間，從而減小容器外形尺寸和質(zhì)量。

1.2結(jié)構(gòu)形式

低溫容器管道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　低溫容器管道結(jié)構(gòu)

（1）開口位于容器液相部位的管道，應(yīng)設(shè)置液封，以阻止管道內(nèi)的氣體進(jìn)入內(nèi)容器，從而減小容器漏熱量；

（2）為了提高管道的可靠性，夾套內(nèi)的管道通常采用自然補(bǔ)償，一般不在管道上設(shè)置波形膨脹節(jié)。必要時(shí)可在管道的外夾套管上設(shè)置波形膨脹節(jié)，以滿足管道低溫補(bǔ)償需求；

（3）夾套中的管道盡量采用整管制作，如需焊接，所有焊接接頭需進(jìn)行無損檢測。

1.3主要管道功能、結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算

1.3.1增壓管及增壓回氣管

低溫容器通常配有增壓管道，如圖2所示。低溫液體通過增壓管道進(jìn)入增壓器，在增壓器（用空氣加熱或電加熱）內(nèi)被加熱氣化為低溫氣體，通過回氣管進(jìn)入容器氣相空間，逐步提高低溫容器氣相空間壓力。增壓回路需滿足低溫容器在額定工作壓力下的排液能力（供液量）以及由常壓升壓至工作壓力所需最短時(shí)間，同時(shí)還需校核低溫容器在最低液面時(shí)的升壓能力。

圖2　低溫容器增壓管路

增壓回路水力計(jì)算式（1）。

式中：ΔP為循環(huán)動力，MPa；ΔP1為液體從容器至增壓器入口間的流阻（包括局部阻力、摩擦阻力），MPa；ΔP2為增壓器流阻，MPa；ΔP3為增壓器出口至容器頂部氣體流阻（包括局部阻力、摩擦阻力和氣柱靜壓力），MPa；

式中：ΔP為循環(huán)動力，MPa；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為液面高度，m。

1.3.2差壓液面計(jì)取壓管

低溫容器通常配有差壓液面計(jì)，通過差壓液面計(jì)指針來顯示容器內(nèi)的液面高度。壓差液面計(jì)配有兩根接管（氣相取壓管和液相取壓管），氣相取壓管開口位于容器頂部氣相空間，液相取壓管開口位于容器底部，低溫容器差壓液面計(jì)及取樣管如圖3所示。

圖3　低溫容器差壓液面計(jì)及取壓管

由圖3可看出，差壓液面計(jì)以容器內(nèi)低溫液體液面升降時(shí)產(chǎn)生的液柱高度，等于容器氣相空間和底部液相間靜壓力之差為原理，通過測量靜壓力差的大小，來確定被測液體液面的高低[4]。

容器內(nèi)被測液體液面高度與差壓液面計(jì)指示壓差值的關(guān)系如式（3）。

式中：h為被測液體液面高度，mm；ΔP為差壓計(jì)指示壓差值，mm；ρ為被測液體密度，kg/m3；ρ1為差壓液面計(jì)用（mmwc）時(shí)水的密度，kg/m3。

從圖3和式（3）可知，差壓液面計(jì)指示壓差值ΔP不僅與容器內(nèi)低溫液體液面高度有關(guān)，而且與氣相取壓管和液相取壓管內(nèi)介質(zhì)密度和差壓液面計(jì)安裝高度有關(guān)。因氣體密度遠(yuǎn)小于液體密度，氣柱產(chǎn)生的靜壓力相比液柱靜壓力可忽略不計(jì)。因氣相取壓管開口位于容器頂部，可確保氣相取壓管內(nèi)介質(zhì)為氣體。為確保液相取壓管內(nèi)介質(zhì)為氣體，通常在低溫容器液相取壓管與容器底部連接處安裝一取壓裝置，該裝置通過銅導(dǎo)線與外夾套連接，從夾套導(dǎo)入適量熱量，將取壓裝置內(nèi)的低溫液體氣化，以此來保證差壓液面計(jì)讀數(shù)的精準(zhǔn)。

