高温氧安全获取工艺系统研究

邱雨辰 李龙

北京航天试验技术研究所，北京， 100074

摘 要：氧气具有极强的氧化性和助燃性，随着氧气压力升高和流速的增加着火可能性增加，且可燃物在高温氧中更容易燃烧。本文结合某型号芯二级氧箱自生增压地面试验系统，根据氧气系统燃烧机理详细论述了高温氧气系统的设计，包括管路流速计算、避免气体绝热压缩技术、管道材质设计选择、多余物控制技术等，确保了高温氧气系统的安全并搭建系统。综合考虑后选用水浴加热器采用“高温水—换热管—氧气”的换热形式获取高温氧气，最后通过氮气及氧气调试，证明在氧气流量376g/s时，加热器温度可以满足340K、360K、380K三种氧气温度状态的要求，且温度稳定，系统可以安全运行。实现了某型号芯二级氧箱自生增压地面试验系统高温气氧安全获取。为今后的试验台工艺系统设计、建设提供了新的思路和借鉴。

关 键 词： 高温 氧气 安全获取 水浴加热 试验

引言

某型号芯二级氧箱采用自生增压的方式，即将低温液氧经过发动机换热管加温至360~380K后进入氧箱进行自生增压。为模拟此型号火箭芯二级氧箱自生增压状态，考核验证增压系统参数选择的正确性和工作协调性；了解增压氧气在气路管路上的热传输特性和掌握箱内温度分布情况，进行了氧箱自生增压地面试验，而整个试验系统的关键之一就是360~380K高温氧气的安全获取。

1氧气系统的安全设计

1.1 氧气系统燃烧机理介绍

从燃爆“三要素”的机理进行分析。氧气管道本身材质一般是碳素钢或不锈钢，因含碳，属可燃性材料，而且铁素体燃烧时放热量大，温升很快。氧气管道内输送的高纯氧气，是极强的氧化剂，纯度愈高，压力愈高，氧化性愈强，愈危险。导致氧气管道燃烧爆炸的危险源有多种，为了杜绝或减少氧气管道燃爆事故，应从管路流速控制，绝热压缩避免、材质选择以及多余物控制四个方面进行控制。

1.2管路流速设计计算

氧气管道中氧气最高允许流速的控制，是一个非常重要的安全问题，因此配制氧气输送系统必须遵守不同压力下的“允许安全流速”。

根据GBl6912-2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》的规定和GB50030-2007《氧气站设计规范》中规定的氧气管道最高允许流速，自生增压系统氧气最大流量为380g/s，增压管路规格为48×4mm不锈钢管路，自生增压流速计算主要包括两部分：增压孔板前流速、增压孔板后流速、这两段管路的内径均为DN40的不锈钢管，但由于管路内氧气的压力和温度不同，因此，两段管路的流速是不一样的。

计算得出 =11.2m/s，满足GB16912-2008中不锈钢管路流速的安全要求。增压减压器前气源压力为8MPa，此处氧气压力高，密度大，因此，流速较小，约为2.8m/s，满足标准中的氧气管路流速要求。根据上面的公式同样可以计算出增压孔板后的流速 =28m/s（此处氧气压力为0.8MPa，管路流速符合GB16912-2008中规定的氧气管路最高流速的要求。

1.3避免气体绝热压缩技术

阀门在高低压段之间突然打开时，低压段形成绝热压缩，局部温度猛升，容易引发爆燃，因此，在系统设计和阀门动作时序中充分考虑避免气体绝热压缩的情况发生，系统设计过程中避免管路出现盲腔，氧气增压系统主要包括增压气源阀、隔离阀、增压电磁阀（2个），1#增压阀，在试验供气时，先缓慢打开增压气源阀门和隔离阀；程序中1#增压阀门先开，增压电磁阀再进行自动增压，这样就能避免氧气增压管路出现绝热压缩的情况。

1.4管道材质设计选择

由于氧气具有高助燃性的特点，因此在气氧环境中使用的材料要与氧气相容，在GB16912-2008中，对氧气的管道材质和法兰垫片的材质选择进行了规定。根据标准的规定，本试验系统氧气源压力低于10MPa，减压器出口至液氧贮箱之间压力均低于2MPa，故选用不锈钢材质的管道可以满足试验氧气输送的要求。管路垫片均选用退火软化铜垫片，节流孔板也采用紫铜材料，符合标准要求。因此管路材料和管路元件符合氧气使用要求，氧气集气排液采用不锈钢管路制造。

