CN109374416B - 一种用于液氧环境的压力容器爆破试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于液氧环境的压力容器爆破试验系统，由以下部分构成：低温环境箱、液氧加注系统、待测压力容器充压系统以及控制系统；所述低温环境箱装有可控长度的温度传感器、光电传感器；所述低温环境箱四周留有观察孔，所述的观察孔嵌有高强防爆玻璃；所述的液氧加注系统由液氧储罐、液氧管路、电磁阀组成；所述待测压力容器充压系统包含充压介质储罐、增压泵组、截止阀、压力传感器；所述待测压力容器充压系统通过管路将充压介质储罐、增压泵组、压力表、截止阀、待测压力容器连接起来；本发明系统用于液氧环境的贮箱以及气瓶实现在液氧环境下的耐压及爆破性能的测试评定。同时，更换低温介质即可应用于其他低温环境下耐压及爆破测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温环境下压力容器耐压爆破试验的系统及方法，尤其指在液氧环境下对复合材料压力容器进行爆破测试的试验系统。
背景技术
液体推进剂火箭具有比冲高、运载能力强等优点，被国内外广泛应用。在点火启动和飞行过程中，随着燃料的迅速消耗，受到引力、大气压和热交换等变化带来的影响，推进剂贮箱内的压力会迅速下降，导致推进剂不能正常供应，因此，需要有压力控制系统来提升和稳定贮箱内的压力，常将高压气瓶置于贮箱内对推进剂进行增压处理。
液氧是运载火箭的主要液体推进剂之一，目前，液氧贮箱及浸泡在液氧贮箱里的增压气瓶多为金属材料制造，若将金属材料用复合材料来替换，可显著降低火箭重量，将有利于进一步提高运载火箭的运载能力，因此，为了满足未来深空探索的需要，运载火箭液体推进剂贮箱以及增压气瓶的复合材料化是当前研究的热点，也是未来运载火箭发展的方向。然而，液氧是一种超低温强氧化剂，而贮箱和内部增压气瓶是在液氧环境下工作，常用的树脂基复合材料很容易与液氧发生不相容反应，因此，开展液氧环境下压力容器(贮箱、气瓶等)的性能测试试验，验证复合材料压力容器的抗压强度和液氧相容性则尤为重要。
目前，针对压力容器的耐压以及爆破试验，大部分都是在常温下进行的，部分针对低温环境下的相关试验也多是在惰性低温介质下进行，而由于液氧环境下压力容器的耐压及爆破测试的试验条件苛刻且具有危险性，目前尚无有效的相关试验系统及方法。因此，本发明旨在实现对用于液氧环境的贮箱以及气瓶在液氧环境下的耐压及爆破(气密性、强度、爆破压力)性能的测试，填补此项测试技术的空白。
发明内容
本发明提供的试验系统可以对用于液氧环境的贮箱以及气瓶实现在液氧环境下的耐压及爆破性能(气密性、强度、爆破压力等)的测试评定。同时，更换低温介质即可应用于其他低温环境下耐压及爆破测试。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于液氧环境的压力容器爆破试验系统，其特征在于主要由以下部分构成：低温环境箱、液氧加注系统、待测压力容器充压系统以及控制系统；
所述低温环境箱的上部设有支柱12，所述支柱12将低温环境箱顶盖8架起；所述低温环境箱内部底部安装有多条导轨13，导轨上装有用于支撑和固定待测压力容器的鞍座10，鞍座10上部设有固定装置；所述低温环境箱装有可控长度的温度传感器6、光电传感器7；所述低温环境箱四周留有观察孔24，所述的观察孔24嵌有高强防爆玻璃。
所述的液氧加注系统由液氧储罐17、液氧管路15、电磁阀16组成；所述的液氧储罐具有保温绝热功能，通过液氧管路15与低温环境箱连接，所述液氧管路15在低温环境箱内部管口处带有喷嘴14，所述的液氧管路15上带有电磁阀；
