第２８卷第４期 ２０１５年７月 机电产品开发与钏崭 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ＶｏＩ．２８，ＮＯ．４ Ｊｕ１．，２０１５ 文章编号：１００２—６６７３（２０１５）０４—００７—０３ 航天管路多余物的预防和控制 骆青业，应媛媛，宋健，陈建军 （北京航天试验技术研究所，北京１０００７４） 摘要：航天管路作为火箭发动机输送气体、液体的设备，对其内部洁净度要求特别严格。管路内部多余 物随着输送介质进入发动机，会严重影响航天型号产品的性能。论文从航天管路的材料选择、结 构设计、加工制作方面阐述了管路多余物的预防措施，并介绍了多余物的清除工艺以及检验方 法，为管路多余物的控制提供了参考。为了预防管路产品的污染。提出了常用的保护方法。 关键词：管路；多余物；预防；控制 中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９ｌｉ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１５．０４．００３ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｒｅｍａｉｎｄｅｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＬＵＯ Ｑｉｎｇ－Ｙｅ，ＹＩＮＧ Ｙｕａｎ—Ｙｕａｎ，ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ－Ｊｕｎ （Ｂｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ Ｔｅｓｉｔｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅＯｉｎｇ １０００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇａｓ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｌｅａｎｌｉｎｅｓｓ ｉｎ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｏｆ ｒｏｃｋｅｔ ｅｎｇｉｎｅ ｗａｓ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｔｒｉｃｔ． Ｋｅｍａｉｎｄｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｇｏｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ、Ⅳｉｄ１ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ．ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔ． Ｆｒｏｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｉｔ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｒｅｍａｉｎｄｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｉｎ— ｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｅｍａｉｎｄｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｐｒｏｄｕｃｔ，ｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｒｅｍａｉｎｄｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ０引言 航天管路作为火箭发动机输送气体、‘液体介质的设 备，其内部洁净度直接影响阀门控制、仪表测量、过滤 精度。