低溫管線補(bǔ)償器失穩(wěn)研究

趙洲 劉平 北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所

引言

隨著大推力火箭試驗(yàn)的發(fā)展需求，大口徑、高壓力的低溫管線已成為必然趨勢。某條高壓低溫液氧管線是在XX 氫氧發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段和模樣階段，為某發(fā)動機(jī)提供高壓液氧介質(zhì)的保障系統(tǒng)，在這條管線上有4 個(gè)承受高壓的波紋補(bǔ)償器，在某次系統(tǒng)常溫氣密試驗(yàn)時(shí)，4 個(gè)波紋管出現(xiàn)不同程度的彎曲失效情況，針對此種情況，對波紋管失效原因進(jìn)行查找，并提出補(bǔ)救措施，保證了系統(tǒng)安全性，確保試驗(yàn)按期進(jìn)行。

1 概述

1.1 波紋補(bǔ)償器布置及結(jié)構(gòu)

某條液氧管線工作壓力23MPa，介質(zhì)液氧，工作溫度－183℃，管路規(guī)格φ85x10，前期延續(xù)以往的設(shè)計(jì)習(xí)慣，系統(tǒng)上采用4 個(gè)補(bǔ)償器對管線進(jìn)行補(bǔ)償，分別布置在主管路應(yīng)急閥前、流量計(jì)后、和斜接的直管段上，兩個(gè)補(bǔ)償器間采用低溫保冷固定支架隔離，中間設(shè)置導(dǎo)向支架。

補(bǔ)償器屬于研制產(chǎn)品，型式為軸向拉桿內(nèi)壓型，內(nèi)部無導(dǎo)流筒，兩端留有φ85x10 無縫不銹鋼直管段各100mm，拉桿設(shè)計(jì)可抵消盲板力，補(bǔ)償器共13 個(gè)波，補(bǔ)償量20mm，剛度203N/mm，疲勞壽命不低于500 次。出廠狀態(tài)350mm。所有對接焊縫進(jìn)行100%射線檢查，滿足NB/T47013.2-2015 Ⅱ級合格，所有角焊縫進(jìn)行100%深透檢測，滿足NB/T47013.2-2015 Ⅰ級合格。安裝前進(jìn)行水壓試驗(yàn)34.5MPa，保壓無滲漏和失穩(wěn)現(xiàn)象，合格。進(jìn)行氣密性試驗(yàn)23MPa，保壓無滲漏和失穩(wěn)現(xiàn)象，單體設(shè)備檢驗(yàn)合格。

1.2 波紋補(bǔ)償器失穩(wěn)情況

因工藝需求系統(tǒng)用液氮低溫調(diào)試合格后，時(shí)隔1 天進(jìn)行了常溫氣密試驗(yàn)，系統(tǒng)在增壓至7MPa 時(shí)，發(fā)現(xiàn)4 個(gè)波紋補(bǔ)償器發(fā)生不同程度的彎曲，彎曲情況如圖3 所示。且4 個(gè)補(bǔ)償器的彎曲方向各有不同，沒有規(guī)律。經(jīng)測試4 個(gè)波紋補(bǔ)償器彎曲度分別為波紋總長的7.5%、9.2%、4.5%、6.7%，如果繼續(xù)施壓存在一定的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

2 原因分析

引起波紋補(bǔ)償器失穩(wěn)的因素主要有壓力過高、疲勞次數(shù)超過設(shè)計(jì)疲勞壽命、管道波紋補(bǔ)償器承受了除軸向力以外方向的力等等。

本系統(tǒng)使用的波紋管是按照23MPa 進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并進(jìn)行了單體設(shè)備的型式試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，均滿足設(shè)計(jì)要求，并且系統(tǒng)在增壓至7MPa，還未達(dá)到23MPa 就出現(xiàn)了失效問題，基本可以排除因壓力過高導(dǎo)致的彎曲失效。

本系統(tǒng)常、低溫氣密調(diào)試和試驗(yàn)共15 次，波紋補(bǔ)償器使用次數(shù)不超過30 次，遠(yuǎn)低于其設(shè)備的疲勞壽命，故疲勞次數(shù)超限也不是彎曲失效的原因。

波紋補(bǔ)償器波紋部分呈現(xiàn)不規(guī)則變形，說明波紋受力不均勻，因波紋管拉桿設(shè)計(jì)成抵消盲板力作用的大拉桿，所以基本不存在管道非軸向力對波紋管的作用。排除外部非軸向力的作用，就剩下波紋管內(nèi)部受力不均的情況，考慮系統(tǒng)在常溫氣密前一天進(jìn)行了液氮冷調(diào)試驗(yàn)，管道復(fù)溫1 天，在北京11 月份，天氣寒冷，管路不能復(fù)溫完全，即波紋補(bǔ)償器還沒有完全恢復(fù)出廠狀態(tài)，在這種情況下，對系統(tǒng)進(jìn)行常溫氣密時(shí)，因其四個(gè)拉桿方向收縮位移不同，且有摩擦力作用，在打壓情況下，波紋部分受力不均，就會出現(xiàn)不同方向彎曲失效的情況。