所述待测压力容器充压系统包含充压介质储罐1、增压泵组3、截止阀4、压力传感器5；所述待测压力容器充压系统通过管路2将充压介质储罐1、增压泵组3、压力表、截止阀4、待测压力容器连接起来；所述的管路2具有绝热保温能力。为节省待测介质，缩短增压时间，需要预先在待测压力容器里添加与液氧相容且耐低温的填料，所述的填料可以是：沙土、玻璃球、氟塑料球等。所述的增压介质为高纯氦气、高纯氮气、高纯氩气等惰性气体以及液氮、液氦等深冷液体。
还包括闭路监控系统，所述闭路监控系统中的红外摄像头23安装于低温环境箱的高强防爆玻璃处；
所述的控制系统19包括增压泵组3、压力传感器5、温度传感器6、光电传感器7、电磁阀16，红外摄像头23以及相应的控制器。
所述的控制系统19通过接收压力传感器5、温度传感器6、光电传感器7、闭路监控系统中的红外摄像头23的信号，通过相应的控制器控制增压泵组3和截止阀4、电磁阀16；利用温度传感器6监测低温环境箱的液氧的液面高度，并通过反馈机制，通过控制系统，及时补加液氧。所述的光电传感器7安装于低温环境箱中，用于测试压力容器在液氧环境下充压试验过程中，由于液氧不相容所产生火花等微弱光信号，所述的光电传感器7均匀分布于待测压力容器周围。所述的闭路监控系统的红外摄像头23安装于低温环境箱的防爆玻璃处，用于监视测试过程中的试验现象。
进一步地，在上述技术方案中，因为液氧具有强氧化性，本发明用于评价在液氧环境下压力容器的耐压及爆破测试，所以除待测压力容器外，所有直接接触液氧环境的材料，必须采用液氧相容的材料。所述的液氧相容材料可以是金属合金材料如：347合金、301合金、302合金、6061、6061-T6、2024-T3、5052、2014-T6、2219-T87、5086-H34、5456、2024、2195以及铜镍合金等。密封圈以及部分结构也可采用氟塑料如：聚四氟乙烯、可溶性聚四氟乙烯(PFA)等。
进一步地，在上述技术方案中，所述的低温环境箱9外部依次设有阻燃层和混凝土强化层。
进一步地，在上述技术方案中，所述的低温环境箱9箱体一端的纵向一周设有铝合金波纹管，所述铝合金波纹管两端与箱体密闭连接。为了根据待测压力容器体积调整低温环境箱大小，这样既可以减少液氧的用量，缩短试验时间，降低试验成本，扩大实验箱使用范围，还可以降低试验过程中发生爆炸的危险性。
本发明提供一种上述系统进行液氧环境的压力容器爆破试验的方法，其特征在于：
第一步：准备过程；将待测压力容器安装在低温环境箱中鞍座10上；将待测压力容器充压系统中管路2与待测压力容器相连；
第二步：预增压，打开截止阀4和增压泵组3，开始向待测压力容器充压，充压至设计压力的10％-30％，预增压结束后，反向增压，泄去待测压力容器内部压力，关闭截止阀4，关闭增压泵组3；
第三步：注入液氧，开启红外摄像头23，光电传感器7调零，温度传感器6校准，并调整高度到待测压力容器上方5cm处，开启电磁阀16，向环境箱里加注液氧；待温度传感器6温度达到90K时液氧加注系统停止工作，温度传感器6温度高于90K时，液氧加注系统自动开始工作加注液氧，保证环境箱中的液氧处在一个稳定的高度，液氧加注箱始终处于开启状态；
第四步：打压，温度传感器6达到90K时，截止阀4和增压泵组(3打开，向待测压力容器11里充压，并实时通过控制系统在线监测压力传感器、光电传感器7、闭路监控系统的压力信号、光信号、图像信息的变化；如果在实验过程中，发现压力信号突然降低或光电信号突然出现峰值或闭路监控系统观察到火花、爆炸等其他现象，液氧加注系统和待测压力容器充压系统立即自动关闭；
