航天管路多余物的預防和控制

駱青業(yè)，應媛媛，宋 健，陳建軍

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

航天管路作為火箭發(fā)動機輸送氣體、液體介質(zhì)的設(shè)備，其內(nèi)部潔凈度直接影響閥門控制、儀表測量、過濾精度。某些致命類型的多余物進入發(fā)動機，會影響發(fā)動機的正常啟動，推遲航天器的發(fā)射，甚至導致任務(wù)的失敗。管路多余物的預防和控制貫穿于管路設(shè)計、加工制作、清除工藝、檢驗以及成品保護等環(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通過管路端部進入。往往由于清洗工具或者方法不當，遺留在管路內(nèi)表面；也有可能檢驗合格的產(chǎn)品保護措施不當，致使多余物進入；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)、危害性以及大小進行分類。例如，管路多余物可以從大小進行分類：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 管路多余物的預防和控制

2.1 材料選擇

預防多余物的產(chǎn)生是管路設(shè)計的準則之一。航天管路輸送的常見介質(zhì)分為氣體和液體介質(zhì)。管路長期的使用過程中由于介質(zhì)的特性可能造成內(nèi)表面的銹蝕；或者由于介質(zhì)的高速沖刷，造成表面的分層起皮現(xiàn)象。選材合理，與介質(zhì)相容性好，能有效杜絕管路使用過程中多余物的產(chǎn)生。

目前，為了提高管路的耐介質(zhì)腐蝕能力，多采用06Cr19Ni10 奧氏體不銹鋼代替了原來的碳鋼管路。對于耐腐蝕程度高求更高的管路，例如沿海邊緣施工的管路系統(tǒng)項目，可以選用022Cr17Ni12Mo2 低碳奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕能力大大提高。根據(jù)介質(zhì)的特性，例如針對氧氣介質(zhì)的管路以銅、鎳基合金鋼為最優(yōu)選材料。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

管路的設(shè)計要充分考慮加工制作、多余物檢查與清除的可行性。管路現(xiàn)場制作，長距離的組對焊接很容易引入多余物，對以后管路內(nèi)部清洗造成巨大的困難。并且，焊縫內(nèi)表面的焊接質(zhì)量難以檢查是多余物易產(chǎn)生的危險點。合理設(shè)計管路的長度，宜采用6～8m 管段進行預制，根據(jù)公稱直徑的大小以及設(shè)計壓力的高低設(shè)計端部采用球型接頭或者法蘭連接。管路不宜設(shè)計太多的冷彎加工或者彎頭連接結(jié)構(gòu)，避免殘留多余物。

2.3 加工制作

管路的加工制作工藝主要包含管段的下料加工以及管子與管件的焊接。不銹鋼管路的下料以及坡口加工，宜采用等離子切割和機械加工方式。如采用砂輪切割時，不銹鋼管路應采用專用砂輪片，禁止混用切割碳鋼材料。切口處應無縮口、熔渣、氧化皮以及鐵屑等可能引入多余物的質(zhì)量缺陷。

管路的焊接方法，直接影響管路焊縫處質(zhì)量，很容易在內(nèi)表面產(chǎn)生多余物。針對航天不銹鋼管路，常見的焊接方法有不銹鋼電焊條焊接，手工氬弧焊接以及藥芯焊絲保護焊。電焊條焊接速度快，適合厚壁管路的焊接，但是易產(chǎn)生飛濺，易在管路內(nèi)外表面產(chǎn)生多余物。手工氬弧焊沒有飛濺，并且由于焊接過程采取了惰性氣體氬氣進行保護，減少了焊縫表面氧化皮，焊渣，焊瘤的形成。藥芯焊絲保護焊在焊縫成型方面能達到氬弧焊同樣的焊接質(zhì)量，特別適用于大口徑以及高空作業(yè)方面的焊接。

3 多余物的清除工藝

加工制作完畢的管路，很難保證加工制作環(huán)節(jié)中沒有多余物的引入。管路清除工藝作為多余物清除的關(guān)鍵環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

3.1 清洗工藝

清洗可以去除附著在管路內(nèi)壁容易脫落的多余物。常用的方法有氣體吹除法、人工清洗法以及酒精循環(huán)清洗法。

氣體吹除法簡單，適用于去除表面較大的顆粒多余物，多用于小口徑管路的清洗。將白綢布進行鎖邊處理，然后卷縮成與管內(nèi)徑相當?shù)牟记颍蛘卟捎眠m應規(guī)格的海綿彈沾有酒精，塞入管路的一端，采用高壓氣體進行吹掃。然而，對于管路內(nèi)表面質(zhì)量存在缺陷的原材料，清洗物容易掛在表面毛刺等缺陷位置。

