低溫管線補償器失穩研究

趙洲 劉平 北京航天試驗技術研究所

引言

隨著大推力火箭試驗的發展需求，大口徑、高壓力的低溫管線已成為必然趨勢。某條高壓低溫液氧管線是在XX 氫氧發動機關鍵技術攻關階段和模樣階段，為某發動機提供高壓液氧介質的保障系統，在這條管線上有4 個承受高壓的波紋補償器，在某次系統常溫氣密試驗時，4 個波紋管出現不同程度的彎曲失效情況，針對此種情況，對波紋管失效原因進行查找，并提出補救措施，保證了系統安全性，確保試驗按期進行。

1 概述

1.1 波紋補償器布置及結構

某條液氧管線工作壓力23MPa，介質液氧，工作溫度－183℃，管路規格φ85x10，前期延續以往的設計習慣，系統上采用4 個補償器對管線進行補償，分別布置在主管路應急閥前、流量計后、和斜接的直管段上，兩個補償器間采用低溫保冷固定支架隔離，中間設置導向支架。

補償器屬于研制產品，型式為軸向拉桿內壓型，內部無導流筒，兩端留有φ85x10 無縫不銹鋼直管段各100mm，拉桿設計可抵消盲板力，補償器共13 個波，補償量20mm，剛度203N/mm，疲勞壽命不低于500 次。出廠狀態350mm。所有對接焊縫進行100%射線檢查，滿足NB/T47013.2-2015 Ⅱ級合格，所有角焊縫進行100%深透檢測，滿足NB/T47013.2-2015 Ⅰ級合格。安裝前進行水壓試驗34.5MPa，保壓無滲漏和失穩現象，合格。進行氣密性試驗23MPa，保壓無滲漏和失穩現象，單體設備檢驗合格。

1.2 波紋補償器失穩情況

因工藝需求系統用液氮低溫調試合格后，時隔1 天進行了常溫氣密試驗，系統在增壓至7MPa 時，發現4 個波紋補償器發生不同程度的彎曲，彎曲情況如圖3 所示。且4 個補償器的彎曲方向各有不同，沒有規律。經測試4 個波紋補償器彎曲度分別為波紋總長的7.5%、9.2%、4.5%、6.7%，如果繼續施壓存在一定的破壞風險。

2 原因分析

引起波紋補償器失穩的因素主要有壓力過高、疲勞次數超過設計疲勞壽命、管道波紋補償器承受了除軸向力以外方向的力等等。

本系統使用的波紋管是按照23MPa 進行設計的，并進行了單體設備的型式試驗、強度試驗和氣密性試驗，均滿足設計要求，并且系統在增壓至7MPa，還未達到23MPa 就出現了失效問題，基本可以排除因壓力過高導致的彎曲失效。

本系統常、低溫氣密調試和試驗共15 次，波紋補償器使用次數不超過30 次，遠低于其設備的疲勞壽命，故疲勞次數超限也不是彎曲失效的原因。

波紋補償器波紋部分呈現不規則變形，說明波紋受力不均勻，因波紋管拉桿設計成抵消盲板力作用的大拉桿，所以基本不存在管道非軸向力對波紋管的作用。排除外部非軸向力的作用，就剩下波紋管內部受力不均的情況，考慮系統在常溫氣密前一天進行了液氮冷調試驗，管道復溫1 天，在北京11 月份，天氣寒冷，管路不能復溫完全，即波紋補償器還沒有完全恢復出廠狀態，在這種情況下，對系統進行常溫氣密時，因其四個拉桿方向收縮位移不同，且有摩擦力作用，在打壓情況下，波紋部分受力不均，就會出現不同方向彎曲失效的情況。

3 補救措施

考慮波紋管彎曲失效，如果繼續疲勞變形，其疲勞壽命會大大降低，系統安全可靠性低。同時考慮波紋補償器存在一定的強度，因此對其進行了機械矯正，將波紋管壓縮至出廠設置。

鎖緊螺母，取消波紋補償器補償的作用，并對系統進行了應力校核，采用自然補償的方式。按照原來支撐設置，管道二次應力無法滿足設計要求，系統上固定支架太多，彎頭不能起到自補償作用，為此調整支架的布置位置及支架型式

3.1 一次應力校核

管道一次應力校核工況組合為W+P+F，按照ASME B31.3 應力校核準則為：由重力和其他持續載荷在管道中產生的縱向應力之和SL 不得超過熱態許用應力Sh，即：SL ≤Sh。如果許用應力大于或者等于節點應力，表示一次應力校核通過。否則，不通過。本系統一次應力最大百分比38.2%，管道應力分布合理，滿足強度要求。

3.2 二次應力

管道二次應力校核工況組合為DS1-DS2，按照ASME B31.3二次應力校核準則為：由熱膨脹及端點位移等因素引起的位移應力范圍SE 不得超過許用值SA：

SA=f（1.25Sc+0.25Sh）。如果許用應力大于或者等于節點應力，表示二次應力校核通過。否則，不通過。本系統二次應力最大百分比62.7%，管道應力分布合理，滿足柔性要求。

3.3 系統位移

1）系統X 方向最大位移節點259，位移量24.827mm；Y 方向最大位移節點270，位移量9.587mm；Z 方向最大位移節點259，位移量25.127mm。管線在彎頭處位移最大，依靠彎頭進行自補償。

2）系統Y－方向最大位移節點220，位移量－0.606mm，證明系統剛度良好，可以避免振動。

3.4 支架反力及約束校核

節點20、120、170、210、240、設置Y+方向托架，在正常工況下，Y 方向位移不大于0，管道與支架未脫離，支撐設置有效。節點70、100、280、320 設置Y+方向托架，在正常工況下，Y 方向位移大于0，屬于安裝支架，可用于系統常溫氣密試驗。

3.5 法蘭泄漏校核

法蘭泄漏常用兩種方法，一個是基于ASME B16.5 壓力溫度曲線的當量壓力法，一個是NC3658 方法。當量壓力法法蘭的軸向力（F）用以下轉換為當量壓力（Pe）。

軸向力的當量壓力，Pe1＝4F/πG2；

彎矩的當量壓力，Pe2 ＝16M/πG3

其中：

G：墊 片 載 荷 作用點 的直徑。當bo ≤6mm 時，G=（墊 片OD+ID）/2；當bo 大于6mm，G ＝（墊片OD-2b）

然后，將這兩個當量壓力與設計壓力相加，得到總壓力（Pt ＝Pd+Pe1+Pe2），把總壓力代入到ASME B16.5 中與法蘭材料相關的溫度壓力表格中。如果Pt 小于表格中的許用壓力，那么法蘭不會泄漏。該方法簡單，直觀，但計算有些偏保守。考慮到冷工況下法蘭受拉，工況較惡劣，故選用偏保守的此方法進行計算。

依據ASME200M CLASS1500 2.1 穩壓曲線特性，采用當量壓力法計算法蘭泄漏量百分比小于1 滿足設計要求。

4 結束語

該系統更改了支架的位置和型式，將固定支架更改為導向支架和托架，使系統能夠進行自補償。該系統改進后進行了型式試驗，系統運行良好，滿足使用需求。