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      運載火箭氧自生增壓不銹鋼管道的安全性研究

      2015-12-16 07:24:08趙耀中彭龍濤
      火箭推進(jìn) 2015年6期
      關(guān)鍵詞:孔板加熱器氮氣

      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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