液氢加注系统用阀门的失效仿真与分析

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Simulation and Analysis on Valve Failure for Liquid Hydrogen Filling SystemM A Xin-hui ，LUAN Xiao ，YUAN Peng ，SUN Ke(1.The Academy of Equipment，Beijing 101416，China；2.Force 63870，Weinan 714200 China)Abstract：Takes the valves used for liquid hydrogen filling system in spaceflight launching site as a re-search object，from the simulation point of view to research the influence to the filing system by pres-sure and flow changes，when the valves are in different failure extents in steady-state filling process。

Key words：valve；liquid hydrogen；filling system；failure1 概述航天发射场低温液氢加注系统的主要作用是按- 定程序向火箭贮箱加注或补加液氢等。由于低温燃料特性和发射窗口限制，液氢加注系统阀门性能直接影响到发射任务的成败。因此，迫切需要开展液氢加注系统阀门失效的分析。从而降低加注过程中可能出现的风险，为火箭的顺利发射做好准备。

2 理论分析与建模液氢加注系统由低温管路、过滤器、汽化器，阀门、液氢加注车和火箭贮箱等组成。根据加注系统布局原 理、理论分析 和拈化建 模思想，使 用AMEsim中的两相流库元件模型，进行组合式的构建方案。由于本文侧重于阀门失效对稳态加注系统的影响，故将管路系统进行了适当的简化。

2.1 理论分析挤压法加注是利用气体压力把地面贮罐中的推进剂挤送到火箭贮箱的-种加注方法。挤压压力用于克服加注高度差、贮箱反压和管路流阻。液氢加注采用汽化器挤压，其是利用汽化-部分液体产生的蒸汽对贮罐增压。挤压加注的能量平衡方程式为Pl- hi) (1)式中 P --地面挤压压力，MPaP --贮箱被挤压的反压，MPaJfz --加注贮罐液面距地面高度，m- - 火箭贮箱液面距地面高度，mp--液体密度，kg/mg--重力加速度，m/s，z --管路流阻，mh (2)增益值可得Pl (h2 i h1) Xq (3)调节阀改变管路阻力，改变增益 值，就可以对加注流量进行调节。也就是说节流调节就是用节流法改变管路的流阻。消耗在节流上的功率 P 为P∈：△ q Pg (4)式中 P -- 消耗在节流上的功率，w△ --节流损失压头，mq --流量，m /s因此节流损耗引起液体的温升 IT为AT：垒 (5)作者简介：马昕晖(I969-)，女 ，吉林四平人，副教授 ，从事兵器科学与技术研究。

2013年第1期 阀 门 - l3-式中 △ 温升，K液体比热容，J/( ·K)节流调节的优点是简单 ，易操作，缺点是要消耗- 部分功率，并产生温升。

2.2 建模在液氢加注系统整体模型(图1)中，VO1、17和8表示气动阀(简称阀)，91表示入口控制阀。假设仿真时间3 O00s(小流量700s，大流量2 300s)，管路的内径 75mm，每段长度 5m 或 lOm，管壁 厚度lOmm。

位于整个加注管路中间的 17#阀承受着竖直管路带来的高度压降冲力。稳态加注的液氢从地面贮罐流到 17#阀，由于 17#阀前的管路较少，介质与管路和阀门之间摩擦损耗的压力较小，压力比贮罐的略校如果 17#阀失效，压力将全部集中到 17#阀前，这就对阀门和管路自身产生负担，影响阀门和管路的寿命，严重时会使管路爆裂，产生液氢泄漏或爆炸。

图 1 液氢加注管路模型位于整个加注管路后端的91#阀，在管路与火箭贮箱的连接处，担负着介质加注与泄回的任务。

由于 91#阀门处于管路末端，压力比管路前端校如果91#阀发生故障，压力会增大，会对阀门和管路产生冲击压，造成系统晃动和振动，直接影响火箭发射状态。

如果阀门无法正唱启，介质加注流量减小，导致的结果就是推进剂加注量不足，影响火箭的飞行时间，造成发射失败。如果阀门无法正常关闭，介质加注不能立即停止，可能导致液氢泄漏，甚至使火箭发生爆炸。如果阀门无法正常关闭，介质加注结束后，管内剩余的液氢无法及时泄回，液氢气化对周边的环境将造成影响。

3 阀门开关故障仿真分析3.1 17#阀门17#阀门故障仿真主要从其失效程度上分析，选取阀门失效仅开启 10%和仅开启 5%两种状态。

通过观察失效后的贮箱中液体体积分数、系统前端压力、阀门端口流量和阀门端口压力等 4个仿真参数量，进行危害性分析。其中阀门端口压力、端口流量和贮箱中液体体积分数 3个参量能反应出阀门失效对火箭发射系统的影响。对管路前端压力的研究是为了证明模型正常时的相对准确性和故障时对加注系统贮罐出口的影响情况。

