低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法

摘要

本发明涉及低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法，首先搭建试验系统，进行低温贮箱的低温内压试验，之后对试验结果进行定量评判，该考核方法克服了采用常规方法对低温贮箱进行试验考核的局限，可以在内压载荷及环境温度两方面覆盖贮箱的实际使用工况，与开展常温液压试验相比有效增加了环境覆盖性，此外还可以避免试验过程对绝热结构的损伤，解决了试验结果定量评价的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及低温液体推进剂运载火箭贮箱，特别是涉及一种低温贮箱 在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法。

背景技术

液体运载火箭的贮箱是为火箭动力系统贮存和输送推进剂的大型铝合 金结构件，出厂前必须通过液压试验的方式验证其内压承载满足火箭飞行 的需要。对于使用常温液体推进剂的火箭，其贮箱出厂前一般开展以水或 其他常温液体为介质的常温内压试验。随着火箭研制技术的进步和环境保 护的需要，运载火箭开始广泛使用清洁、高效的低温液氢液氧推进剂，相 对应贮箱的工作环境也由常温转变为低温。研究发现，运载火箭贮箱的母 材和焊缝，在常温和低温条件下所表现的力学性能有明显差异，主要特征 在于强度明显升高但延伸率显著下降，因此在特定条件下需要针对低温贮 箱开展低温条件下的内压承载试验，以验证贮箱在低温条件下的使用性能。 但一般情况下，低温贮箱为抑制推进剂的蒸发，外表面设计了绝热结构， 而绝热结构的存在使得低温贮箱开展低温液压试验时存在状态检查困难、 贮箱补焊返修的周期长且操作复杂、试验对贮箱绝热结构造成损伤等不足。 基于此，设计一种在没有绝热结构条件下就开展贮箱低温内压试验的方法， 能很好地解决上述矛盾，并有较强的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供低温贮箱在无绝热 结构状态下的低温内压试验考核方法，该考核方法克服了采用常规方法对 低温贮箱进行试验考核的局限，增加了环境覆盖性，此外还可以避免试验 过程对绝热结构的损伤，解决了试验结果定量评价的问题。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法，包括如下步 骤

步骤(一)、搭建试验系统，具体方法如下：

(1)、将待考核的低温贮箱竖立放置，将低温贮箱的下端面与支撑环固 定连接，所述支撑环为与低温贮箱的下端面形状尺寸相匹配的圆环；

(2)、将低温贮箱的后底与加泄管路连接，低温贮箱的前底分别与排气 管路、增压管路和测压传感器连接，低温贮箱外表面设置温度传感器；排 气管路的末端设置手动控制的排气阀和排气孔板，增压管路与地面气源相 连，为试验提供增压气体；

步骤(二)、进行低温贮箱的低温内压试验，具体方法如下：

(1)、通过加泄管路将试验介质注入低温贮箱，通过温度传感器控制试 验介质的加注量，确保在低温贮箱前端，即靠近前底的一端留出1m³～2m³的空间作为增压的气枕；在试验介质注入过程中，低温贮箱的前底所连接 的排气阀保持打开状态，并通过测压传感器实时监测低温贮箱内的压力；

(2)、试验介质注入结束后，试验系统静置10min～15min使试验系统 达到稳定状态，关闭排气阀，通过地面气源向低温贮箱内充气增压，至低 温贮箱内的压力达到试验要求的载荷；

