運載火箭氧自生增壓不銹鋼管道的安全性研究

趙耀中，鄭 然，彭龍濤，劉 屹

（北京航天試驗技術研究所，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、醫療保健等行業，隨著使用范圍擴大，氧氣使用帶來的故障事例也相應增加。純氧氣本身作為強氧化劑，在使用過程中對設備結構、材料及內部條件等均有諸多限制[1-2]。在火箭貯箱氧自生增壓中，需將氧氣進行預熱[3]，其對使用設備的要求就更為苛刻。氧氣管道材質的選擇直接影響其加工工藝和經濟性，不銹鋼作為工業常用的金屬材料[4]，也是氧氣系統上使用最多的材質之一。根據試驗測定，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，預熱后的氧氣在06Cr19Ni10不銹鋼材質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，而至關重要的就是點火能量。經多項氧氣管道燃燒事故調查和分析[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]。在自生增壓管道設計中，氧氣最高壓力約1 MPa，預熱溫度在130℃左右，管道通徑為50 mm，管道中包含數處90°彎頭，氧氣最大設計流量約0.8 kg/s。針對該管道可能引起管道內燃燒危險發生的因素進行分析。

1.1 氧氣流速

氧氣高速流動是管道內溫度上升導致燃燒或燃爆的直接或間接原因[6]，主要發生機理包括這幾個方面：氧氣高速流動，氣流自身與管道發生摩擦，使管道內壁面溫度升高或產生靜電，當氣流摩擦產生的溫升達到管道材料或管道中其他材料的燃點時，就會發生燃燒現象。根據GB16912-1997《氧氣及有關氣體安全技術規程》，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計流速約為42 m/s，大于安全技術規程規定的數值，管道產生燃燒的風險較大，必須進行實際使用工況甚至加嚴工況的考核，以判別管路使用是否安全。

1.2 固體顆粒物

雖然火箭動力系統的貯箱、輸送管路、閥門、發動機等組成部分及液氧介質的加注過程都要嚴格進行多余物控制，但是各環節難免可能產生金屬粉屑顆粒。含有金屬粉屑的液氧經發動機加熱氣化后，將會進入增壓管道，由于氣流的帶動作用，金屬顆粒在管道內運動時與管道壁面產生碰撞和摩擦，這種撞擊作用在管道的彎頭處表現得最為厲害。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，便會發生燃燒。

經分析，液氧系統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。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，并引燃管道內壁面。基于此考慮，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，必須進行相關試驗研究。若采用真實的動力系統進行搭載試車，一旦發生燃燒，經濟損失大，并影響型號總體研制。因而，需先進行地面可行性模擬試驗，然后再進行動力系統試車搭載。

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

試驗系統由氧氣源、氧氣加熱裝置、增壓管路、多余物入射裝置、消防系統、測量系統等部分組成。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。主管路上設置過濾器、閥門、減壓閥、質量流量計、氧氣加熱器、隔離銅段[13]等。各部件材質均能滿足氧氣環境使用條件，管道內氧氣設計流速滿足氧氣安全使用標準。

為確保氧氣加熱過程中的安全，采用水浴換熱器對氧氣進行加熱，如圖1所示。加熱器為殼管式，氧氣從管程通過，材質為銅，設計壓力2 MPa，熱水由殼程通過，并通過循環泵作用使水在換熱器與水加熱器間形成循環，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℃，對應最高壓力1.5 MPa，具備超溫、超壓自動調整功能。

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，使管道內壓力達到試驗設定值，孔板材質為銅。

為實現多余物顆粒在高溫氧氣流動過程中進入試驗管段，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。多余物入射系統裝置由減壓閥、電磁閥、孔板、單向閥和過濾器構成，多余物顆粒裝在過濾器與主管路間的管道內。

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置噴水消防系統。

2.3 試驗過程及結果

2.3.1 多余物制備與入射系統調試

采用常用的不銹鋼、鋁及焊料等五種箭體動力系統常用材料，各占總質量的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行了調試。調試時安裝0.5 mm孔徑孔板，將多余物裝入管段，后端通大氣，調節孔板入口氮氣壓力，通氣10 s后檢查管道內多余物情況。采用多余物完全被吹出時的參數計算出多余物入射管道內的氮氣流速約為10 m/s。再根據試驗時的背壓條件和調試流速計算出相應的氮氣流量為35 g/s，滿足氧氣純度條件，而此時孔板入口壓力應為3.4 MPa。

