軍用飛機氧氣管路氣密性能改進探究

王宇 姜建輝 呂軍海

摘要：以某大型運輸機高壓管路為例，對目前國內氧氣系統高、低壓氧氣管路現狀進行了分析，重點針對擴口式氧氣管路頻發的外套螺母裂紋導致的氣密性不佳問題，通過對機上環境和聚四氟乙烯生料使用以及機上安裝環境分析，提出導致外套螺母裂紋的原因——聚四氟乙烯生料使用過多、安裝擰緊力矩過大和肥皂水殘留引起的應力腐蝕，并從使用擴口管路接頭組件用金屬墊圈、管路組件安裝擰緊力矩的實施、取消聚四氟乙烯生料帶的使用、使用氧氣介質專用潤滑脂和改進氣體檢漏方法五個方面針對性地提出擴口式氧氣管路氣密性能提升方案。

關鍵詞：氧氣管路；擴口；外套螺母；氣密性

Keywords：oxygen pipeline；flaring；wrap nut；air tightness

1 軍機氧氣管路密封形式分析

目前，國內軍用飛機主要采用高壓氧氣系統和分子篩制氧系統，供氧管路主要分為氧氣瓶至減壓器之間的高壓管路和減壓器至供氧點之間的低壓管路。國內各機型氧氣導管選材、密封結構基本一致，高壓管路主要為銅制焊接導管，少量采用鋼制擴口導管，低壓管路均采用鋁制HB4系列74°擴口式導管。

1.1 高壓氧氣管路密封形式

因國內軍用飛機選材、密封結構基本一致，本文以某大型運輸機高壓導管為例進行分析說明。

某大型運輸機氧氣管路中直通接頭選用鉛黃銅HPb59-1，接頭端面加工深2mm的90°內孔，表面粗糙度1.6；平管嘴選用鉛黃銅HPb59-1，端面加工1.2×45°錐面，表面粗糙度0.8；氧氣導管選用純銅T2-M-G5×1，與平管嘴釬焊。密封結構為平管嘴的45°錐面與閥體的90°內孔擠壓密封，如圖1、圖2所示。

運八系列飛機的高壓導管中G6×1的管路采用HB4系列的74°擴口式不銹鋼管路，連接導管時，在管接頭外螺紋上纏繞聚四氟乙烯生料帶。

伊爾-76飛機部分充氧導管采用G8×0.6的12×18Н10Т（1Cr18Ni9Ti）74°擴口式管路，但存在部分導管的氣密性不佳情況，解決措施是在導管的擴口和管接頭間增加碗型金屬墊圈以實現密封。

1.2 低壓氧氣管路密封形式

目前國內所有軍機氧氣系統低壓管路均采用LF2（5A02-O）的鋁制導管，采用HB4擴口導管和管接頭實現密封，工作壓力最高至4MPa，但因使用環境不同，在外套螺母和平管嘴的材料選取上存在差異，總的要求均是按照GJB2193-1994《飛行人員加壓供氧系統規范》3.10.11.1氣氧系統的要求，即打開開關，24小時內系統的泄漏量應不超過總量的5%。

2 氧氣導管外套螺母裂紋漏氣分析

某大型運輸機低壓氧氣導管采用HB4系列74°擴口式連接組件，在飛機交付后大量出現氧氣導管外套螺母裂紋現象（見圖3）。氧氣導管外套螺母裂紋會引起氧氣泄漏，造成局部區域氧氣濃度升高，或在用氧情況下機組或乘員的供氧時間不足。

下文對氧氣導管外套螺母裂紋開展詳細分析，暫不考慮外套螺母原材料采購、制造、表面處理及檢驗等方面的因素。

2.1 聚四氟乙烯生料帶使用分析

為保證管路連接處的密封，對管接頭和導管擴口的內外錐面有較高的粗糙度、錐度公差、同軸度、貼合度要求，以使配合面形成均勻連續的環型密封帶。但國內標準件生產質量普遍較低，尤其是批量交付時氣密性往往不能達標，因此國內普遍做法是在管接頭螺紋處纏繞聚四氟乙烯生料帶，依靠螺紋密封達到氣密要求。但是，使用聚四氟乙烯生料帶不僅會使生料帶碎屑進入氧氣系統，而且生料帶纏繞過厚時螺紋間為過盈配合，易導致靜強度破壞。

2.2 安裝擰緊力矩

HB4擴口式管路組件密封原理如圖4所示。管路組件預裝配完畢后，在管接頭錐面和導管擴口錐面兩個金屬表面形成了微米量級的通道。管路裝配過程中，操作者施加的擰緊力矩轉化為錐面的預緊力，在安裝預緊力的作用下，錐面相互貼合、相互壓縮，逐漸密封環面。

由于批產標準件質量不高，按照HB4規定的擰緊力矩一般不能滿足氣密要求。制造廠在管路組件安裝時，往往根據操作人員的經驗用普通扳手對導管接頭施加力矩擰緊，為了保證密封效果，往往會過分擰緊。在過大的應力作用下，外套螺母與管接頭螺紋連接中的相互接觸面（如螺紋牙側面、各支撐面、連接件相互接觸面）由于表面粗糙度、波紋度以及形位誤差等，會造成局部塑性變形，并且這些塑性變形在使用過程中可能繼續發展，以至于疲勞開裂。