第五步：测试，若打压过程中没有出现异常信号，则继续打压，直至压力传感器示数达到设计压力，保压，通过压力传感器测试其低温密闭性；继续打压直至其爆破，测试其低温爆破压力。
进一步地，在上述技术方案中，所述第一步中，预先在待测压力容器里添加与液氧相容且耐低温的填料，所述的填料选自沙土、玻璃球、氟塑料球。
附图说明
图1本发明的系统正面结构示意图；
图2本发明的系统侧面布置图；
图中，1-充压介质储罐，2-管路，3-增压泵组，4-截止阀，5-压力传感器，6-温度传感器，7-光电传感器，8-低温环境箱顶盖，9-低温环境箱，10-鞍座，11-待测压力容器，12-支柱，13-导轨，14-喷嘴，15-液氧管路，16-电磁阀，17-液氧储罐，18-数据传输线路，19-控制系统，20-箱体伸缩区，21-低温环境箱侧壁，22-闭路监控系统支架，23-红外摄像头，24-观察孔。
具体实施方式
结合发明中的例图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明描述的是部分实施案例，并不代表全部的实施例，本领域的技术人员在没有创造性的劳动前提下获的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
一种用于液氧环境的压力容器爆破试验系统，主要由以下部分构成：低温环境箱9、液氧加注系统、待测压力容器充压系统以及控制系统19；
所述的低温环境箱9主要用于存放液氧以及待测压力容器11。因为液氧环境下的压力容器测试具有很大的危险性，所以采用的低温环境箱9需要放置在地坑中，地坑四周用混凝土强化，并附有阻燃层。为确保液氧不相容压力容器评价时所产生的能量可以快速释放，所述低温环境箱9的上部设有支柱12，所述支柱12将低温环境箱顶盖8架起；使环境箱与外界连通。所述低温环境箱9内部底部安装有多条导轨13，导轨13上装有用于支撑和固定待测压力容器11的鞍座10，鞍座10上部设有固定装置；用于固定待测压力容器11。可以根据待测压力容器11的尺寸选择合适的鞍座10以及调整鞍座10的距离，来固定待测压力容器11。所述低温环境箱9装有可控长度的温度传感器6、光电传感器7；由于环境箱与外部环境相通，在测试过程，液氧会不断挥发，可利用温度传感器6监测环境箱的液氧的液面高度，并通过反馈机制，通过控制系统19，及时补加液氧。所述低温环境箱9四周留有观察孔24，所述的观察孔24嵌有高强防爆玻璃。
所述的液氧加注系统由液氧储罐17、液氧管路15、电磁阀16组成；所述的液氧储罐17具有保温绝热功能，通过液氧管路15与低温环境箱9链接，所述液氧管路15在低温环境箱9内部管口处带有喷嘴14，所述的液氧管路15上带有电磁阀16；
所述待测压力容器充压系统包含充压介质储罐1、增压泵组3、截止阀4、压力传感器5；所述待测压力容器充压系统通过管路2将充压介质储罐1、增压泵组3、压力表、截止阀4、待测压力容器11连接起来；所述的管路2具有绝热保温能力。为节省待测介质，缩短增压时间，需要预先在待测压力容器11里添加与液氧相容且耐低温的填料，所述的填料可以是：沙土、玻璃球、氟塑料球等。所述的增压介质为高纯氦气、高纯氮气、高纯氩气等惰性气体以及液氮、液氦等深冷液体。
还包括闭路监控系统，所述闭路监控系统中的红外摄像头23安装于低温环境箱9的高强防爆玻璃处；
所述的控制系统19包括增压泵组3、压力传感器5、温度传感器6、光电传感器7、电磁阀16，红外摄像头23以及相应的控制器。
