某型燃氣發生器殼體爆裂故障分析

摘要：針對某型裝備燃氣發生器使用過程中發生殼體爆裂的故障，分析了該型燃氣發生器爆裂的原因，提出了改進措施建議。

關鍵詞：燃氣發生器；殼體；爆裂；故障分析

Keywords：gas generator；shell；burst；fault analysis

1 故障現象

某型燃氣發生器是裝有火藥藥柱的一次性使用部件，主要作用是通過火藥燃燒產生高壓燃氣，快速吹轉渦輪發電機葉片，使其高速旋轉從而實現向裝備供電。

某型裝備在使用過程中工作異常。經檢查，發現該裝備未正常工作的原因是燃氣發生器殼體爆裂，燃氣壓力從爆裂處泄放，未能啟動渦輪發電機供電，致使裝備無法工作。

2 故障檢查及分析

2.1 分解檢查

分解燃氣發生器，檢查發現電點火具（見圖1）已正常工作，超壓藥柱已燒盡。殼體爆裂位置位于焊縫與法蘭之間的超壓藥柱燃燒室（見圖2）。爆裂處殼體膨脹變形，與正常殼體（見圖3）對比，爆裂的燃氣發生器管路未見明顯高溫燃氣燒蝕變色現象。

2.2 爆裂原因分析

該型燃氣發生器由燃燒室殼體、藥柱、套座、膜片、電點火具、過濾筒和管路組成（見圖4）。造成超壓燃氣發生器殼體爆裂的可能原因，一是異物堵塞燃氣出口管路，導致燃氣排放不暢，裝藥快速燃燒產生的燃燒壓力不斷積聚，使殼體爆裂；二是藥柱有裂紋，使燃面增加，燃燒室壓力瞬間急劇上升，導致燃氣發生器爆裂；三是殼體存在制造缺陷，承受不了燃氣壓力而爆裂。

為此，針對以上可能原因，逐項開展檢查及分析。

1）殼體及管路檢查與分析

對爆裂燃氣發生器所在艙段進行檢查，并對爆裂的燃氣發生器殼體及管路實施CT探傷檢查，均未發現多余物。用內窺鏡檢查超壓燃氣發生器殼體爆裂部位，發現膜片已沖破，向超壓燃氣發生器管路一端通入低壓氣體，另一端有氣體排出，未發現管路存在堵塞現象。

對點火異常爆裂的超壓燃氣發生器殼體進行線切割，檢查內部情況，并抽取一枚正常點火的超壓燃氣發生器殼體進行線切割，進行檢查對比。在爆裂的超壓燃氣發生器殼體內部未發現異物，排除了管路堵塞引起爆裂的可能。爆裂的超壓燃氣發生器殼體斷口形狀如圖5所示，A側斷口呈波浪狀，表明爆裂不是單點起爆炸裂；靠近法蘭與焊縫的斷口向外翹曲，與壓力膨脹方向相同，斷口中間向內彎曲，由此可知爆裂發生時是向外翹曲的兩個位置最先發生斷裂，中間位置最后發生斷裂。B側斷口側面可見明顯壓痕（見圖6），表明炸裂后該位置撞到附近零件。殼體壁厚減薄相對較小，這是由于炸裂后其他零件相對B側斷口施加了壓力，阻礙其變形，因此B側斷口減薄較小。

爆裂殼體與正常殼體的外觀差異見表1。正常殼體壁厚1.91mm，爆裂殼體斷口最薄處僅1.14mm，表明爆裂品發生了較大的塑性變形。從螺紋的變形可知，爆裂前腔體內部存在大的壓力，從排氣口及其膜片變形和排氣管顏色可知，爆裂時經排氣管排出的氣體較少，溫度不高。火藥在相對密閉的腔體內燃燒致使內腔體內部均勻變色。由此可知，殼體爆裂前，其內部壓強增大，爆裂時燃氣迅速釋放，氣路中只有少量燃氣通過。

2）化學成分分析

根據GJB2294-1995航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規范中對1Cr18Ni9Ti的化學成分技術要求，對爆裂殼體與正常殼體進行化學成分檢測，檢測結果見表2，表明爆裂殼體與正常殼體的化學成分均滿足技術要求。

3）斷口宏觀檢查

斷口的宏觀形貌如圖7所示，爆裂殼體內表面可見大量因劇烈塑性變形而形成的內部裂紋，這些裂紋均勻分布在內表面，表明腔體內部發生了比較均勻的塑性變形。斷口未見明顯的加工缺陷與缺口。

4）斷口微觀檢查

殼體斷口的微觀形貌如圖8所示。不同位置的斷口形貌均為韌窩，表明斷裂為韌性斷裂，是過應力斷裂。斷口上未見明顯的冶金缺陷或表面損傷。

5）斷口微觀組織

爆裂殼體與正常殼體的縱向微觀組織如圖9所示。從蝕刻前的組織可知，爆裂殼體與正常殼體均存在較多的橙色顆粒——氮化鈦，正常殼體稍多。蝕刻后，爆裂殼體與正常殼體的組織均為單相奧氏體，爆裂殼體的晶粒較大，晶粒存在變形，硬度為249HV0.3。正常殼體晶粒較小，晶粒為規則的等軸晶粒，硬度為156HV0.3。爆裂殼體硬度偏高與晶粒變形是由于爆裂殼體發生了塑性變形，加工硬化導致硬度變大。而晶粒較大應是受熱所致，晶粒變形與宏觀的塑性變形相對應，未見明顯的材料缺陷。

6）裝藥裂紋分析

由于該燃氣發生器超壓藥柱已完全燃燒，無法對裝藥進行進一步檢查，但超壓藥柱經X射線檢查無裂紋，為合格件。采用CT檢測方式重新復查與該已超壓藥柱同時期經X射線檢查合格的超壓藥柱，發現少量超壓藥柱存在細微裂紋，說明前期對超壓藥柱進行裂紋篩查時使用的X射線檢查方式存在藥柱中小缺陷未檢出的情況。

分析認為，X射線實時成像檢測系統未檢出小缺陷的原因是其成像檢測板使用的是第一代圖像增強器，成像像素少、尺寸大、圖像分辨率低、信噪比低，因而對小缺陷的檢測靈敏度不高。若超壓藥柱有裂紋，點火后裝藥燃面增加，單位時間內的產氣量將增大，導致燃氣不能及時通過管路，燃燒室壓力將急劇上升，超過燃燒室殼體能承受的最大壓力后，最終使燃氣發生器爆裂。因此，不能排除超壓藥柱有裂紋引起爆裂的可能。

3 結論及建議

通過以上檢查與分析，燃氣發生器未見異物堵塞，殼體的材質與加工未見異常，殼體爆裂前其內部壓強增大，爆裂時燃氣迅速釋放，氣路只有少量燃氣通過，因此不排除裝藥裂紋引起爆裂的可能。

建議針對X射線對藥柱中小裂紋檢測靈敏度不高問題，將藥柱無損檢測方法由X射線檢測調整為CT檢測，以提高檢查的準確性，根除藥柱存在細微裂紋的隱患。

作者簡介

謝七國，工程師，主要從事火工品、引戰系統、固體火箭發動機維護技術研究工作。