運載火箭波紋管用鋼帶研制與供應(yīng)實踐

/中國運載火箭技術(shù)研究院物流中心

近年來，隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步提升空間探測能力的需求越來越迫切，我國已啟動研制了大推力、大運載能力火箭?；鸺捎萌碌脑鰤狠斔拖到y(tǒng)，波紋管是增壓輸送系統(tǒng)的重要組件，用于輸送高溫增壓氣體和低溫液體燃料，同時通過自身尺寸的改變補(bǔ)償增壓輸送管路在總裝測試、燃料加注、儲箱增壓、箭體飛行過程中因溫度變化和振動引起的結(jié)構(gòu)變形。與傳統(tǒng)增壓輸送系統(tǒng)相比，新型增壓輸送系統(tǒng)波紋管承受的振動量級更大，工作條件更嚴(yán)酷，這對制造波紋管的鋼帶性能提出了更高要求，波紋管用鋼帶的研制與供應(yīng)已成為整個火箭研制的重要組成部分。

一、波紋管用鋼帶的研制過程

波紋管用鋼帶的研制分為方案初始、方案改進(jìn)和方案確定3個階段，各階段又包含需求、方案和試驗3個環(huán)節(jié)，如圖1所示。在研制過程中，通過需求分析提出波紋管的性能需求，根據(jù)波紋管的性能需求選定鋼帶的技術(shù)方案，由工藝試驗測試鋼帶在波紋管制造和試驗中的各項性能，然后再回到需求環(huán)節(jié)，針對工藝試驗結(jié)果查找存在問題，改進(jìn)技術(shù)方案，采取迭代的方式層層優(yōu)化，最終找到最優(yōu)的鋼帶技術(shù)方案，并完成研制。

1.方案初始階段

（1）需求分析

在工作中，波紋管需要在高低溫條件下承受高頻振動，補(bǔ)償管路系統(tǒng)尺寸變化，完成腐蝕性流體的輸送；要求波紋管在高低溫條件下具備良好的剛度、強(qiáng)度、抗疲勞性能和耐腐蝕性能，這些性能需要通過波紋管用鋼帶的材料性能進(jìn)行實現(xiàn)。波紋管和鋼帶應(yīng)具備的性能見表1。

圖1 鋼帶研制過程示意圖

表1 波紋管和鋼帶應(yīng)具備的性能

表2 初始方案發(fā)現(xiàn)的問題

（2）初始方案

綜合鋼帶的各項性能要求，初始方案選擇的鋼帶技術(shù)狀態(tài)為“鋼帶，06Cr17Ni12Mo2，固溶-BA表面-PT，GB/T3280-2007，寬度400mm，各相應(yīng)厚度規(guī)格”。其中，“BA表面”表示光亮熱處理，能夠獲得較好的表面質(zhì)量，“PT”表示厚度公差較高精度。初始方案所選鋼帶具備的性能，能夠較好地契合需求分析中對鋼帶的要求，而且所選技術(shù)狀態(tài)屬于國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，便于物資供應(yīng)、研制工作快速展開。

（3）工藝試驗

鋼帶技術(shù)狀態(tài)提出后，訂貨工作緊急啟動；鋼帶到貨后，開始進(jìn)行波紋管試制加工，加工中先把鋼帶卷曲成圓筒形，再對圓筒縱向焊縫進(jìn)行焊接，然后把多層圓筒套合在一起，進(jìn)行波紋成型加工；波紋管加工完成后，分別進(jìn)行外觀檢驗、氣密性試驗、強(qiáng)度試驗、振動試驗和高低溫試驗，并對波紋管各項性能進(jìn)行測試。

2.方案改進(jìn)階段

（1）問題發(fā)現(xiàn)

通過工藝試驗，波紋管在加工和試驗環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)的問題見表2。

在上述分析中，初始方案鋼帶存在寬度偏窄、厚度公差過大、抗拉強(qiáng)度偏低、表面粗糙度過大和碳含量偏高等問題，需要進(jìn)行相應(yīng)的方案改進(jìn)。

（2）方案改進(jìn)

基于發(fā)現(xiàn)的問題和分析結(jié)果，對方案進(jìn)行以下幾個方面的改進(jìn)。

增大鋼帶寬度。為了減少圓筒拼接片數(shù)和焊縫數(shù)量，綜合考慮寬度增加造成的厚度公差精度降低的不利影響，方案將鋼帶寬度從原來的400mm增加到600mm。

加嚴(yán)厚度公差。為避免鋼帶實際厚度因靠近公差下限而偏薄，方案將原來的厚度公差PT精度要求進(jìn)一步加嚴(yán)。

增加表面粗糙度要求。初始方案鋼帶表面質(zhì)量要求為BA表面（光亮退火表面），屬于過程控制，缺少對表面粗糙度的量化要求，改進(jìn)后要求鋼帶表面粗糙度優(yōu)于Ra0.3μm。