1.3.3進(jìn)、排液管

為確保低溫容器投用前冷卻充分，通常在立式容器上部進(jìn)液管靠近內(nèi)容器的一端安裝噴頭（在臥式容器上部進(jìn)液管上開噴淋小孔）。通過上部進(jìn)液管轉(zhuǎn)注低溫液體，可對低溫容器氣相空間的氣體進(jìn)行冷卻，降低氣相空間壓力，減小氣體排放量。

根據(jù)容器排液量以及合理的液體流速確定排液管直徑。立式容器排液管開口通常位于容器底部，對于大口徑排液管，在管道入口處設(shè)置防渦架；臥式容器以及貯存極度危害和高度危害介質(zhì)的低溫容器，排液管通常從容器頂部引出，并通過插底管延伸到內(nèi)容器底部。

1.4管道柔性計(jì)算及結(jié)果判定

1.4.1管道柔性計(jì)算

低溫容器管道工作時(shí)溫度與制作時(shí)溫度相差較大（貯存液氮、液氧的容器，溫差約220℃；貯存液氫的容器，溫差高達(dá)270℃），因管道固定端的約束，限制了管道的自由伸縮，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，如果應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度，管道就有斷裂的危險(xiǎn)。因此，要求夾套內(nèi)的管道必須具有較強(qiáng)補(bǔ)償能力，以滿足內(nèi)容器和管道本身冷縮要求，為了確保管道的補(bǔ)償能力和可靠性，需對管道進(jìn)行柔性計(jì)算。

夾套中的管道通常利用彎頭和管臂幾何形狀具有彈性來吸收熱位移，減少熱應(yīng)力。對于確定的關(guān)系，可根據(jù)式（4）判斷管道是否具備自補(bǔ)償能力[4]。

式中：D為管子直徑，cm；L為管道展開長度，m；U為固定端之間的直線距離，m；Y為管道熱位移和端點(diǎn)位移的總和，cm，由式（5）、（6）和（7）計(jì)算。

式中：Δx為x方向的溫度位移，cm；Δy為y方向的溫度位移，cm；α為材料的線膨脹系數(shù)，cm/（m·℃）；Δt為溫差，℃；Lx為x方向管道總長，m；Ly為y方向管道總長，m。

式（4）適用范圍為管子直徑相同、固定點(diǎn)不超過兩個(gè)且不存在中間約束的情況，當(dāng)?shù)蜏厝萜鲓A套管道滿足式（4）使用條件時(shí)，可按其進(jìn)行柔性判斷。

式（4）是經(jīng)驗(yàn)公式，其適用范圍有限，只能簡單的判斷管道是否具備補(bǔ)償能力，不能計(jì)算管道各點(diǎn)的應(yīng)力、位移值，也不能計(jì)算管道對容器固定處的推力和彎矩。當(dāng)容器存在壓力、溫度交變載荷工況時(shí)，不能對管道的疲勞壽命進(jìn)行評估。為此，設(shè)計(jì)人員通常應(yīng)用分析軟件對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行柔性分析，并提供容器管口、管道支架的推力和彎矩。

1.4.2計(jì)算結(jié)果判定

依據(jù)許用應(yīng)力判定公式對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。管道系統(tǒng)中任何一處由位移引起的應(yīng)力應(yīng)不超出式（8）規(guī)定的應(yīng)力范圍。

式中：SA為許用應(yīng)力范圍，MPa；f為許用應(yīng)力范圍折減系數(shù)，如表1所列；Sc為循環(huán)載荷作用下管道元件或管子材料在最低工作溫度下的許用應(yīng)力，MPa；Sh為循環(huán)載荷作用下管道元件或管子材料在最高工作溫度下的許用應(yīng)力，MPa。

表1　許用應(yīng)力折減系數(shù)f

當(dāng)考慮永久載荷（壓力、重力）作用于管道系統(tǒng)，計(jì)算得到的管道元件的軸向應(yīng)力SL小于材料在最高工作溫度下的許用應(yīng)力Sh時(shí)，則許用應(yīng)力范圍可按式（9）進(jìn)行計(jì)算：

2　管道設(shè)計(jì)

