Способ криогенно-прочностного испытания водородного бака
METHOD FOR CRYOGENIC-STRENGTH TEST OF HYDROGEN TANK

Изобретение относится к криогенно-топливным бакам ракетно-космической техники и в первую очередь к водородным бакам.
Известен способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, в котором захолаживание и прочностные испытания осуществляют с помощью жидкого азота (см. журнал «Полет» 2015 №7, стр. 18-24).
Несмотря на простоту, относительную безопасность и дешевизну способ обладает следующими недостатками:
- водородный бак недозахолаживается более чем на 55 К;
- необходимость создания специальной системы обезвешивания водородного бака при заполнении его объема жидким азотом;
- создание специального поддона для приема жидкого азота в случае разрушения бака.
Известен способ криогенно-прочностного испытания водородного бака с помощью жидкого водорода (см. журнал «Космонавтика и ракетостроение» 2012 №2 (67) стр. 62-69).
В данном способе прочностные испытания водородного бака проводят с помощью той же криогенной жидкости, на которую он спроектирован, что позволяет достоверно имитировать эксплуатационные температуры и влияние высоты столба жидкого водорода на конструкцию бака. Однако, несмотря на отмеченное достоинство способа, он имеет существенные недостатки:
- потеря больших объемов жидкого водорода при разрушении бака, что требует создания сложных и дорогостоящих систем пожаровзрывобезопасности при возникновении в процессе испытаний внештатных ситуаций.
Наиболее близким к предложенному является способ криогенно-прочностного испытания, включающий замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20К - 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20К - 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух. (См. «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. серия Машиностроение №3 2012).
Несмотря на то, что данный способ позволяет уменьшить время захолаживания, мощность гелиевого рефрижератора и не требует расхода жидкого водорода, способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются:
3
2
3
- необходимость большого запаса газообразного гелия, так, например, в водородном баке V=100 м при температуре 20 К и расчетном давлении 5 кгс/см будет находиться порядка 7500 нм гелия и в случае разрушения бака приведет к потере довольно дорогого по стоимости гелия, а более того потребуется разработка и создание специальных систем безопасности из-за замены гидравлических испытаний на прочность на пневматические;
- охлаждение и криостатирование бака на уровне 20 К требует создания гелиевого рефрижератора на базе высокоэффективных винтовых компрессорных агрегатов и высокоэффективных турбодетандеров, систем очистки гелия от масла, низкотемпературных примесей, регенерации адсорберов и вакуумной откачки, создания многофункциональной системы контроля и управления, а также, как показал опыт эксплуатации подобных рефрижераторов в ИАЭ им Курчатова, ИВТАНЕ, подготовку и обучение высококвалифицированных кадров для эксплуатации.
Решаемая задача - повышение технологической безопасности и надежности проведения испытаний при снижении их стоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе криогенно-прочностного испытания водородного бака, включающем замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20 К ÷ 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20 К ÷ 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух, испытание бака проводят в криостате, при этом до начала испытаний объем бака соединяют с внутренним объемом криостата, после чего заменяют воздух на азот, проводят захолаживание жидким азотом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 К до 90 К ÷ 85 К, затем заменяют азот на водород и производят захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 90 К ÷ 85 К до 20 К ÷ 22 К после чего заполняют бак жидким водородом и отсоединяют объем бака от внутреннего объема криостата, а затем повышают давление в баке до расчетного значения и в случае целостности бака удаляют жидкий водород из бака, после чего вновь соединяют объем бака с внутренним объемом криостата и проводят отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20 К ÷22 К до 70К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 300 К - газообразным азотом, после чего меняют азот на воздух, а при разрушении конструкции бака в процессе повышения давления жидкого водорода объем бака соединяют с внутренним объемом криостата и удаляют жидкий водород из обоих объемов, но в первую очередь из объема с большей массой жидкого водорода, а далее бак и внутренний сосуд криостата отогревают от 20 К ÷ 22 К до 70 К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 280 К ÷ 290 К - азотом, после чего производят замену азота на воздух.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию новизна.
На прилагаемом чертеже представлена принципиальная пневмогидравлическая схема стендовой криогенной системы, работающей по данному способу.
3
3
р
р
В состав стендовой криогенной системы входит криостат 1 с экрановакуумной изоляцией и съемной крышкой 2, азотная емкость 3 объемом (8÷10) м и рабочим давлением Р=1,0 МПа с регулятором давления 4, испарителем наддува 5, клапаном 6 выдачи жидкого азота и клапаном 7 газосброса в атмосферу, водородная емкость 8 объемом (8÷10) м и рабочим давлением Р=1,0 МПа, снабженная регулятором давления 9, испарителем наддува 10, клапаном 11 выдачи жидкого водорода и клапаном 12 газосброса в атмосферу, арматурный щит 13, укомплектованный запорно-регулирующими клапанами 14-36, предохранительными клапанами 37, 38, газификатором 39 жидкого водорода, газификатором 40 жидкого азота, подогревателем 41 газообразного водорода или азота, эжектором 42, вакуумным насосом 43 и внутрищитовой трубопроводной обвязкой.