降低鋼帶碳含量。初始方案鋼帶牌號06Cr17Ni12Mo2的碳含量要求為不大于0.08%，改進(jìn)后鋼帶牌號調(diào)整為022Cr17Ni12Mo2，碳含量要求為不大于0.03%，碳含量上限降低了0.05%，其它元素含量不變，這樣既能減少焊接過程中碳元素析出對焊縫的不利影響，又能不影響鋼帶的高溫耐腐蝕性能和防低溫脆化性能。

提高鋼帶抗拉強(qiáng)度要求。初始方案鋼帶抗拉強(qiáng)度要求為不小于515MPa，根據(jù)工藝試驗中的數(shù)據(jù)分析，當(dāng)抗拉強(qiáng)度實測值達(dá)到540MPa時，波紋管的剛度和強(qiáng)度良好，所以方案將抗拉強(qiáng)度要求提高為不小于540MPa，屈服強(qiáng)度保持初始方案的不小于205MPa。

由于022Cr17Ni12Mo2碳含量較低，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在GB/T3280-2007中的標(biāo)準(zhǔn)值是較低的，而改進(jìn)方案對這2項指標(biāo)值的提高，形成了新鋼帶的供應(yīng)難點。

在上述各項改進(jìn)措施中，對鋼帶厚度公差、表面粗糙度和力學(xué)性能的新要求都超出了國家標(biāo)準(zhǔn)范圍，無法在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)選用，所以只能以特殊要求的形式提出。新方案鋼帶采購到貨后，研制單位進(jìn)行了新一輪波紋管工藝試驗和需求驗證，結(jié)果顯示，新方案鋼帶解決了前期波紋管加工和試驗中存在的問題，波紋管的各項性能均滿足型號使用要求，新方案技術(shù)狀態(tài)有效。

3.方案確定階段

為了便于后續(xù)的技術(shù)狀態(tài)管理，改進(jìn)方案通過需求驗證后，由鋼帶研制單位牽頭、檢測單位和生產(chǎn)廠家共同參與編制形成了運載火箭波紋管用鋼帶專用技術(shù)條件——不銹鋼022Cr17Ni12Mo2鋼帶技術(shù)條件，明確了鋼帶的各項技術(shù)要求，規(guī)范了檢驗方法和驗收規(guī)則，這對鋼帶的質(zhì)量控制提供了有力保障。

二、波紋管用鋼帶的物資供應(yīng)

波紋管用鋼帶是型號重要的原材料，技術(shù)指標(biāo)多、工藝試驗復(fù)雜、研制周期長，同時也是整個型號研制的短線之一。通過采取多種措施嚴(yán)把技術(shù)要求關(guān)和供應(yīng)進(jìn)度關(guān)，確保了型號研制以及型號投產(chǎn)的物資供應(yīng)。

1.通過設(shè)計選型保證物資供應(yīng)

對一項材料的設(shè)計選型，既關(guān)系到零件性能的實現(xiàn)，又關(guān)系到生產(chǎn)加工和材料供應(yīng)等后續(xù)環(huán)節(jié)。在鋼帶研制的方案初始階段，經(jīng)過充分的需求分析，設(shè)計單位在GB/T3280-2007標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)對鋼帶技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行選型，以使鋼帶供應(yīng)過程具有成熟的國家標(biāo)準(zhǔn)作支撐，廠家投產(chǎn)和產(chǎn)品驗收規(guī)范順暢，進(jìn)而確保了研制工作的順利展開。

2.在供需關(guān)系中把握主動

一是雙生產(chǎn)廠家保證供應(yīng)。在方案改進(jìn)階段，鋼帶牌號由06Cr17Ni12Mo2調(diào)整為022Cr17Ni12Mo2，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度要求提高到540MPa和205MPa，大幅增加了鋼帶的生產(chǎn)難度，使得生產(chǎn)廠家只同意試生產(chǎn)，但不能保證合格率和交貨期，這給研制工作的正常進(jìn)行帶來較大風(fēng)險。為了扭轉(zhuǎn)被動局面，采購單位緊急開拓新的生產(chǎn)廠家，分別組織上海和大連的2家公司同時進(jìn)行攻關(guān)投產(chǎn)，最終大連公司生產(chǎn)出了合格產(chǎn)品，確保了后續(xù)研制工作的順利進(jìn)行。

二是編制獨立的專用技術(shù)條件。過去的型號研制過程中通常是由生產(chǎn)廠家牽頭編制專用技術(shù)條件，作為生產(chǎn)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布給采購單位，設(shè)計單位和采購單位再按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖紙選用和材料供應(yīng)，這造成了生產(chǎn)廠家的供貨壟斷局面，當(dāng)生產(chǎn)廠家發(fā)生企業(yè)重組、設(shè)備改造和政策調(diào)整等重大情況時，常常嚴(yán)重影響型號物資供應(yīng)。