文章以CAESAR II管道應(yīng)力分析軟件為工具，通過某低溫容器DN50管道方案比較，提出增加管道柔性的方法。

2.1DN50管道情況

管道用GB/T1497606Cr19Ni10無縫管制造，外徑57 mm，公稱壁厚3.5 mm，腐蝕裕量0 mm，彎頭選用GB/T12459 DN50短半徑彎頭，壁厚與管道相同。管道采用真空多層絕熱保冷，厚度10 mm。流體介質(zhì)為液氮（密度：810 kg/m3）。管道預(yù)計(jì)的當(dāng)量循環(huán)次數(shù)低于7 000。用于管道分析的彈性模量取2.09×105MPa，泊松比為0.3[5]。

該管道在正常操作期間預(yù)計(jì)的內(nèi)壓、最高和最低金屬溫度及設(shè)計(jì)條件如表2所列。該設(shè)計(jì)條件根據(jù)實(shí)際操作條件并留一定余量而確定。

表2　溫度/壓力組合

2.2DN50管道方案

2.2.1DN50管道方案1

管道結(jié)構(gòu)及分析模型1如圖4所示，分析模型相關(guān)參數(shù)如表3所列。管道為平面結(jié)構(gòu)，由3段直管和2個(gè)彎頭構(gòu)成。管道一端同內(nèi)容器封頭相連接，另一端同外套管連接。管道在溫度載荷和端點(diǎn)位移工況下計(jì)算結(jié)果如表4所列。

表3　管道模型參數(shù)

由表4可知，節(jié)點(diǎn)40處彎曲應(yīng)力高達(dá)590.76 MPa，遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[6]許用應(yīng)力值205 MPa，管道柔性不合格，需對管道結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。

圖4　DN50管道結(jié)構(gòu)及模型1

表4　管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在溫度和端點(diǎn)位移工況下的應(yīng)力

2.2.2DN50管道方案2

管道結(jié)構(gòu)及分析模型2如圖5所示，分析模型參數(shù)如表5所列。管道為空間結(jié)構(gòu)，由5段直管和4個(gè)彎頭構(gòu)成。管道兩端連接情況同方案1。管道在溫度載荷和端點(diǎn)位移工況下的計(jì)算結(jié)果如表6所列。

圖5　DN50管道結(jié)構(gòu)及模型2

表5　要素連接、類型和長度

由表6可知，節(jié)點(diǎn)38處應(yīng)力最值最高為94.65 MPa，滿足文獻(xiàn)[6]允許應(yīng)力范圍，管道柔性合格。

管道各點(diǎn)在壓力、重力、溫度和端點(diǎn)位移工況下的應(yīng)力如表7所列。節(jié)點(diǎn)38處應(yīng)力最值最高為102.86 MPa，滿足文獻(xiàn)[6]允許應(yīng)力范圍，管道柔性合格。

表6　管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在溫度和端點(diǎn)位移工況下的應(yīng)力

表7　管道各點(diǎn)在壓力、重力、溫度和端點(diǎn)位移工況下的應(yīng)力

管道在壓力、重力、溫度和端點(diǎn)位移工況下對錨固點(diǎn)作用力如表8所列。根據(jù)表計(jì)算，可為容器接管設(shè)計(jì)提供外力和外力矩載荷。

表8　管道在壓力、重力、溫度和端點(diǎn)位移工況下對錨固點(diǎn)作用力

2.2.3DN50管道方案3

管道結(jié)構(gòu)及分析模型如圖6所示，分析模型相關(guān)參數(shù)如表9所列。管道為平面結(jié)構(gòu)，由5段直管和4個(gè)彎頭構(gòu)成。管道一端位于內(nèi)容器固定支撐處的直筒上，另一端與外套管相連接。

圖6　DN50管道結(jié)構(gòu)三

表9　要素連接、類型和長度

經(jīng)分析：在溫度載荷和端點(diǎn)位移工況下，最高應(yīng)力點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)18，應(yīng)力值為117.5 MPa；在壓力、重力、溫度和端點(diǎn)位移工況下，最高應(yīng)力點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)18，應(yīng)力值為120.6 MPa，該工況下對容器接管處的推力和彎矩如表10所列。

