航天管路多余物產(chǎn)生機(jī)理分析

林 潔，譚周明

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

航天管路作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輸送氣體、液體介質(zhì)的設(shè)備，其內(nèi)部潔凈度直接影響閥門控制、儀表測(cè)量、過濾精度。某些致命類型的多余物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)，推遲航天器的發(fā)射，甚至導(dǎo)致任務(wù)的失敗。管路多余物的預(yù)防和控制貫穿于管路設(shè)計(jì)、加工制作、清除工藝、檢驗(yàn)以及成品保護(hù)等環(huán)節(jié)[1，2]。

1 管路多余物的概念

1.1 多余物的定義

管路多余物指的是從管路端部引入或者內(nèi)部產(chǎn)生的與要求的輸送介質(zhì)狀態(tài)指標(biāo)不符的物質(zhì)。從定義上看，管路多余物的產(chǎn)生主要包含兩方面：①通過管路端部進(jìn)入。往往由于清洗工具或者方法不當(dāng)，遺留在管路內(nèi)表面；也有可能檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品保護(hù)措施不當(dāng)，致使多余物進(jìn)入；②管路內(nèi)部產(chǎn)生。例如，管路清洗不徹底，內(nèi)表面生銹[3，4]。

1.2 多余物的分類

多余物的分類有多種方法，可以按照性質(zhì)、狀態(tài)、危害性以及大小進(jìn)行分類。例如，管路多余物可以從大小進(jìn)行分類：宏觀上主要有鐵屑、綢布條、殘液、焊渣、氧化皮等；微觀上主要有塵土、鐵銹、油脂等[5]。

2 問題描述

某氮?dú)夤夤苈钒惭b完畢，進(jìn)行系統(tǒng)潔凈度檢驗(yàn)。對(duì)過濾器進(jìn)行拆卸、檢查，在配氣間配氣臺(tái)出口的Φ89×14.5氮?dú)夤苈飞习惭b的PN35，DN65過濾器中，發(fā)現(xiàn)濾芯上有細(xì)小的金屬碎片，過濾器殼體內(nèi)部存在金屬碎片，過濾器的濾網(wǎng)未發(fā)現(xiàn)破損現(xiàn)象。經(jīng)分析，為該過濾器攔截的前端管路多余物。圖1為過濾器殼體多余物。

圖1 過濾器內(nèi)多余物Fig.1 Remainder particles in filter

3 多余物產(chǎn)生分析

圖2 故障樹Fig.2 Fault tree

為了分析管路系統(tǒng)多余物產(chǎn)生的來源，對(duì)過濾器進(jìn)行了拆檢，前端包含了配氣臺(tái)管路、閥門以及現(xiàn)場(chǎng)制作的進(jìn)出口管路。多余物可能來源包含配氣臺(tái)的因素、現(xiàn)場(chǎng)管路制作以及氣密調(diào)試過程。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題，根據(jù)航天管理的問題查詢方法，建立如圖2所示多余物來源的故障樹。下面，將從五個(gè)方面進(jìn)行問題逐層分析：①配氣臺(tái)所內(nèi)組裝殘留（X1）；②配氣臺(tái)運(yùn)輸過程引入（X2）；③現(xiàn)場(chǎng)管路清洗不徹底 （X3）；④現(xiàn)場(chǎng)管路吹掃不達(dá)標(biāo)（X4）；⑤氣密調(diào)試過程，更換閥門引入（X5）。

3.1 配氣臺(tái)組裝（X1）

配氣臺(tái)所內(nèi)制作嚴(yán)格按照流程加工、配管、檢驗(yàn)。逐根管路經(jīng)檢驗(yàn)人員內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)合格后，單根管路檢查沒有多余物，再進(jìn)行配氣臺(tái)組裝、系統(tǒng)吹掃，具有詳細(xì)的過程記錄。因此，可以排除配氣臺(tái)所內(nèi)組裝引入系統(tǒng)多余物。