(3)、增压完成后，试验系统保压2min～3min，保压过程中，通过调节 排气孔板的通径保持低温贮箱内的压力不变；

(4)、试验完成后以加压挤压的方式通过加泄管路泄出低温贮箱内的试 验介质，试验介质泄出完毕后通过常温氮气或干燥空气置换的方式促使低 温贮箱(1)回温；

步骤(三)、对低温贮箱的低温内压试验结果进行评价，具体方法如下：

低温贮箱试验完成后，对低温贮箱箱体内外观进行目视检查，检查内 容包括箱体表面是否存在裂纹、焊缝处是否存在裂纹，当外观检查无裂纹 缺陷时，对低温贮箱进行氦质谱检漏试验，若整箱漏率达到要求数值，判 定低温贮箱低温内压试验结果合格，否则为不合格。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，支 撑环与低温贮箱通过螺栓与螺母固定连接，其中支撑环上的螺栓孔为椭圆 孔，连接螺栓的拧紧力矩保持在0.5Nm～1Nm。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(二)的(1)中的试验介质为液氮、液氧、液氢或液氦。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(二)的(1)中，当温度传感器测量值达到注入的所述试验介质的沸点 时，认为试验介质已达到要求的加注量，即满足靠近前底的一端留出了 1m³～2m³的空间作为增压的气枕。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，温 度传感器测量值与试验介质沸点的偏差允许为2摄氏度。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(二)的(4)中挤压压力一般选取0.1Mpa，如果低温贮箱的使用压力 小于0.2Mpa，则挤压压力选取使用压力的1/2。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(二)的(4)中通过常温氮气或干燥空气置换的方式促使贮箱回温过程 中，充气的压力最高为0.1MPa，如果低温贮箱使用压力小于0.2Mpa，则 充气压力选取使用压力的1/2。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(二)的(2)中试验系统达到稳定状态后，由于试验介质的挥发，需要 补充注入试验介质至步骤(1)中要求的加注量，之后再关闭排气阀。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(三)中，氦质谱检漏单孔漏率≤6.7×10^-8Pa·m³/s，整箱漏率 ≤6.7×10^-6Pa·m³/s的情况下，判定低温贮箱低温内压试验结果合格，否则为 不合格。

在上述低温贮箱在无绝热结构状态下的低温内压试验考核方法中，步 骤(三)中，对贮箱箱体内外观进行目视检查过程中，若有疑似区域，则 采用着色方式判断。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明设计了一种全新的低温贮箱在无绝热层状态下开展低温内 压试验考核的方法，首先搭建试验系统进行低温贮箱的低温内压试验，之 后对试验结果进行定量评判，可以在内压载荷及环境温度两方面覆盖贮箱 的实际使用工况，与开展常温液压试验相比有效增加了环境覆盖性；

(2)、本发明对低温贮箱开展低温液压试验在低温贮箱开展绝热施工之 前开展低温试验，由于金属外壁可见，便于进行试验结果的评价；

(3)、本发明在低温贮箱开展绝热施工之前开展低温试验，可避免试验 过程对绝热结构的损伤，同时，贮箱如需开展补焊等返修工作，无需涉及 绝热结构返修；

(4)、本发明对低温贮箱的低温内压试验过程中的试验参数及控制方法 进行了优化设计和优选，大大提高了试验的可操作性和规范性；

(5)、本发明在与低温贮箱连接的支撑工装上，设计了椭圆形的螺栓孔， 解决了低温贮箱和支撑工装在低温介质作用下热胀冷缩不匹配的问题，保 障了试验贮箱的安全；

(6)、本发明通过在试验后检查试验件外观以及开展箱体氦质谱检漏的 方式评价试验结果，解决了试验结果定量评价的问题，也避免了试验过程 中试验人员靠近箱体检查带来的危险性，此外通过大量试验确定了判定条 件，保障了后续贮箱使用的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明低温内压试验中搭建的试验系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

低温贮箱在无绝热结构状态下进行低温内压试验考核，是指在低温贮 箱完成金属箱体生产之后，先不进行绝热结构施工，直接开展低温内压试 验，低温贮箱是指装载液氧或液氢推进剂的贮箱，其试验实施方式如下：

步骤(一)、搭建试验系统，具体方法如下：

(1)、如图1所示为本发明低温内压试验中搭建的试验系统结构示意图， 将待考核的低温贮箱1竖立放置，将低温贮箱的下端面与支撑环2通过螺 栓与螺母连接固定，箱体其余部位均保持自由。其中支撑环2为与低温贮 箱1的下端面形状尺寸相匹配的圆环形状。

本发明对低温贮箱1和试验支撑环2进行了热胀冷缩特性匹配。因为贮 箱是铝质的，而试验支撑环一般是钢质的，在低温下两种材料的热膨胀系 数差异大。如果直接固定连接，在低温下贮箱收缩量大，工装收缩量小， 贮箱下端会因此产生附加弯矩载荷，为贮箱的低温内压试验带来额外风险。 因此需要进行贮箱和支撑环热胀冷缩特性匹配。本发明采用的措施为：