2.3.2 背壓孔板等試驗參數確定

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，采用氮氣進行了幾輪系統調試及參數調整。在試驗流量下，當出口采用22～26 mm的孔板時，試驗管路入口壓力為1 MPa。安裝22 mm孔板調試時，水加熱器出口溫度設置為175℃，主減壓器后動態壓力設置為1.4 MPa。經調試曲線分析，試驗管路入口氮氣溫度可達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對憋壓孔板流量系數進行了反算后，計算出當管路入口處壓力為1.15 MPa時，氧氣流量將達到約790 g/s。因而，減壓器出口動態壓力需提高至1.55～1.6 MPa。考慮減壓器動態特性，試驗開始前該出口壓力靜態值需設為1.8 MPa。

2.3.3 試驗過程

試驗系統準備完畢后，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。為確保試驗安全，避免閥門開啟時氧氣流的沖擊使管道發生燃燒，在系統內充氧氣前，先在管道內充入低于氧氣源壓力的氮氣，并調節好主路減壓閥的出口壓力。打開氧氣主閥和隔離閥，氣流經過換熱器后進入試驗件管道。為消除管道內氮氣對試驗結果的影響，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。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，試驗件管道內壁是否發生燒損等。

2.3.4 試驗結果

對同一試驗件進行了兩輪試驗，試驗期間，未發生不銹鋼管道燃爆的現象，其中一次試驗過程中測量的數據如圖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

試驗數據和試驗件檢查結果表明，各試驗參數均已達到要求，多余物全部進入試驗管道，并在背壓孔板上游發現金屬顆粒留存，試驗件管道內壁未發現燒蝕痕跡。

3 結論

針對運載火箭氧箱自生增壓彎頭管道，完成了高溫摻雜氣流試驗.試驗系統滿足考核參數和安全要求。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，結論不作為其他氧氣管道系統的安全標準進行推廣和參考。

[1]高翔.氧氣管線設計與施工探討[J].山西化工,2011(3)：31-33.

[2]齊菲.氧氣閥門材質的選擇及配管設計的探討[J].石油化工自動化,2014(5)：83-84.

[3]趙海燕,黎玉飛.高溫氧氣用金屬硬密封球閥的研究與設計[J].化工專備技術,2013(4)：23-27.

[4]步彬,甘德清.氧氣管道施工及吹掃與除銹的注意事項[J].冶金動力,2014(7)：32-34.

[5]顏士穎.制氧站內輸氧管道安全設計[J].安徽冶金科技職業學院學報,2010(3)：24-24.

[6]徐驚濤.30000m3/h氧氣壓縮機冷卻器燃爆事故分析及預防[J].冶金動力,2014(11)：28-29.

[7]黃承蔚,周文等.氧氣管道爆燃事故技術分析 [J].化工設備與管道,2013(4)：76-78.

[8]陳光利.淺談氧氣管道安裝注意事項 [J].特鋼技術,2009(4)：54-55.

[9]廖貴華.煤化工氧氣管道安全設計 [J].廣東化工,2014(10)：122-123.

[10]趙伯平.多元料漿氣化裝置氧氣輸送管線事故的防范[J].化工生產與技術,2014(4)：41-44.

[11]崔海莉,胡登輝,等.氧氣管道安全運行措施的分析[J].管道技術與設備,2010(4)：15-43.

[12]胡慶麗,唐亮.殼牌煤氣化裝置氧氣管道和渣水管道布置設計的優化[J].化肥設計,2014(5)：83-84.

[13]洪運武.合成氣裝置氧氣管線選材與脫脂工藝探討[J].煤油與化工,2014(3)：19-20.

[14]王贊社,顧兆林,趙紅軒,等.低溫貯箱多路管道增壓的一種模糊算法研究[J].火箭推進,2008(2)：7-12+23.WANG Zanshe,GU Zhaolin,ZHAO Hongxuan,et al.Research on fuzzy control algorithm of cryogenic propellant-tank pressurization[J].Journal of Rocket Propulsion,2008(2)：7-12+23.

[15]陳香林,周文祿.壓力管道流固耦合振動特性分析[J].火箭推進,2007(5)：27-31.CHEN Xianglin,ZHOU Wenlu.Vibration characteristic analysis of pressure pipes with fluid-structure interaction[J].Journal of Rocket Propulsion,2007(5)：27-31.