3.2 配氣臺(tái)運(yùn)輸（X2）

配氣臺(tái)出廠進(jìn)行驗(yàn)收合格后，采用汽車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，配氣臺(tái)的各個(gè)進(jìn)、出接口封口工裝采用金屬堵頭或者保護(hù)蓋。配氣臺(tái)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)破損現(xiàn)象，封口處未破空，也不會(huì)在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生金屬多余物。因此，可以排除配氣臺(tái)運(yùn)輸過程中引入多余物。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)管路清洗（X3）

配氣臺(tái)進(jìn)出口管路屬于現(xiàn)場(chǎng)制作的管路。配氣臺(tái)進(jìn)出口過濾器之間現(xiàn)場(chǎng)只有個(gè)別管段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)制作，清洗吹掃嚴(yán)格按照工藝流程。管路工藝清洗流程采用的是海綿彈蘸取工業(yè)酒精，進(jìn)行吹洗，檢查海綿彈是否潔凈。管段采用單根逐一進(jìn)行清洗、經(jīng)檢驗(yàn)合格才進(jìn)行安裝，不會(huì)殘留多余物。并且，多余物的元素含量與不銹鋼管質(zhì)量證明文件存在差異。因此，可以排除由于管路清洗不徹底殘留多余物。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)管路吹掃不達(dá)標(biāo)（X4）

現(xiàn)場(chǎng)制作的管路清洗檢查潔凈度滿足要求后，采用氮?dú)馄拷M進(jìn)行吹掃。一方面，將管壁可能遺留的多余物進(jìn)行吹除；另一方面，將管路進(jìn)行吹干。然后，進(jìn)行管路端部封堵。管路安裝后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐路工作壓力下大流量的吹掃，采用過濾器進(jìn)行多余物收集。因此，可以排除由于管路現(xiàn)場(chǎng)吹掃不達(dá)標(biāo)殘留多余物。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)閥門更換（X5）

管路系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)氣密性調(diào)試時(shí)，由于集氣管進(jìn)氣總閥門DN65、PN35存在內(nèi)漏問題，對(duì)閥門進(jìn)行了更換。閥門更換時(shí)，對(duì)閥門未進(jìn)行嚴(yán)格的潔凈度檢查，直接參與進(jìn)行系統(tǒng)氣密調(diào)試。氣密調(diào)試過程中，對(duì)閥門出口端法蘭密封墊進(jìn)行拆檢調(diào)整，發(fā)現(xiàn)閥門出口法蘭內(nèi)表面存在個(gè)別碎屑。于是，對(duì)閥門進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)也有個(gè)別碎屑，對(duì)閥門進(jìn)行了重新拆洗。并且，拆除了與閥門相連接的一段管路進(jìn)行了檢查，無任何多余物，未拆檢配氣臺(tái)出口過濾器。于是，閥門內(nèi)存在的多余物引入到了后端相連的管路，致使在配氣臺(tái)出口過濾器上收集到多余物。多余物定位為更換閥門引入到管路系統(tǒng)。

綜上分析，過濾器多余物定位為氣密調(diào)試，由于現(xiàn)場(chǎng)更換的閥門潔凈度不合格，引入到了配氣臺(tái)管路，從而導(dǎo)致吹掃到了配氣臺(tái)出口過濾器上。

4 多余物產(chǎn)生機(jī)理分析

4.1 機(jī)理分析

管路系統(tǒng)吹掃完畢，潔凈度檢驗(yàn)合格后進(jìn)行系統(tǒng)氣密性調(diào)試。調(diào)試過程中由于集氣管進(jìn)氣總閥門DN65、PN35存在內(nèi)漏問題，由于時(shí)間緊、維修周期長(zhǎng)，從廠內(nèi)將備用的同規(guī)格的閥門發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換。閥門安裝后重新進(jìn)行系統(tǒng)氣密性調(diào)試，致使進(jìn)入后端管路系統(tǒng)。