在編制波紋管用鋼帶專用技術(shù)條件之前，為了避免出現(xiàn)這種被動局面，設(shè)計單位牽頭組織研制各方主導(dǎo)編制，形成了獨立于生產(chǎn)廠家的航天企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——不銹鋼022Cr17Ni12Mo2鋼帶技術(shù)條件，為將來的鋼帶供應(yīng)贏得了主動。

3.分解需求數(shù)量，確保型號供應(yīng)

2017年，某型號運載火箭緊急啟動投產(chǎn)，采購單位向大連公司發(fā)出波紋管用鋼帶訂貨要求，但由于大連公司前期廠址搬遷和設(shè)備調(diào)試，生產(chǎn)線上滯留大量未執(zhí)行合同，不能滿足交貨期要求，使得鋼帶供應(yīng)陷入困境。

采購單位經(jīng)過梳理、分析認(rèn)為，雖然大連公司不能滿足交貨期要求，但存在變通的可能性，因為如果貿(mào)然更換生產(chǎn)廠家，新廠家也需要一個過程才能適應(yīng)鋼帶技術(shù)條件，這并不能有效解決交貨期問題，甚至還會帶來質(zhì)量隱患。

面對此情況，采購單位通過分解需求數(shù)量，與大連公司進(jìn)行溝通、協(xié)調(diào)，主要措施包括：一是清理型號鋼帶需求，分解出首發(fā)火箭用量和后續(xù)發(fā)火箭用量；二是清理研制階段留存的各項庫存鋼帶，按照專用技術(shù)條件進(jìn)行理化檢驗，合格品用于首發(fā)火箭使用；三是對于首發(fā)火箭仍然缺料的部分，組織大連公司按照最高優(yōu)先級插隊安排生產(chǎn)，由于缺料項數(shù)不多，數(shù)量不大，對大連公司總體生產(chǎn)秩序影響不大；四是對于后續(xù)發(fā)火箭需求的鋼帶，組織大連公司按照正常交貨期安排生產(chǎn)，采購單位定期跟產(chǎn)。通過上述措施的實施，確保了首發(fā)火箭和后續(xù)發(fā)火箭的鋼帶供應(yīng)。

三、實踐效果

全新的運載火箭波紋管用鋼帶的研制與供應(yīng)滿足了復(fù)雜工作環(huán)境下火箭對波紋管性能的要求，確保了型號研制及投產(chǎn)的材料供應(yīng)。

1.滿足了波紋管的性能要求

在對波紋管需求分析的基礎(chǔ)上，通過兩輪設(shè)計選型和工藝試驗，提出了滿足波紋管性能要求，同時便于生產(chǎn)加工和材料供應(yīng)的鋼帶技術(shù)狀態(tài)。

2.形成了獨立的專用技術(shù)條件

鋼帶技術(shù)狀態(tài)明確后，編制形成了獨立于生產(chǎn)廠家的航天企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——不銹鋼022Cr17Ni12Mo2鋼帶技術(shù)條件，并最終落實到圖紙中，確保了后續(xù)鋼帶供應(yīng)的主動性。

3.確保了型號研制的材料供應(yīng)

方案初始階段，通過在GB/T3280-2007標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)進(jìn)行鋼帶選型，使得鋼帶供應(yīng)有了國家標(biāo)準(zhǔn)作支撐，供應(yīng)過程規(guī)范順暢，確保了研制工作的快速展開。在方案改進(jìn)階段，鋼帶供應(yīng)難度大幅提高，通過組織2個生產(chǎn)廠家同時攻關(guān)生產(chǎn)，提高了鋼帶供應(yīng)的可靠性，確保了后續(xù)研制工作的順利進(jìn)行。

4.確保了型號投產(chǎn)的材料供應(yīng)

型號緊急投產(chǎn)后，面對鋼帶生產(chǎn)廠家受廠址搬遷和設(shè)備調(diào)試影響，在不能滿足交貨期要求的情況下采購單位積極應(yīng)對，充分利用庫存資源、分解型號首發(fā)和后續(xù)發(fā)缺料數(shù)量，組織廠家分批排產(chǎn)，既確保了首發(fā)火箭的緊急需求，又確保了后續(xù)發(fā)火箭的大批量需求。

從波紋管用鋼帶的研制和供應(yīng)過程可以看到，好的設(shè)計選型能夠促進(jìn)材料供應(yīng)，而好的材料供應(yīng)又是設(shè)計意圖在型號研制和投產(chǎn)中得以實現(xiàn)的物資保證，二者存在辯證統(tǒng)一的關(guān)系。波紋管用鋼帶是運載火箭用重要原材料，在后續(xù)的鋼帶供應(yīng)工作中還應(yīng)繼續(xù)做好生產(chǎn)廠家的開拓工作，以提高供應(yīng)渠道可靠性，同時還要做好鋼帶的戰(zhàn)略儲備工作，做到切實保證型號物資供應(yīng)。