2.3 氣密檢查環境分析

國內在進行管路系統氣密性檢查時，普遍使用家用肥皂液調配中性肥皂水，對肥皂水的PH值（一般偏堿性）、成分、揮發性、腐蝕性等沒有刻意控制，檢查完后滲入縫隙中的肥皂水也無法清除干凈，隨著飛機交付日歷年的增加，涂抹肥皂水的管路組件表面會產生腐蝕。

3 擴口式氧氣管路氣密性能提升方案

3.1 管路組件安裝擰緊力矩

導管安裝擰緊力矩問題一直困擾著航空產品的生產。一方面，設計人員一直依據管路連接件標準中的擰緊力矩值來要求制造廠控制飛機的裝配；另一方面，實際生產中使用定力扳手或限力扳手進行裝配缺乏可行性。

各種導管連接件標準規定了最小擰緊力矩，其根本目的是為了檢驗連接件的零件質量是否達到了設計要求，而不是為了限制裝配工人的操作，為此標準才特別指明規定擰緊力矩用于性能試驗。標準中所給出的最小擰緊力矩是規定零件設計和加工質量的最低要求。應該鼓勵生產企業盡可能提高零件質量，如果企業在試驗中所采用的最小擰緊力矩越小，對裝配工段的要求也就越低，產品的裝配質量就越容易保證。所以，允許或者鼓勵企業采用比標準規定值更小的最小擰緊力矩來進行試驗。綜上，可采取以下措施進行改進：

1）鼓勵采用盡可能小的擰緊參數進行性能試驗，可以促使企業提高工藝水平，同時有利于提高產品裝配的質量和可靠性；

2）企業可以自行決定采用力矩法還是扳擰角度法進行裝配；

3）規定試驗測定法為最終方法，這是標準作為最低要求的具體體現。

3.2 取消聚四氟乙烯生料帶的使用

使用聚四氟乙烯生料帶不僅會使生料帶碎屑進入氧氣系統，而且生料帶過厚時螺紋間過盈配合易導致靜強度破壞，后續應逐步禁止使用聚四氟乙烯生料帶。

3.3 使用氧氣介質專用潤滑脂

經調研和試用，在氧氣導管安裝管路螺紋接頭時，使用氧氣專用潤滑脂（牌號Du pont Krytox 240AZ，執行標準MIL-PRF-27617）可有效減小外套螺母與管接頭之間的生澀，減小安裝應力。但使用過多會在之后用氧時產生異味，所以僅在連接件螺紋的外表面涂上薄薄的一層潤滑脂即可。為避免潤滑脂落入系統內部，螺紋的頭2～3扣不涂潤滑脂；擰緊連接件之后，應用蘸酒精的棉布擦去擠出的潤滑脂。

3.4 改進氣體檢漏方法

傳統的使用中性肥皂水的檢漏方法存在如下問題：1）肥皂水成分和PH值無法控制；2）肥皂水難以清除。經調研，牌號為SHERLOCK GAS AND AIR LEAK DETECTOR（TYPEⅠ）的氧氣介質專用檢漏液使用效果頗佳，該漏氣測試劑為泡狀，非液體，具有自揮發特性，出廠PH值介于6.0～7.5之間，無腐蝕性，無霉菌增長。雖然該泡沫檢漏液具備自揮發性，但試驗后也應用蘸有去離子水的無絨毛揩布擦去殘留的檢漏試劑，并用壓縮空氣吹干。

4 總結

由于氧氣介質特殊，對氣密性要求頗高，目前國內低壓導管普遍采用HB4系列擴口式管路組件，依靠在直螺母表面纏繞聚四氟乙烯生料帶的方法解決擴口式管路組件氣密性問題，但使用不當往往造成外套螺母開裂。本文從工程應用出發，經分析、調研、試驗等大量工作，提出了有效解決HB4系列擴口式氧氣管路組件氣密性不佳問題的解決措施，包括使用擴口管路接頭組件用金屬墊圈、管路組件安裝擰緊力矩的實施、取消聚四氟乙烯生料帶的使用、使用氧氣介質專用潤滑脂和改進氣體檢漏方法。客觀來說，HB4系列擴口式管路組件的標準體系、結構形式、工作原理和使用性能等已不能滿足航空武器裝備的發展，無擴口式管路組件雖有少量應用，但使用性能與國外標準件差異較大，應盡快開展無擴口式管路組件的基礎研究和推廣應用。

參考文獻

[1] 李振水. 飛機液壓系統管路解析[M]. 北京：航空工業出版社，2018.

[2] 顧伯勤，李振華，田爭. 靜密封設計技術[M]. 北京：中國標準出版社，2004.

[3] 李俊昇. 兩項管路系統標準的修訂情況[J]. 航空標準化與質量，1003-6660（2005）03-0027-03.

[4] 王浩宇. 45鋼外套螺母表面裂紋分析[J]. 失效分析與預防，2017（10）.

[5] 王大宏. HB4-49收緊螺母裂紋原因分析及預防措施[J]. 航空維修與工程，2015（10）.

[6] 周鑫. 球面密封結構密封狀態的力學分析及驗證[J]. 中國空間科學技術，2007（4）.

作者簡介

王宇，工程師，主要研究方向：航空機務維修。

姜建輝，工程師，主要研究方向：航空機務維修。

呂軍海，技師。