觀察多余物，包含薄片狀金屬片以及個(gè)別絲狀硬物，多余物表面呈現(xiàn)深灰色相對(duì)粗糙，紋理方向一致；另一表面具有金屬光澤相對(duì)細(xì)膩。坡口機(jī)刀刃與金屬切削接觸一面光滑，隨著刀刃的旋轉(zhuǎn)，坡口金屬片卷曲形成褶皺，斷裂。絲狀多余物屬于坡口機(jī)刀刃與坡口處小面積接觸加工而形成的細(xì)長(zhǎng)產(chǎn)物。

通過能譜分析過濾器多余物，元素主要含F(xiàn)e、Cr（19.8%～20.5%）、Ni（8.9%～9.0%）、Mn（1.5%～2.1%）、Si（0.5%～0.6%）。與不銹鋼管道元素標(biāo)準(zhǔn)存在差異。

對(duì)現(xiàn)有的不銹鋼管路坡口加工產(chǎn)物進(jìn)行材質(zhì)分析，主要元素含量 ：Cr（19.95%）、Ni（9.53%）、Mn（1.90%）、Si（0.53%）。

焊絲化學(xué)成分元素含量標(biāo)準(zhǔn)：Cr（19.5%～22.0%）、Ni（9.0%～11.0%）、Mn（1.0%～2.5%）、Si（0.3%～0.65%）。 多余物與焊絲H08Cr21Ni10Si的元素含量基本一致，屬于焊縫位置坡口再次加工的產(chǎn)物。

因此，多余物是由于閥門廠家在生產(chǎn)、制作、裝配、試驗(yàn)等過程引入，經(jīng)過與生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，了解到現(xiàn)場(chǎng)更換的閥門，主要由于廠內(nèi)進(jìn)行水壓試驗(yàn)或者氣密試驗(yàn)時(shí)，閥門與管路不匹配，需要將工藝管路端部法蘭切掉，經(jīng)過過渡異徑管與閥門法蘭進(jìn)行重新焊接，致使坡口碎屑?xì)埩粼陂y門的腔體內(nèi)。見圖3位置，多余物遺留在閥體盲腔區(qū)域，見圖橢圓線部分。并且，對(duì)于備用閥門廠家檢驗(yàn)不到位，多余物積存在閥門腔體內(nèi)。閥門到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員只對(duì)閥門的進(jìn)出口進(jìn)行了潔凈度檢查無多余物，認(rèn)為潔凈度合格，而未對(duì)其進(jìn)行吹掃，致使遺留在閥門腔內(nèi)。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間、工作壓力下大流量使用氣體。由于累計(jì)效果，將配氣臺(tái)進(jìn)、出口過濾器之間管路殘存的多余物吹掃在出口過濾器的濾芯上。

圖3 閥門內(nèi)多余物Fig.3 Remainder particles in valve

4.2 問題復(fù)現(xiàn)

對(duì)現(xiàn)有的不銹鋼管路進(jìn)行坡口加工，將坡口加工的碎屑與現(xiàn)場(chǎng)多余物進(jìn)行外觀形貌比對(duì)?？梢园l(fā)現(xiàn)：形狀一致，為方形和絲狀物質(zhì)；色澤一致，存在一面具有金屬光澤相對(duì)細(xì)膩，一面呈現(xiàn)深灰色相對(duì)粗糙。如圖4對(duì)比圖可見。

圖4 內(nèi)多余物比對(duì)圖Fig.4 Comparing Figure of Remainder Particles

5 結(jié)束語

航天管路多余物的預(yù)防和控制，需要技術(shù)和技能人員的共同參與，不斷的探索多余物的產(chǎn)生根源，發(fā)展和完善檢測(cè)與清除多余物的工藝方法，更好的消除由于多余物存在造成的安全隱患。