所述的控制系统19通过接收压力传感器5、温度传感器6、光电传感器7、闭路监控系统中的红外摄像头23的信号，通过相应的控制器控制增压泵组3和截止阀4、电磁阀16；利用温度传感器6监测低温环境箱9的液氧的液面高度，并通过反馈机制，通过控制系统19，及时补加液氧。所述的光电传感器7安装于低温环境箱9中，用于待测压力容器11在液氧环境下充压试验过程中，由于液氧不相容所产生火花等微弱光信号，所述的光电传感器7均匀分布于待测压力容器11周围。所述的闭路监控系统的红外摄像头23安装于低温环境箱9的防爆玻璃处，用于监视测试过程中的试验现象。
因为液氧具有强氧化性，在液氧环境下压力容器的耐压及爆破测试，所以除待测压力容器11外，所有直接接触液氧环境的材料，必须采用液氧相容的材料。所述的液氧相容材料可以是金属合金材料如：347合金、301合金、302合金、6061、6061-T6、2024-T3、5052、2014-T6、2219-T87、5086-H34、5456、2024、2195以及铜镍合金等。密封圈以及部分结构也可采用氟塑料如：聚四氟乙烯、可溶性聚四氟乙烯(PFA)等。
所述的低温环境箱9设有箱体伸缩区20，箱体伸缩区20为箱体一端纵向的一周设有的铝合金波纹管，所述铝合金波纹管两端与箱体密闭连接。为了根据待测压力容器11体积调整低温环境箱9大小，这样既可以减少液氧的用量，缩短试验时间，降低试验成本，扩大实验箱使用范围，还可以降低试验过程中发生爆炸的危险性。
一种采用上述系统进行液氧环境的压力容器爆破试验的方法，包括以下步骤：
第一步：准备过程。首先在待测压力容器11里装填液氧相容的沙石，充压介质储罐1中充满氦气，作为充压系统中的充压介质；利用起重机吊起低温环境箱顶盖8，操作人员进入环境箱9内部，将装填有惰性填料的待测压力容器11吊入环境箱中。操作人员根据待测压力容器11尺寸，在导轨13上调整鞍座10的距离，固定待测压力容器11，并将绝热管路2与待测压力容器11相连，操作人员撤出低温环境箱9。
第二步：预增压。预增压的目的是为测试充压系统以及管路的接口的密封性。打开截止阀4和增压泵组3，开始充压，充压至设计压力的10％-30％。预增压结束后，反向增压，泄去待测压力容器11内部压力，关闭截止阀4，关闭正反向增压泵组3。
第三步：注入液氧。安装低温环境箱顶盖8，人员撤离，开启红外摄像头23，光电传感器7调零，温度传感器6校准，并调整高度到待测压力容器11上方5cm处，以保证待测压力容器11全部处于液氧内，且控制液氧用量。开启电磁阀16，向环境箱里加注液氧。待温度传感器6温度达到90K时液氧加注系统停止工作，温度传感器6温度高于90K时，液氧加注系统自动开始工作加注液氧，保证环境箱中的液氧处在一个稳定的高度，液氧加注箱始终处于开启状态。
第四步：打压。温度传感器6达到90K时，打开截止阀4和增压泵组3，向待测压力容器11里充压，并实时通过控制系统19在线监测压力传感器5、光电传感器7、闭路监控系统的压力信号、光信号、图像信息的变化。如果在实验过程中，发现压力信号突然降低或光电信号突然出现峰值或闭路监控系统观察到火花、爆炸等其他现象，液氧加注系统和充压系统立即自动关闭。
第五步：测试。若打压过程中没有出现异常信号，则继续打压，直至压力传感器5示数达到设计压力，保压，通过压力传感器5测试其低温密闭性；继续打压直至其爆破，测试其低温爆破压力。
Claims (6)
1.一种用于液氧环境的压力容器爆破试验系统，其特征在于主要由以下部分构成：低温环境箱、液氧加注系统、待测压力容器充压系统以及控制系统；