3 補(bǔ)救措施

考慮波紋管彎曲失效，如果繼續(xù)疲勞變形，其疲勞壽命會大大降低，系統(tǒng)安全可靠性低。同時(shí)考慮波紋補(bǔ)償器存在一定的強(qiáng)度，因此對其進(jìn)行了機(jī)械矯正，將波紋管壓縮至出廠設(shè)置。

鎖緊螺母，取消波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)淖饔茫ο到y(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力校核，采用自然補(bǔ)償?shù)姆绞?。按照原來支撐設(shè)置，管道二次應(yīng)力無法滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)上固定支架太多，彎頭不能起到自補(bǔ)償作用，為此調(diào)整支架的布置位置及支架型式

3.1 一次應(yīng)力校核

管道一次應(yīng)力校核工況組合為W+P+F，按照ASME B31.3 應(yīng)力校核準(zhǔn)則為：由重力和其他持續(xù)載荷在管道中產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和SL 不得超過熱態(tài)許用應(yīng)力Sh，即：SL ≤Sh。如果許用應(yīng)力大于或者等于節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，表示一次應(yīng)力校核通過。否則，不通過。本系統(tǒng)一次應(yīng)力最大百分比38.2%，管道應(yīng)力分布合理，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 二次應(yīng)力

管道二次應(yīng)力校核工況組合為DS1-DS2，按照ASME B31.3二次應(yīng)力校核準(zhǔn)則為：由熱膨脹及端點(diǎn)位移等因素引起的位移應(yīng)力范圍SE 不得超過許用值SA：

SA=f（1.25Sc+0.25Sh）。如果許用應(yīng)力大于或者等于節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，表示二次應(yīng)力校核通過。否則，不通過。本系統(tǒng)二次應(yīng)力最大百分比62.7%，管道應(yīng)力分布合理，滿足柔性要求。

3.3 系統(tǒng)位移

1）系統(tǒng)X 方向最大位移節(jié)點(diǎn)259，位移量24.827mm；Y 方向最大位移節(jié)點(diǎn)270，位移量9.587mm；Z 方向最大位移節(jié)點(diǎn)259，位移量25.127mm。管線在彎頭處位移最大，依靠彎頭進(jìn)行自補(bǔ)償。

2）系統(tǒng)Y－方向最大位移節(jié)點(diǎn)220，位移量－0.606mm，證明系統(tǒng)剛度良好，可以避免振動。

3.4 支架反力及約束校核

節(jié)點(diǎn)20、120、170、210、240、設(shè)置Y+方向托架，在正常工況下，Y 方向位移不大于0，管道與支架未脫離，支撐設(shè)置有效。節(jié)點(diǎn)70、100、280、320 設(shè)置Y+方向托架，在正常工況下，Y 方向位移大于0，屬于安裝支架，可用于系統(tǒng)常溫氣密試驗(yàn)。

3.5 法蘭泄漏校核

法蘭泄漏常用兩種方法，一個(gè)是基于ASME B16.5 壓力溫度曲線的當(dāng)量壓力法，一個(gè)是NC3658 方法。當(dāng)量壓力法法蘭的軸向力（F）用以下轉(zhuǎn)換為當(dāng)量壓力（Pe）。

軸向力的當(dāng)量壓力，Pe1＝4F/πG2；

彎矩的當(dāng)量壓力，Pe2 ＝16M/πG3

其中：

G：墊 片 載 荷 作用點(diǎn) 的直徑。當(dāng)bo ≤6mm 時(shí)，G=（墊 片OD+ID）/2；當(dāng)bo 大于6mm，G ＝（墊片OD-2b）

然后，將這兩個(gè)當(dāng)量壓力與設(shè)計(jì)壓力相加，得到總壓力（Pt ＝Pd+Pe1+Pe2），把總壓力代入到ASME B16.5 中與法蘭材料相關(guān)的溫度壓力表格中。如果Pt 小于表格中的許用壓力，那么法蘭不會泄漏。該方法簡單，直觀，但計(jì)算有些偏保守?？紤]到冷工況下法蘭受拉，工況較惡劣，故選用偏保守的此方法進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)ASME200M CLASS1500 2.1 穩(wěn)壓曲線特性，采用當(dāng)量壓力法計(jì)算法蘭泄漏量百分比小于1 滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)更改了支架的位置和型式，將固定支架更改為導(dǎo)向支架和托架，使系統(tǒng)能夠進(jìn)行自補(bǔ)償。該系統(tǒng)改進(jìn)后進(jìn)行了型式試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，滿足使用需求。