17#阀门贮箱液氢的体积分数的 3种状态曲线如图2所示。0s时，3种状态体积分数相同，体积都为0。当700S时，正常状态加注介质为总体积的13.63%，阀门开启 10%(失效 1)状态加注介质为总体积的10.01%，阀门开启5%(失效2)状态加注介质为总体积的7.25%。与正常状态相比，可以看出失效程度增大则液氢加注量有减小的趋势。在3 O00s时，即加注介质的最大体积，3条曲线相差最大，加注量减少的趋势更加明显。正常状态时为88.68%，失效 1状态时为57.53%，失效2状态时为38.85%。数据差值分别为 33.15%和 49.83%，占正常最大加注的37.38%和56.19%，说明液氢加注量严重不足，直接影响火箭的发射窗口时间。

1.正常状态 2.阀门开启 1O%(失效 1) 3.阀门开启 5% (失效 2)图2 17#阀门贮箱液氢的体积分数17#阀门前端管路压力曲线如 图 3所示。在700s时，正 常加 注 状 态下 的前 端 管路 压 力 为0.63bar(真实数据为0.07MPa(0.7bar))，失效 1加注状态下的前端管路压力为0.72bar，失效2加注状态下的前端管路压力为0.75bar。失效后压力明显大于正常状态下压力。说明失效越严重压差就越大，前端管路憋压就越大。随着汽化器的开启到稳定工作，压力都呈现上升的现象，当压力达到尖峰时. - - - - - 14--- 阀 门 2013年第1期刻，正常时为 1.77bar，失效 1时为 1.90bar，失效 2时为 1.96bar，正常与失效 2之间压差 0.19bar，对液氢加注管路压力的影响较为严重。

求故1.正常状态 2.阀门开启 10% (失效 1) 3.阀门开启 5%(失效 2)图 3 17#阀门管路的前端压力17#阀门端口流量曲线如图4所示。0s时各状态下的流量相同，其值为0kg/s。加注开始后，由于贮罐与管路之间存在压差，流量有-定的变化。当达到700s时，正常状态下的流量为 0.70kg/s，失效1状态下的流量为 0.45kg/s，失效 2状态下的流量为0.31kg/s，流量减少相对较大。达到最大流量时，正常状态下的流量为 1.44kg/s，失效 1状态下的流量为 0.87kg/s，失效 2状态下 的流量为 0.57kg/s。与正常状态相比流量分别减少 了 39%和60%。当达到 3 O00s加注完毕时，阀门关闭。正常状态下流量应为 Okg/s，而失效后阀门不能完全关闭，流量不能减少至0，将继续加注，给管路系统造成严重不稳定性。

枷避1.正常状态 2.阀门开启 10%(失效 1) 3.阀门开启5%(失效 2)图4 17#阀端 口流量17#阀端口压力曲线如图5所示。图5与图3变化趋势基本相同，但压力值不同。由于 17#阀门处于管路中端，受塔架的重力压和管路压降损失的影响，其数值降低明显。700s时，正常状态下端口压力为0.35bar，失效1状态下端口压力为0.37bar，失效 2状态下端 口压力为0.39bar。达到最大压力时，正常状态下端口压力为0.65bar，失效 1状态下端口压力为 0.67bar，失效 2状态下端 口压力为0.7bar。与图3相比，压力减邢大。3 O00s时，阀门关闭，管路中存在液氢，压力不可能减为初始压力，比大流量加注时有所减少。

R1.正常状态 2.阀门开启 10%(失效 1) 3.阀门开启 5% (失效 2)图5 17#阀门端口压力经过分析，17#阀开关功能失效分为开启过程失效(未完全开启)和关闭过程失效(未完全关闭)2种-启过程失效参数表现特征为体积和流量均比正常时减小，但压力明显增大，与管路堵塞产生憋压的情况相似。关闭过程失效后参数表现特征为液氢流量参数未能减小至0，继续处于加注状态。通过比较仿真参数变化可知，17#阀出现两种失效状态后，加注系统中阀门发生故障，对整个系统产生各种波动和影响。阀门由于故障开启度越小，对系统产生的影响越大，尤其对火箭贮箱的影响较为明显。

3.2 91#阀门91#阀门主要选取阀门开启 15%和阀门开启6%两个状态进行分析。91#阀门处于加注管路系统的末端，与管路的前端距离较远，压力对其影响较小，所以只对火箭贮箱液氢的体积分数、阀门端口流量、阀门端口压力3个参数量进行研究。

正常状态下，小流量加注时，火箭贮箱液氢稳步增高，进入大流量加注后，贮箱液氢体积迅速达到最大体积 88.68%。在阀门失效状态下，小流量加注时，火箭贮箱变化不明显，进入大流量加注后，液面有所升高，但相对缓慢。阀门开启 l5%(失效 1)状态下贮箱液体的最大体积分数为70.27%，阀门开启6%(失效 2)状态下贮箱液体的最大体积分数为45.65%，在规定的时间内不能完成加注任务，影响火箭发射。尤其在失效2时，对火箭贮箱影响严重，只能推迟火箭发射。又由于火箭发射受发射窗口的制约，所以这种推迟将造成更大的影响。