1.5多余物控制技术

分析多起氧气燃爆事故，氧气管道中的铁锈、油脂、焊渣等多余物在高压、高纯、高速流动的氧气中与钢管撞击、摩擦，成为燃爆的激发源，因此，必须严格要求氧气管道中的洁净度，系统管路和与氧气接触的一切部件在焊接、安装之前的脱脂处理：用四氯化碳对不锈钢管路进行拉膛清洗，清洗干净后进行封存保护，防止多余物污染；

管路焊接完成后进行酸洗除锈：用33%硝酸浸泡焊接之后的管路24小时之后再用纯净水冲洗。酸洗后用蘸有四氯化碳的白绸布对管路进行检查，确保管路内壁无焊渣、铁锈和其他可燃多余物存在，如果检查不合格，再次进行酸洗；

管路进行脱脂、除锈之后还进行了钝化处理：用50%过氧化氢钝化氧气管路24小时，钝化完毕后泻除钝化剂再次用纯净水冲洗干净；

用干燥氮气对酸洗、脱脂和钝化后的管路进行长时间、大流量吹扫，在吹扫的管口用白布检查，直到无铁屑、焊渣、铁锈、其他多余物及水分为合格，吹除干净后方可进行安装，确保氧气管路的安全运行。

2高温气氧获取技术

目前高温气体的获取主要有两种方式，电加热以及水浴加热，水浴加热及电加热优缺点见下表2。从表中可以看出，水浴加热器受高压水温度限制，获取高温气体最高温度受限，最高为403K，但是出口温度稳定，易于控制；电加热器可以获得较高的温度，但是纯氧环境中易发生燃爆事故，而且出口温度不易控制，偏差较大。根据任务书要求，系统高温气氧温度为360K~380K，因此水浴加热器可以满足要求，故系统优先选用水浴加热器。

水浴加热器采用“高温水—换热管—氧气”的换热形式获取高温氧气，高温水通过水循环温度控制机获取恒定温度的水（本循环机通过膨胀水箱对循环水在加压条件下进行加热，可将水温保持在393K~403K之间，根据饱和水蒸气的压力和温度对照表查询，此时膨胀水箱的压力约0.3MPa表压），高温水不断在水浴换热器壳体内循环，换热管浸泡在高温水中，氧气通过换热管与高温水换热，从而可获取高温氧气。本试验要求系统具备气氧流量为150~380g/s时，加热器出口氧气温度在360K~380K的温度范围，因此根据计算，选择加热器功率100KW，换热管总换热面积为15m²，总传热系数为86.3W/（m2.K），根据换热计算，本加热器可获取的出口氧气温度约为380K， 并且水温机可以调节水温度（水温机最高使用温度为403K），因此可以满足340K、360K和380K三种温度的要求，为保障安全和换热效果，换热管采用紫铜管。

3高温氧系统调试

高温氧气系统搭建完成后，进行了系统调试，为确保系统安全，先用氮气进行了调试。

在氮气调试结果正常情况下进行了真实介质调试，调试曲线如下图所示。

其中图6氧气流量曲线，从图6可以看出氧气流量为376g/s，流量稳定。图7为加热器出口氧气温度曲线，从图中可以看出，在376g/s氧气流量下，循环水温度为393K时，加热器出口氧气温度可达到375K~377K之间，且温度稳定，系统可以安全运行，这说明氧气介质条件下，循环水温与氧气出口温度差为17K左右，而循环水温可提高到403K，因此高温氧气获取系统完全可以满足340K、360K、380K三种氧气温度状态的要求。

图6氧气流量曲线（376g/s） 图7氧气温度曲线（循环水温度393K）

4结论

本文设计搭建的高温气氧安全获取系统解决了某型号芯二级氧箱自生增压地面试验系统高温气氧安全获取这一难题，同时总结的高温氧气系统设计经验，为今后的试验台工艺系统设计、建设提供了新的思路和借鉴。

参考文献

[1]GB 16912-1997.《氧气及相关气体安全技术规程》[S].

[2]JB 10530-2005.《氧气用截止阀》[S].

[3]GB l6912-2008.《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》[S].

[4]GB 50030-2007.《氧气站设计规范》[S].

[5]郭霄峰.液体火箭发动机试验[Ｍ].北京：宇航出版社，1991.

[6]王占林，低温贮箱增压问题探讨[C].新疆：航天第七信息网学术交流会，2005.