對于大口徑的管路清洗，宜采用人工牽引拉洗的方法。采用鋼絲牽引沾有酒精的白綢布清除多余物。一般需要清洗3～4 遍，直至白綢布不變色。

酒精循環(huán)清洗法需要專門的循環(huán)系統(tǒng)，包含酒精貯存槽、泵以及過濾裝置。該方法工藝復雜，對各個設(shè)備本身的潔凈度要求高。但是，節(jié)省了大量的人力。

3.2 酸洗鈍化

鋼管原材料出廠時，附著在內(nèi)表面的氧化皮、銹斑以及焊接過程產(chǎn)生的氧化皮，普通的清洗方法不能清除此類多余物。酸洗鈍化工藝采用酸洗槽設(shè)備，按規(guī)定比例配置硝酸和氫氟酸溶液，將管路放置酸洗槽浸泡2h 左右，以能夠去除氧化皮為最佳。過長時間的浸泡，會造成表面的微觀腐蝕，導致管路使用過程中高壓氣體介質(zhì)沖刷引入新的多余物。酸洗鈍化合格的管路宜馬上采用堿液進行中和處理，殘留酸液易造成局部生銹發(fā)黃。

3.3 脫脂處理

火箭發(fā)動機對輸送氣體介質(zhì)的指標要求嚴格，對氣體介質(zhì)中含油量以及水分需進行化驗分析。管路需進行脫脂浸泡處理，并干燥。尤其是高壓氧氣管道，對管路內(nèi)部油脂含量要求嚴格。否則，高速流動的氧氣與管路摩擦產(chǎn)生火花，遇到油脂發(fā)生爆炸。目前，一些氧氣管道運行時，由于內(nèi)部脫脂不達標造成管路燒損事件時有發(fā)生。

目前，常用的脫脂劑有工業(yè)二氯乙烷、丙酮以及航天專用清洗劑，對于脫脂要求不高的管路也可以采用工業(yè)乙醇，濃度不低于95%。

4 多余物的檢驗方法

4.1 靶板檢驗法

采用潔凈、干燥的氮氣或空氣作為氣源，與管路一端進行連接，在管路出口5cm 處設(shè)置反向貼有白膠布的木制靶板，吹掃5min 后，檢驗靶板上無鐵銹、塵土、鐵屑等多余物為合格。

4.2 白綢布檢驗法

將浸泡有酒精的白綢布卷縮成球放入管路一端，采用氣體將其從另一端吹出。收集白綢布并檢查表面是否變色，是否沾有多余物。

4.3 金屬過濾器收集法

采用10μ 金屬過濾器安裝在管路的端部，采用潔凈、干燥的氣體進行吹掃1min。拆下過濾器濾芯，采用浸泡有酒精的白綢布擦拭濾芯迎風面，無變色為合格。

4.4 工藝過濾器檢查法

管路端部安裝專用的綢布工藝過濾器，吹掃1min，檢查綢布過濾器的迎風面無任何可見多余物為合格。此方法簡單，觀察方便。圖1 為檢驗效果圖，綢布無任何多余物。

圖1 工藝過濾器檢查Fig.1 Inspection of process filter

4.5 工業(yè)內(nèi)窺鏡檢驗法

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)內(nèi)窺鏡應用在管路內(nèi)腔、焊縫質(zhì)量檢查方面，可以直觀的檢查管路內(nèi)部多余物的情況，并能夠?qū)Χ嘤辔锏男螤睢⑽恢眠M行準確判定[6]。圖2 為采用10 倍放大的工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查DN10 規(guī)格管路的顯像效果，管路表面潔凈無任何多余物。

圖2 內(nèi)窺鏡檢查Fig.2 Inspection of endoscope

5 成品保護

多余物檢驗合格的成品管路要采用有效的封堵保護措施，避免二次污染。目前，最常用的手段為采用金屬堵帽、堵蓋或者工藝法蘭堵蓋進行封堵，可以有效避免多余物從密封面進入管路。

6 結(jié)束語

航天管路多余物的預防和控制，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。

[1]王輝，等.發(fā)動機總裝多余物的控制淺析[J].火箭推進，2003，2.

[2]袁牧，羅剛，屈美瑩.多余物的過程控制[J].質(zhì)量與可靠性，2013，5.

[3]熊濤.航天器總裝多余物控制方法探討[J].航天器環(huán)境工程，2006，5.

[4]李大南. 航天型號產(chǎn)品多余物及其預防和控制標準的實施檢查[J]. 航天標準化，2006，1.

[5]QJ 2850A-2011，航天產(chǎn)品多余物預防和控制[S].

[6]劉麗榮，馬駿，張立.航天產(chǎn)品工業(yè)內(nèi)窺檢測典型多余物的判別方法[J].檢測技術(shù)，2013，3.