某些致命类型的多余物进入发动机．会影响发动 机的正常启动，推迟航天器的发射，甚至导致任务的失 败。管路多余物的预防和控制贯穿于管路设计、加工制 作、清除工艺、检验以及成品保护等环节 。 表面生锈［３，４１。 １．２多余物的分类 多余物的分类有多种方法，可以按照性质、状态、 危害性以及大小进行分类。例如，管路多余物可以从大 小进行分类：宏观上主要有铁屑、绸布条、残液、焊 渣、氧化皮等；微观上主要有尘土、铁锈、油脂等阎。 ２管路多余物的预防和控制 ２．１材料选择 预防多余物的产生是管路设计的准则之一。航天管 路输送的常见介质分为气体和液体介质。管路长期的使 用过程中由于介质的特性可能造成内表面的锈蚀：或者 由于介质的高速冲刷，造成表面的分层起皮现象。选材 １管路多余物的概念 １．１多余物的定义 管路多余物指的是从管路端部引入或者内部产生的 与要求的输送介质状态指标不符的物质。从定义上看， 管路多余物的产生主要包含两方面：①通过管路端部进 入。往往由于清洗工具或者方法不当，遗留在管路内表 合理，与介质相容性好，能有效杜绝管路使用过程中多 余物的产生。 面；也有可能检验合格的产品保护措施不当．致使多余 目前，为了提高管路的耐介质腐蚀能力，多采用 ０６Ｃｒｌ９Ｎｉｌ０奥氏体不锈钢代替了原来的碳钢管路。对于 耐腐蚀程度高求更高的管路，例如沿海边缘施工的管路 系统项目，可以选用０２２Ｃｒｌ７Ｎｉ１２Ｍｏ２低碳奥氏体不锈 钢，抗晶间腐蚀能力大大提高。根据介质的特性，例如 ７ 物进入；②管路内部产生。例如，管路清洗不彻底，内 修稿日期：２０１５—０４—０６ 作者简介：骆青业（１９８５－），工程师。主要从事航天地面设备 及压力管道设计研究。 ・开发与创新・ 针对氧气介质的管路以铜、镍基合金钢为最优选材料。 存槽、泵以及过滤装置。该方法工艺复杂，对各个设备 本身的洁净度要求高。但是，节省了大量的人力。 ２．２结构设计 管路的设计要充分考虑加工制作、多余物检查与清 除的可行性。管路现场制作，长距离的组对焊接很容易 引入多余物，对以后管路内部清洗造成巨大的困难。并 且，焊缝内表面的焊接质量难以检查是多余物易产生的 危险点。合理设计管路的长度，宜采用６～８ｍ管段进行 预制，根据公称直径的大小以及设计压力的高低设计端 部采用球型接头或者法兰连接。管路不宜设计太多的冷 ３．２酸洗钝化 钢管原材料出厂时。附着在内表面的氧化皮、锈斑 以及焊接过程产生的氧化皮，普通的清洗方法不能清除 此类多余物。酸洗钝化工艺采用酸洗槽设备，按规定比 例配置和氢氟酸溶液，将管路放置酸洗槽浸泡２ｈ左 右，以能够去除氧化皮为最佳。过长时间的浸泡，会造 成表面的微观腐蚀，导致管路使用过程中高压气体介质 弯加工或者弯头连接结构，避免残留多余物。 ２．３加工制作 管路的加工制作工艺主要包含管段的下料加工以及 管子与管件的焊接。不锈钢管路的下料以及坡口加工， 宜采用等离子切割和机械加工方式。如采用砂轮切割 时．不锈钢管路应采用专用砂轮片，禁止混用切割碳钢 材料。切口处应无缩口、熔渣、氧化皮以及铁屑等可能 引入多余物的质量缺陷。 管路的焊接方法，直接影响管路焊缝处质量。很容易 在内表面产生多余物。针对航天不锈钢管路，常见的焊接 方法有不锈钢电焊条焊接，手工氩弧焊接以及药芯焊丝 保护焊。电焊条焊接速度快，适合厚壁管路的焊接，但是 易产生飞溅，易在管路内外表面产生多余物。手工氩弧焊 没有飞溅，并且由于焊接过程采取了惰性气体氩气进行 保护，减少了焊缝表面氧化皮，焊渣，焊瘤的形成。药芯焊 丝保护焊在焊缝成型方面能达到氩弧焊同样的焊接质 量，特别适用于大口径以及高空作业方面的焊接。 ３多余物的清除工艺 加工制作完毕的管路，很难保证加工制作环节中没 有多余物的引入。管路清除工艺作为多余物清除的关键 环节至关重要。 ３．１清洗工艺 清洗可以去除附着在管路内壁容易脱落的多余物。 常用的方法有气体吹除法、人工清洗法以及酒精循环清 洗法。 气体吹除法简单，适用于去除表面较大的颗粒多余 物，多用于小口径管路的清洗。将白绸布进行锁边处 理，然后卷缩成与管内径相当的布球，或者采用适应规 格的海绵弹沾有酒精，塞人管路的一端，采用高压气体 进行吹扫。然而，对于管路内表面质量存在缺陷的原材 料，清洗物容易挂在表面毛刺等缺陷位置。 对于大口径的管路清洗，宜采用人工牵引拉洗的方 法。采用钢丝牵引沾有酒精的白绸布清除多余物。一般 需要清洗３～４遍，直至白绸布不变色。 酒精循环清洗法需要专门的循环系统，包含酒精贮 ８ 冲刷引入新的多余物。酸洗钝化合格的管路宜马上采用 碱液进行中和处理．残留酸液易造成局部生锈发黄。 ３．３脱脂处理 火箭发动机对输送气体介质的指标要求严格，对气 体介质中含油量以及水分需进行化验分析。管路需进行 脱脂浸泡处理，并干燥。尤其是高压氧气管道，对管路 内部油脂含量要求严格。否则。高速流动的氧气与管路 摩擦产生火花，遇到油脂发生爆炸。目前，一些氧气管 道运行时，由于内部脱脂不达标造成管路烧损事件时有 发生。 目前，常用的脱脂剂有工业二氯乙烷、丙酮以及航 天专用清洗剂，对于脱脂要求不高的管路也可以采用工 业乙醇．浓度不低于９５％。 ４多余物的检验方法 ４．１靶板检验法 采用洁净、干燥的氮气或空气作为气源，与管路一 端进行连接，在管路出口５ｅｍ处设置反向贴有白胶布的 木制靶板，吹扫５ｍｉｎ后，检验靶板上无铁锈、尘土、 铁屑等多余物为合格。 ４．２白绸布检验法 将浸泡有酒精的白绸布卷缩成球放入管路一端，采 用气体将其从另一端吹出。收集白绸布并检查表面是否 变色．是否沾有多余物。 ４．３金属过滤器收集法 采用１０ｐｃ金属过滤器安装在管路的端部，采用洁 净、干燥的气体进行吹扫１ｍｉｎ。拆下过滤器滤芯，采用 浸泡有酒精的白绸布擦拭滤 芯迎风面，无变色为合格。 ４．４工艺过滤器检查法 管路端部安装专用的绸 布工艺过滤器，吹扫１ｍｉｎ，检 查绸布过滤器的迎风面无任 ■ 图１工艺过滤器检查 何可见多余物为合格。此方法 Ｆｉｇ．１ ＩｎｓｐｅｅＵｏｎ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ 简单，观察方便。图１为检验 脚ｔｅｒ 效果图，绸布无任何多余物。 （下转第３３页） ・产品与市场・ 座椅的其他部件均不做任何改变。以下简单描述常用的 ｌ 能够将由人体的惯性产生的能量传递给车座下方的气液 两种吸收能量的装置： ｌ 缓冲器。该结构的优点是既弥补了气弹簧弹性阻尼小的 第一种是圆管撑裂吸能，首先将圆形钢管在其轴线 ｌ 不足，又克服了液压缓冲在短时间内难以吸收大量能量 方向上固定在相对车身位置固定的导轨上面，而刚性锥 － 的特点．二者的结合使其在汽车碰撞过程中吸收大量的 形管则固定在相对于车身可以移动的导轨上。由此，当 ｌ 能量，从而减少了对人体的损伤。 汽车发生追尾碰撞时，随着座椅的向后平动，变形管被 ｌ 撑裂开，能够提供较好的平台力。在设计过程中，需要 ｌ 在失效的一端加工引导槽。这样可使得圆管受到拉应力 ： ３结论 随着科学技术的发展与生活水平的提高．汽车的安 而失效大致是沿着圆管的轴向［９１。撑裂的裂纹沿着预定的 Ｉ 全性问题则引起更多的重视。汽车安全座椅则通过对头 方向裂开．以保证结构的安全性和稳定性。该方案可针 ｌ 枕，靠背等装置的改进，实现高效防止挥鞭伤的功能。 对不同的汽车参数．如车辆的载重，驾驶舱的空间大小 ： 文中提出的优化方案在解决了防护单一、不能重复使 和汽车行驶速度等，通过有限元分析的模拟实验，合理 ｌ 用、不适合广泛推广等问题的同时，结构简单。