(a)、将支撑环2上的对接螺栓均制为径向的椭圆孔3，椭圆孔3的长 轴要求能补偿贮箱1和支撑环2在试验介质温度下变形差异的1.5～2倍。

(b)、贮箱1后端面与支撑环2对接的连接螺栓的拧紧力矩保持在 0.5Nm～1Nm水平，确保在出现热胀冷缩差异时，两者在径向能相对滑动。

(2)、将低温贮箱1的后底4与加泄管路5连接，用于试验介质的注入 和泄出。低温贮箱1的前底6分别与排气管路7、增压管路8和测压传感 器9连接，低温贮箱1外表面设置温度传感器10；排气管路7的末端设置 手动控制的排气阀11和排气孔板12，用于控制贮箱气枕中的气体压力，避 免试验中贮箱出现憋压破坏的现象。排气阀11和排气孔板12的通径都需 要根据箱内介质的蒸发量确定。排气阀11通径需保证从注入介质开始的全 试验过程中蒸发量最大时，挥发的气体也能全部从排气阀排出，箱内压力 不升高。排气孔板12是在内压试验时用于稳定试验压力的，所以它的通径 由介质注入完成后的箱内介质蒸发量决定。增压管路8与地面气源相连， 为试验提供增压气体；测压传感器9用于监视贮箱1内的气枕压力，是内 压试验载荷施加的依据。

(3)、试验介质选择。本发明中液压试验选用液氮作为试验介质，主要 是考虑试验成本。在成本允许条件下，也可以开展其他低温介质下的试验， 如液氧、液氢、液氦等。

步骤(三)、开展低温贮箱1的低温内压试验，具体方法如下：

(1)、通过加泄管路5将试验介质注入低温贮箱1，通过温度传感器10 控制试验介质的加注量，确保在低温贮箱1前端，即靠近前底6的一端留 出1m³～2m³的空间作为增压的气枕；在试验介质注入过程中，低温贮箱1 的前底6所连接的排气阀8保持打开状态，并通过测压传感器9实时监测 低温贮箱1内的压力。

当温度传感器10测量值达到注入的试验介质的沸点时(温度传感器 10测量值与试验介质沸点的偏差允许为2摄氏度)，认为试验介质已达到 要求的加注量，即靠近前底6的一端留出了1m³～2m³的空间作为增压的气 枕。例如当试验介质为液氮时，温度传感器测量值达到-194℃时，认为液 氮液面已达到传感器所在位置。

(2)、试验介质注入结束后，试验系统静置10min～15min使试验系统 达到稳定状态，由于试验介质的挥发，需要补充注入试验介质至步骤1中 要求的加注量，之后关闭排气阀8，通过地面气源向低温贮箱1内充气增压， 至低温贮箱1内的压力达到试验要求的载荷。

(3)、增压完成后，试验系统保压2min～3min，保压过程中，通过调节 排气孔板12的通径保持低温贮箱1内的压力不变。

(4)、试验完成后以加压挤压的方式通过加泄管路5泄出低温贮箱1内 的试验介质，挤压压力一般选取约0.1Mpa，如果低温贮箱1的使用压力小 于0.2Mpa，则挤压压力选取使用压力的1/2。试验介质泄出完毕后通过常 温氮气或干燥空气置换的方式促使低温贮箱1回温，充气的压力最高为 0.1MPa，如果低温贮箱1使用压力小于0.2Mpa，则充气压力选取使用压 力的1/2，最少置换3遍。

步骤(四)、对低温贮箱1的低温内压试验结果进行评价，具体方法如 下：

贮箱试验完成后，对贮箱箱体内外观进行目视检查，主要检查箱体表 面是否存在裂纹，重点检查焊缝，疑似区域需采用着色方式判断。当外观 检查无裂纹缺陷时，对贮箱进行氦质谱检漏试验，当氦质谱检漏单孔漏率 ≤6.7×10^-8Pa·m³/s，整箱漏率≤6.7×10^-6Pa·m³/s的情况下，认为贮箱低温内 压试验结果合格，否则为不合格。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。