航空高压氮气瓶用爆破片的 密封结构及试验研究

文:武汉航空仪表有限责任公司 叶浩2024年第三期

  0引言

  随着我国航空领域的技术发展,对配套用的氮气瓶提出了高压、高低温、振动及冲击等要求,与此同时对氮气瓶用爆破片的要求相应越来越严酷,特别是密封性能,对于航空氮气瓶的安全至关重要,一旦发生泄露严重时将会导致机毁人亡的事故。

  航空高压氮气瓶用爆破片的生产制造没有可以执行的国家军用标准及航空标准,目前只能参考工业用的GB567-2012《爆破片安全装置》、GB/T16918-2017《气瓶用爆破片安全装置》等标准,根据GB/T16918-2017《气瓶 用爆破片安全装置》可知:气瓶用爆破片安全装置的结构根据是否重复充装可分为两种形式,一种由爆破片、压环(或夹持器)、螺塞和螺盖(或压盖)组成,一种是爆破片直接焊接在瓶体上,但两种结构适用的最高压力在标准中未明确,基于此,文中以某航空高压氮气瓶用爆破片为研究对象,分别按照上述两种结构进行试制样件,试验研究其在高压、高低温、振动及冲击等环境工况下的密封性能、爆破压力及寿命情况,为航空高压氮气瓶用爆破片的密封结构设计提供参考。

  1爆破片性能指标及试验装置

  1.1 爆破片性能指标

  某航空高压氮气瓶用爆破片的主要性能指标见表1。1.2 试验装置

  密封性试验装置采用气密性检测装置,将爆破片装置连接充气接口,通过水密法进行加压检测是否有气泡产生。高低温试验装置采用HL6025T高低温试验箱,温度范围为(-60~150)℃。振动试验装置采用ACT2000-S0200L电磁振动台,可模拟仿真多种振动谱。冲击试验装置采用ZFS008落塔式冲击试验台。爆破压力试验装置采用爆破压力显示仪试验器及充气装置,充气装置给爆破片加压,当爆破瞬间时显示仪自动采集压力并显示。寿命试验装置采用JBJ-2交变压力试验机,利用高比值的气液增压泵(1:100)将液体增压到所要求的压力,用另一只高比值气液增压泵(1:130)作交变运行,前泵首先用于排除管道中的空气,后增压到上限值,在交变过程中如有微渗而达不到上限压力值时,经程序判断,该泵自动实行补压到上限值,完全实现自动控制。

爆破片性能指标

  表1 爆破片性能指标

  2 样件试验情况及结果分析

  2.1 样件制造及试验项目

  按照国标GB/T16918-2017中的结构分别试制两种样 件,由于航空设备的互换性要求,爆破片在同一个气瓶中应能互换,故样件采用整体结构,通过螺纹与气瓶连接。爆破片材料采用不锈钢,厚度0.08mm,泄放口径5mm,圆角半径1mm,设计温度22℃,采用41MPa压力预拱成形。

样件1、2 结构及实物图

  图1 样件1、2 结构及实物图

样件2C、2A 缺陷图

  图2 样件2C、2A 缺陷图

样件1、2 试验情况

  表2 样件1、2 试验情况

  样件1按照GB/T16918-2017中的第一种结构形式进行设计制造,包括底座、爆破片、上下压环、夹持螺柱及锁紧螺母,爆破片通过上下压环压接密封。

  样件2按照GB/T16918-2017中第二种结构形式进行设计制造,包括爆破片及底座,爆破片与底座之间通过真空电子束焊接密封。样件1、2结构如图1所示。

  试验项目:密封性、高低温、振动、冲击、寿命、爆破压力。

  按照图1结构进行样件制造,样件1、2分别制造6件进行试验。样件1分别编号为1A、1B、1C、1D、1E、1F。样件2分别编号为2A、2B、2C、2D、2E、2F。

  试验顺序:先进行密封性试验,合格后抽2件产品1E、1F进行爆破压力试验,全部都合格后,余下4件产品1A、1B、1C、1D分成两组,1A和1B为一组,1C和1D为一组,1A和1B只进行寿命试验,1C和1D进行余下的试验。样件2试验同样件1。样件1、2试验情况及结果见表2所示。

  2.2 样件1、2试验情况

  1A、1C、1E、1F分别在22.1MPa、20.2MPa、21MPa、21.5MPa时泄漏,检查发现爆破片与上下压环接触处边缘出现脱落。1B在进行交变532次时发生泄漏,检查发现爆破片与上下压环接触处脱落。1D在进行振动后发生泄漏,检查发现锁紧螺母松脱。

  2C在不到2MPa时泄漏,检查发现爆破片与阀体边缘出现焊接缺陷。2A在交变3998次后发生泄漏,检查发现爆破片破裂处有划痕(图2)。

  试验结果表明:样件1的密封结构不适合高压工况,同时抗振动性能较差;样件2的密封结构可以满足高压工况,且通过高低温、振动、冲击等试验,但是在试制过程中发现存在如下几个问题:

  (1)阀体与爆破片焊接工艺困难,需借助焊接夹具完成,且装夹不方便,同时由于爆破片较薄,焊接处易出现缺陷,2C密封泄漏原因就在于焊接缺陷。

  (2)阀体与爆破片焊接后爆破片直接暴露在外,转运过程中容易划伤,2A在交变3998次后发生泄漏的原因在于转运过程中发生划伤,划伤使爆破片厚度变薄,交变过程中划伤处提前疲劳破裂。

  为了提高焊接性及保护爆破片,在爆破片处增加一个零件——压环,其作用在于提高焊接工艺性能,同时保护爆破片不受划伤。为了验证此结构,该项目试制6只样件3进行试验,其结构及实物如图3。

  2.3 样件3试验情况

  按照图3结构进行样件制造,样件3制造6件进行试验。样件3分别编号为3A、3B、3C、3D、3E、3F。试验顺序同样件1。

样件3 结构及实物图

  图3 样件3 结构及实物图

样件3 试验情况

  表3 样件3 试验情况

  3A、3B均通过5000次交变压力的寿命试验,3C、3D均通过高低温、振动及冲击,3E、3F爆破压力分别为46.75MPa及46.28MPa,符合(45.5±2.5)MPa。

  3 结语

  以某航空高压氮气瓶用爆破片为研究对象,分别按照上述两种结构进行试制3种样件,试验研究其在高压、高低 温、振动及冲击等环境工况下的密封性能、爆破压力及寿命情况。结果表明,相同试验条件下,上下压环压接密封及直接焊接底座密封方式都存在缺陷,压环焊接式爆破片可以耐受高压、高低温、振动及冲击等环境工况,性能指标都符合要求,关于此方式密封结构会对爆破片产生何种影响,有必要进一步展开研究。

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