稳定可 地设置圆变形薄钢管的抗拉强度极限，直径和厚度的大 ｌ 靠，成本低，防挥鞭伤效果突出。此外，对汽车座椅系 小以及与刚性锥形管之间的摩擦系数等因素，以改变撕 ｌ 统进一步深入研究与改进，提高汽车的安全性。对我国 裂力的大小，从而改变汽车的平动位移。 ： 汽车的研发和生产具有重要的现实意义。 第二种是钢片拉弯吸能。钢片拉弯吸能是发生尾撞 ｌ 参考文献： 时，移动的座椅拉动钢片绕固定圆柱弯曲拉伸，从而获 Ｉ ［１】罗进林，王爱玲，等．珍宝丸加申捷针治疗挥鞭样损伤临床观察【Ｊ】． 得稳定的平台力。固定圆管和固定块了钢片的 ｌ 中国中医药科技。２０１４． 运动，牵引圆柱与平动导轨相连。该结构的优点是由于 ｒ 【２】李明权，等．车辆后碰撞中损伤等级的鉴定叨．北京：交通出版社，１９８９． ３李方屋光暗影之Ｃ—ＮｃＡＰ看门道【Ｎ］．中国消费者报，２ｏ１４，１． 平台力在钢片发生弯曲时可迅速增加，稳定时钢片移动 ｌ 【３］４】姚卫民，孙丹丹．汽车座椅系统安全性综述［Ｊ］．汽车技术，２００２． 的距离相对于座椅缓冲过程中移动的距离而言可以忽 ｌ ［略，因此可认为平台力在整个过程中保持不变。 ５］金景旭．某轿车座椅头枕防挥鞭伤性能的研究及改进【Ｄ】．吉林大 ！ ［学．２０１１． 基于对现有吸能装置的研究，设计了一种依靠气液 ： 缓冲器来吸收汽车碰撞能量的缓冲装置；其吸能原理 Ｉ 【６】林豁，杜汇良，周青．一种追尾碰撞主动防护头枕结构设计研究［Ｊ】． 汽车技术．２０１１． 是：进程时液压油流过节流孔产生粘滞阻尼，将冲击能 Ｊ 量大部分转化为热能．小部分压缩气室内的气体转换成 ： ［７】长沙立中汽车设计开发有限公司．一种主动式安全头枕装置［Ｐ】． 中国．２０１３１００４１５６４．５．２０１３． 缓冲器的内能储存；回程时，压缩气体膨胀释放内能， Ｉ 【８】清华大学．一种用于追尾碰撞颈部保护的主动头枕机构［Ｐ］．中国， 克服回程阻尼做功，将部分内能转化为热能，从而吸收 ｌ ２００７１０１７５２６１．７．２００９． 能量。该装置中的气液缓冲器通过固定卡托件安装在底 ｌ 『９］９张晓伟．针对尾撞下乘员颈部损伤保护的平动吸能座椅性能分析 座上，其活塞杆则与靠背相铰接，碰撞发生时，该装置 ： ［Ｄ］．清华大学，２０１３． （上接第８页） 入管路。 ４．５工业内窥镜检验法 随着高新技术的发展，工业内窥镜应用在管路内 腔、焊缝质量检查方面，可以直观的检查管路内部多余 物的情况，并能够对多余物的形状、位置进行准确判定１６］。 图２为采用１０倍放大的工业内窥镜检查ＤＮ１０规格管 路的显像效果，管路表面洁净无任何多余物。 ６结束语 航天管路多余物的预防和控制，需要技术和技能人 员的共同参与，不断的探索多余物的产生根源，发展和 完善检测与清除多余物的工艺方法，更好的消除由于多 余物存在造成的安全隐患。 参考文献： ［１］王辉，等．发动机总装多余物的控制浅析【Ｊ】．火箭推进，２００３，２． ［２】袁牧，罗刚，屈美莹．多余物的过程控制【Ｊ】．质量与可靠性，２０１３，５． 【３】熊涛．航天器总装多余物控制方法探讨 航天器环境工程，２００６，５． ［４］李大南．航天型号产品多余物及其预防和控制标准的实施检查 ［Ｊ］．航天标准化，２００６，１． ■ 图２内窥镜检查 ５成品保护 多余物检验合格的成 品管路要采用有效的封堵 保护措施，避免二次污染。 目前，最常用的手段为采 ［５】ＱＪ ２８５０Ａ一２０１１，航天产品多余物预防和控制［Ｓ】． 【６】刘丽荣，马骏，张立．航天产品工业内窥检测典型多余物的判别方 法 ．检测技术，２０１３，３． ３３ Ｆｉｇ．２ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ 用金属堵帽、堵盖或者工 艺法兰堵盖进行封堵，可以有效避免多余物从密封面进
