航天管路多余物產生機理分析

林 潔，譚周明

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

航天管路作為火箭發動機輸送氣體、液體介質的設備，其內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動機，會影響發動機的正常啟動，推遲航天器的發射，甚至導致任務的失敗。管路多余物的預防和控制貫穿于管路設計、加工制作、清除工藝、檢驗以及成品保護等環節[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部產生的與要求的輸送介質狀態指標不符的物質。從定義上看，管路多余物的產生主要包含兩方面：①通過管路端部進入。往往由于清洗工具或者方法不當，遺留在管路內表面；也有可能檢驗合格的產品保護措施不當，致使多余物進入；②管路內部產生。例如，管路清洗不徹底，內表面生銹[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、狀態、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 問題描述

某氮氣供氣管路安裝完畢，進行系統潔凈度檢驗。對過濾器進行拆卸、檢查，在配氣間配氣臺出口的Φ89×14.5氮氣管路上安裝的PN35，DN65過濾器中，發現濾芯上有細小的金屬碎片，過濾器殼體內部存在金屬碎片，過濾器的濾網未發現破損現象。經分析，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 過濾器內多余物Fig.1 Remainder particles in filter

3 多余物產生分析

圖2 故障樹Fig.2 Fault tree

為了分析管路系統多余物產生的來源，對過濾器進行了拆檢，前端包含了配氣臺管路、閥門以及現場制作的進出口管路。多余物可能來源包含配氣臺的因素、現場管路制作以及氣密調試過程。結合現場實際問題，根據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，將從五個方面進行問題逐層分析：①配氣臺所內組裝殘留（X1）；②配氣臺運輸過程引入（X2）；③現場管路清洗不徹底 （X3）；④現場管路吹掃不達標（X4）；⑤氣密調試過程，更換閥門引入（X5）。

3.1 配氣臺組裝（X1）

配氣臺所內制作嚴格按照流程加工、配管、檢驗。逐根管路經檢驗人員內窺鏡檢驗合格后，單根管路檢查沒有多余物，再進行配氣臺組裝、系統吹掃，具有詳細的過程記錄。因此，可以排除配氣臺所內組裝引入系統多余物。

3.2 配氣臺運輸（X2）

配氣臺出廠進行驗收合格后，采用汽車運輸到現場，配氣臺的各個進、出接口封口工裝采用金屬堵頭或者保護蓋。配氣臺到達現場檢驗未發現破損現象，封口處未破空，也不會在運輸過程中產生金屬多余物。因此，可以排除配氣臺運輸過程中引入多余物。

3.3 現場管路清洗（X3）

配氣臺進出口管路屬于現場制作的管路。配氣臺進出口過濾器之間現場只有個別管段進行了現場制作，清洗吹掃嚴格按照工藝流程。管路工藝清洗流程采用的是海綿彈蘸取工業酒精，進行吹洗，檢查海綿彈是否潔凈。管段采用單根逐一進行清洗、經檢驗合格才進行安裝，不會殘留多余物。并且，多余物的元素含量與不銹鋼管質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 現場管路吹掃不達標（X4）

現場制作的管路清洗檢查潔凈度滿足要求后，采用氮氣瓶組進行吹掃。一方面，將管壁可能遺留的多余物進行吹除；另一方面，將管路進行吹干。然后，進行管路端部封堵。管路安裝后，對系統進行逐路工作壓力下大流量的吹掃，采用過濾器進行多余物收集。因此，可以排除由于管路現場吹掃不達標殘留多余物。

3.5 現場閥門更換（X5）

管路系統進行系統氣密性調試時，由于集氣管進氣總閥門DN65、PN35存在內漏問題，對閥門進行了更換。閥門更換時，對閥門未進行嚴格的潔凈度檢查，直接參與進行系統氣密調試。氣密調試過程中，對閥門出口端法蘭密封墊進行拆檢調整，發現閥門出口法蘭內表面存在個別碎屑。于是，對閥門進行了拆檢，發現腔內也有個別碎屑，對閥門進行了重新拆洗。并且，拆除了與閥門相連接的一段管路進行了檢查，無任何多余物，未拆檢配氣臺出口過濾器。于是，閥門內存在的多余物引入到了后端相連的管路，致使在配氣臺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。

綜上分析，過濾器多余物定位為氣密調試，由于現場更換的閥門潔凈度不合格，引入到了配氣臺管路，從而導致吹掃到了配氣臺出口過濾器上。

4 多余物產生機理分析

4.1 機理分析

管路系統吹掃完畢，潔凈度檢驗合格后進行系統氣密性調試。調試過程中由于集氣管進氣總閥門DN65、PN35存在內漏問題，由于時間緊、維修周期長，從廠內將備用的同規格的閥門發送到現場進行更換。閥門安裝后重新進行系統氣密性調試，致使進入后端管路系統。

觀察多余物，包含薄片狀金屬片以及個別絲狀硬物，多余物表面呈現深灰色相對粗糙，紋理方向一致；另一表面具有金屬光澤相對細膩。坡口機刀刃與金屬切削接觸一面光滑，隨著刀刃的旋轉，坡口金屬片卷曲形成褶皺，斷裂。絲狀多余物屬于坡口機刀刃與坡口處小面積接觸加工而形成的細長產物。

通過能譜分析過濾器多余物，元素主要含Fe、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準存在差異。

對現有的不銹鋼管路坡口加工產物進行材質分析，主要元素含量 ：Cr（19.95%）、Ni（9.53%）、Mn（1.90%）、Si（0.53%）。

焊絲化學成分元素含量標準：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物。

因此，多余物是由于閥門廠家在生產、制作、裝配、試驗等過程引入，經過與生產廠家進行溝通，了解到現場更換的閥門，主要由于廠內進行水壓試驗或者氣密試驗時，閥門與管路不匹配，需要將工藝管路端部法蘭切掉，經過過渡異徑管與閥門法蘭進行重新焊接，致使坡口碎屑殘留在閥門的腔體內。見圖3位置，多余物遺留在閥體盲腔區域，見圖橢圓線部分。并且，對于備用閥門廠家檢驗不到位，多余物積存在閥門腔體內。閥門到達現場，現場工作人員只對閥門的進出口進行了潔凈度檢查無多余物，認為潔凈度合格，而未對其進行吹掃，致使遺留在閥門腔內。

經過長時間、工作壓力下大流量使用氣體。由于累計效果，將配氣臺進、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 閥門內多余物Fig.3 Remainder particles in valve

4.2 問題復現

對現有的不銹鋼管路進行坡口加工，將坡口加工的碎屑與現場多余物進行外觀形貌比對。可以發現：形狀一致，為方形和絲狀物質；色澤一致，存在一面具有金屬光澤相對細膩，一面呈現深灰色相對粗糙。如圖4對比圖可見。

圖4 內多余物比對圖Fig.4 Comparing Figure of Remainder Particles

5 結束語

航天管路多余物的預防和控制，需要技術和技能人員的共同參與，不斷的探索多余物的產生根源，發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。