91#阀端口流量曲线如图7所示。正常状态下，：2 ∞ 如 ∞ 如2013年第1期 阀 门小流量加注时变化平缓，进入大流量加注时，其曲线变化明显，加注流量有个陡然攀升的过程，最后汽化器约在 2 400s时停止增压，受其影响曲线呈下降趋势，在加注结束时刻阀门关闭，流量减为0，停止加注。阀门失效后，整个过程流量变化比较平缓，没有达到大流量的加注数值 ，且流量远远低于正常状态下的流量，在加注结束后，阀门依然开启 ，流量不能迅速降低为 0。其中在失效 2情况下，流量影响严重，大流量加注时刻仅仅比小流量数值略有增加，失去了大流量加注的意义。

1.正常状态 2.阀门开启 15%(失效 1) 3.阀门开启6%(失效 2)图6 火箭贮箱液氢的体积分数1.正常状态 2.阀门开启 15%(失效 1) 3.阀门开启 6%(失效2)图 7 91#阀端口流量91#阀端口压力曲线如图 8所示。正常状态下，由于 91样阀连接火箭贮箱，其压力由于塔架高度差的损失和管路压头损失，整体数值比较小，要远远低于其他阀门与管路的压力-始时，加注压力只有0.25bar左右，小流量加注期间压力变化平缓 ，直到小流量加注结束大流量加注开始，压力增大趋势明显，最大增大到 0.35bar左右。阀门失效后，从图形可直接看出2种失效状态明显要大于正常状态，说明阀门中产生的憋压严重，失效 1约为0.38bar，失效2约为0.39bar，压力增大幅度比较大，可能会对管路与阀门造成冲击。由于 91#阀是-种可解锁脱落的设备，所以过量的压力也可能造成其提前脱落，而影响加注系统和火箭，所以91#阀门失效将直接影响火箭发射及安全。

经过分析，91#阀开关功能失效分为开启过程失效(未完全开启)和关闭过程失效(未完全关闭)2种-启过程失效主要是对液氢加注产生影响，如压力和流量。关闭过程失效后参数表现特征为 91#阀门液氢流量不但不能减为0，而且也影响管路液氢的泄回工作。由于91#阀门直接与火箭相连，其出现失效故障状态后对火箭直接产生影响。通过比较阀门压力变化和流量变化可知，压力增加的幅度不是很大，但对流量影响较大。阀门失效，其通径变小，所以流量减小相对比较明显。在液氢管路传输中，91#阀门除了能够控制液氢流动外，还能够抑制管路中产生的波动干扰，起到保护管路设备和火箭的作用。

1.正常状态 2.阀 f开届 15%(失效 1) 3.阀门开启 6% (失效 2)图 8 91#阀端口压力4 防护通过仿真及分析可知，阀门失效对系统的影响很大。①当阀门出现前部憋压时，会导致阀门失稳，对阀门及管路造成压力冲击，直接影响阀门和管路的寿命。②在液氢加注过程中，阀门失效会导致某些控制功能失效或不灵活，造成液氢管路通流截面积的减小，使传输堵塞，增加了液阻，进而压力产生较大波动，造成管路中的推进剂流动不平稳，进而发生两相流现象，产生漏热、爆炸的危害。③压力变化和液面的晃动，使管路液氢流量及压力均会发生明显波动，对其他设备和传感器造成影响，使测量和分析数据产生误差，严重影响火箭发射的成功率。④从仿真数据得出，阀门失效对火箭影响较大，直接导致液氢推进剂不能按规定的量加入，无法使火箭准时发射。

针对阀门可能出现的失效情况应采取相应的防控措施。①阀门使用要规范，严格按要求进行操作，优化加注工序。②加强人员对规程、故障预案学习(下转第18页)- 8- 阀 门 2013年第1期ASTM A182/A182M 中要求 F92热处理类型为 火 火。奥氏体 固溶化处理最低温度为1 040℃ 最低同火温度为730oC。综合试验结果分析制定 F92热处理工艺为 1 060oC正火 750oC回火，实测的力学性能值满足 ASTM A182/A182M 中F92的力学性能规定和技术要求(表3)。

表 3 F92力学性能R /MPa R。0.2/MPa A/(%) Z/(%) HB≤269257标准 >/620 />440 >/20.0 >145.0实测 735 585 25 665 结语通过试验及生产经验，制定了-套切实可行的满足ASTM要求制造工艺，即选择电渣重熔方法冶炼。

锻造时选用二次镦拔工艺，减少各向异性，始锻温度为 1 180oC±20℃、终锻温度为850℃及锻后进行热处理并选择 l 060℃正火750oC回火的热处理工艺。