2.2.4DN50管道方案比較

DN50管道方案比較如表11所列。

2.3增加管道柔性方法

通過DN50管道方案結(jié)果比較可知，增加管道柔性的方法有三種：（1）當(dāng)管道具有附加位移時(shí)，管道冷縮方向盡量與附加位移方向一致；（2）當(dāng)夾套空間允許時(shí)，管道盡量設(shè)計(jì)為空間結(jié)構(gòu)；（3）在外夾套管上設(shè)置波形膨脹節(jié)，設(shè)置波形膨脹節(jié)后，柔性計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮波形膨脹節(jié)自身的剛度。

表10　DN50管道對容器接管處的作用力

表11　DN50管道方案特點(diǎn)

3　結(jié)束語

航天發(fā)射場低溫加注系統(tǒng)間歇使用的特點(diǎn)決定了發(fā)射場低溫容器管道存在溫度/壓力變載荷工況，管道除進(jìn)行壓力、溫度和重力載荷引起的柔性分析外，還需考慮管道的疲勞壽命。對于移動式低溫壓力容器（如液氫運(yùn)輸車），還應(yīng)校核管道的固有頻率（通常不小于30 Hz）[7]，以免管道產(chǎn)生疲勞破壞。低溫容器管道設(shè)計(jì)涉及流體、結(jié)構(gòu)、傳熱、真空、機(jī)械加工及無損檢測等專業(yè)知識。目前我國航天發(fā)射場低溫加注系統(tǒng)配套的液氫容器容積已達(dá)300 m3，液氧固定容器容積已達(dá)330 m3，隨著航天發(fā)射場低溫加注系統(tǒng)規(guī)模的不斷發(fā)展，對大型低溫容器的需求日益迫切，經(jīng)論證未來發(fā)射場低溫容器容積高達(dá)3 000 m3。隨著航天發(fā)射場低溫容器規(guī)模的不斷增大，管道規(guī)格也日益增大，這些因素都增加了低溫容器管道設(shè)計(jì)的難度。為此，在進(jìn)行發(fā)射場大型低溫容器設(shè)計(jì)時(shí)，需采取切實(shí)有效的措施對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)合理、可行，為航天發(fā)射場低溫容器安全、可靠運(yùn)行提供保障。

[1]畢龍生.低溫容器應(yīng)用及發(fā)展前景（一）[J].真空與低溫，1999，5（3）：125-134.

[2]王正興.特種臥式低溫容器徑向支撐結(jié)構(gòu)溫度場的有限元分析[J].低溫工程，2008，163（3）：42-44.

[3]徐烈，鄭傳永.高壓低溫容器研制中的幾個(gè)技術(shù)問題[J].制冷技術(shù)，1991（1）：26-28.

[4]化學(xué)工業(yè)部第四設(shè)計(jì)院.深冷手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[5]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T20801.2-2006.壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分材料[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[6]美國國家標(biāo)準(zhǔn).ASMEB31.3-2004.工藝管道[S].北京：中國石化出版社，2006.

[7]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JB/T4783-2007.低溫液體汽車罐車[S].北京：新華出版，2007.

DESIGNOFCRYOGENIC VESSELSPIPE FOR SPACE LAUNCH SITE

WANG M ing-fu，WANG Li
（Beijing Instituteof Technology Space Launch，Beijing100076，China）

The forcesof cryogenic vessels pipes are complicated.The pipesalso are theweak partsof cryogenic vessel.In order to ensure the cryogenic vessels of space launching site operate safely and reliably，this paper presents the design contents(including the structural requirements，themain analysisand checking on pipeline function，the flexible pipeline computing and result determination)according to the using feature of the cryogenic vessels of space launching site. Foran example of the design of a pipew ith 50mm diameter，the pipe stressanalysiswas conducted by analysis software.It is proposed to increase the flexibility of the pipe according to the comparisons among the pipe occupation space，the pipe stress value and the force producing by the pipe to cryogenic vesselnozzles.Base on the importance and the complexity of the pipe design for the cryogenic vessels of space launching site，it is suggested to takemeasure to ensure the pipe structure reasonableand reliable.

cryogenic vessel；pipe；design

V 553；TB65

A

1006-7086（2016）01-0047-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.011

2015-10-27

王明富（1971-），男，四川達(dá)州人，高級工程師，主要從事低溫容器及低溫工程研制。E-mail:scwm f929@sina.com。