所述低温环境箱的上部设有支柱(12)，所述支柱(12)将低温环境箱顶盖(8)架起；所述低温环境箱内部底部安装有多条导轨(13)，导轨上装有用于支撑和固定待测压力容器的鞍座(10)，鞍座(10)上部设有固定装置；所述低温环境箱装有可控长度的温度传感器(6)、光电传感器(7)；所述低温环境箱四周留有观察孔(24)，所述的观察孔(24)嵌有高强防爆玻璃；
所述的液氧加注系统由液氧储罐(17)、液氧管路、电磁阀(16)组成；所述的液氧储罐，通过液氧管路(15)与低温环境箱连接，所述液氧管路在低温环境箱内部管口处带有喷嘴(14)，所述的液氧管路(15)上带有电磁阀(16)；
所述待测压力容器充压系统包含充压介质储罐(1)、增压泵组(3)、截止阀(4)、压力传感器(5)；所述待测压力容器充压系统通过管路(2)将充压介质储罐(1)、增压泵组(3)、压力表、截止阀(4)、待测压力容器连接起来；待测压力容器里添加与液氧相容且耐低温的填料，所述的填料为沙土、玻璃球、氟塑料球；
还包括闭路监控系统，所述闭路监控系统中的红外摄像头(23)安装于低温环境箱的高强防爆玻璃处；
所述的控制系统(19)包括增压泵组(3)、压力传感器(5)、温度传感器(6)、光电传感器(7)、电磁阀(16)、红外摄像头(23)以及相应的控制器；
所述的低温环境箱(9)箱体一端的纵向一周设有铝合金波纹管，所述铝合金波纹管两端与箱体密闭连接。
2.根据权利要求1所述用于液氧环境的压力容器爆破试验系统，其特征在于：所述试验系统中，除待测压力容器外，所有直接接触液氧环境的材料，都采用液氧相容的材料。
3.根据权利要求1所述用于液氧环境的压力容器爆破试验系统，其特征在于：所述的低温环境箱(9)外部依次设有阻燃层和混凝土强化层。
4.采用权利要求1～3任意一项所述系统进行液氧环境的压力容器爆破试验的方法，其特征在于：
第一步：准备过程；将待测压力容器安装在低温环境箱中鞍座(10)上；将待测压力容器充压系统中管路(2)与待测压力容器相连；
第二步：预增压，打开截止阀(4)和增压泵组(3)，开始向待测压力容器充压，充压至设计压力的10％-30％，预增压结束后，反向增压，泄去待测压力容器内部压力，关闭截止阀(4)，关闭增压泵组(3)；
第三步：注入液氧，开启红外摄像头(23)，光电传感器(7)调零，温度传感器(6)校准，并调整高度到待测压力容器上方5cm处，开启电磁阀(16)，向环境箱里加注液氧；待温度传感器(6)温度达到90K时液氧加注系统停止工作，温度传感器(6)温度高于90K时，液氧加注系统自动开始工作加注液氧，保证环境箱中的液氧处在一个稳定的高度，液氧加注箱始终处于开启状态；
第四步：打压，温度传感器(6)达到90K时，截止阀(4)和增压泵组(3)打开，向待测压力容器(11)里充压，并实时通过控制系统在线监测压力传感器、光电传感器(7)、闭路监控系统的压力信号、光信号、图像信息的变化；如果在实验过程中，发现压力信号突然降低或光电信号突然出现峰值或闭路监控系统观察到火花、爆炸等其他现象，液氧加注系统和待测压力容器充压系统立即自动关闭；
第五步：测试，若打压过程中没有出现异常信号，则继续打压，直至压力传感器示数达到设计压力，保压，通过压力传感器测试其低温密闭性；继续打压直至其爆破，测试其低温爆破压力。
5.根据权利要求4所述系统进行液氧环境的压力容器爆破试验的方法，其特征在于所述第一步中，预先在待测压力容器里添加与液氧相容且耐低温的填料，所述的填料选自沙土、玻璃球、氟塑料球。
6.根据权利要求4所述系统进行液氧环境的压力容器爆破试验的方法，其特征在于：所述的步骤二中，增压介质为高纯氦气、高纯氮气、高纯氩气以及液氮、液氦。
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