Внутри криостата 1 монтируется водородный бак 44 и система коллекторов, выполненных в виде беличьих колес, а именно:
- азотный коллектор 45 с форсунками 46 для распыления жидкого азота на поверхность водородного бака 43 в процессе его охлаждения от 300 К до 85 К ÷ 90 К;
азотный коллектор 47 с форсунками 48, предназначенный для отогрева бака от 80 К до 300 К;
- водородный коллектор 49 с форсунками 50 для распыления жидкого водорода в процессе захолаживания водородного бака 44 от 85 К ÷ 90 К до 22 К ÷ 25 К;
- водородный коллектор 51 с форсунками 52, предназначенный для отогрева водородного бака 44 от 20 К до 70 К ÷ 80 К.
Каждый из названных коллекторов подсоединен к соответствующему клапану арматурного щита 13, например, азотный коллектор 45 - к клапану 25.
Кроме того, в криостате 1 смонтирован трубопровод 53 слива жидкого водорода и трубопровод 54 отвода из криостата 1 газообразного азота или водорода.
В самом водородном баке 44 на время испытаний установлены:
- трубопровод 55 заполнения и слива жидкого водорода;
- азотный эжектор 56 для захолаживания бака 44 от 300 К до 85 К ÷ 90 К;
- азотный эжектор 57 для отогрева бака 44 от 70 К ÷ 80 К до 280 К ÷ 290 К.
3
Все перечисленные устройства через съемные участки также подключены к соответствующим клапанам арматурного щита 13, а на съемном трубопроводе 58 отвода газообразного азота или водорода выполнен контрольный бачок 59 объемом (1,5÷2,0) м.
Заполнение азотной емкости 3 жидким азотом производится из хранилища жидкого азота по трубопроводу 60, а заполнение водородной емкости 8 и криогенного бака 44 производится из хранилища жидкого водорода по трубопроводу 61, параллельно которому посредством клапанов 62 и 63 подключен насос 64.
(Хранилища жидкого водорода и жидкого азота на чертеже не показаны).
В состав стендовой криогенной системы входит также система контроля технологических параметров (на чертеже не показана), откуда оператору поступает информация от датчиков давления 65÷70, датчиков уровня 71÷75 и датчиков температуры 76 и 77.
Функциональное назначение перечисленных выше позиций запорно-регулирующих клапанов и датчиков контроля параметров раскрывается в описании работы стендовой криогенной системы.
Способ криогенно-прочностного испытания водородного бака осуществляется следующим образом.
До начала испытаний стендовая криогенная система должна быть приведена в следующее исходное положение:
- водородный бак 44 установлен в криостат 2 и подключен через съемные участки к арматурному щиту 13;
- в арматурном щите 13 открыты клапаны 30 и 36, остальные клапаны закрыты;
- азотная емкость 3 заполнена жидким азотом и в ней поддерживается давление 1,0 МПа с помощью регулятора давления 4 за счет подачи газообразного азота от испарителя наддува 5, при этом контроль уровня в емкости 3 осуществляется датчиком 75, а давление - датчиком 70.
Заполнение емкости 3 жидким азотом производится от хранилища через трубопровод 60, клапан 27, клапан 6 и открытый клапан 7 газосброса. После заполнения клапан 6 и клапан 27 закрываются;
- водородная емкость 8 заполнена жидким водородом и в ней с помощью регулятора давления 9 за счет подачи газообразного водорода от испарителя наддува 10 поддерживается давление 1,0 МПа. При этом уровень в емкости 8 контролируется датчиком 74, давление - датчиком 69. Заполнение емкости 8 жидким водородом производится из хранилища по трубопроводу 61 через открытые клапаны 63, 14, 11 и открытый клапан 12 газосброса в свечу (на чертеже не показано). После заполнения емкости 8 клапаны 11, 12, 14 и 63 закрываются;
- приведена в готовность система контроля и управления.
Перед началом операции замены воздушной среды на азот проверяют и фиксируют открытое положение клапана 36, соединяющего объем криогенного бака 44 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 54 и 58. Замену воздушной среды на азот производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением газообразным азотом. Операцию вакуумирования проводят в два этапа. На первом этапе вакуумирование общего объема осуществляется с помощью эжектора 42, а на втором - с помощью вакуумного насоса 43.
Для выполнения первого этапа закрывают клапан 30, открывают клапаны 33, 32 и 6 и подают жидкий азот из азотной емкости 3 в газификатор 40, после которого газообразный азот с температурой 270 К ÷ 280 К и давлением 1,0 МПа поступает в сопло эжектора 42, после чего открытием клапана 31 подсоединяют общий объем к эжектору 42, где за счет эжекции производится откачка воздуха из общего объема с отводом воздушно-азотной смеси после эжектора 42 в свечу.
-1
-2
При достижении значения вакуума, контролируемого датчиками 65 и 66, порядка 100-50 мм рт. ст. переходят ко второму этапу вакуумирования. Для этого закрывают клапаны 31, 32 и 33, включают вакуумный насос 43, а затем постепенным открытием клапана 29 подключают общий объем к откачке. При достижении значения вакуума порядка 1⋅10÷5⋅10 мм рт. ст., контролируемого датчиком 67, закрывают клапан 29, отключают вакуумный насос 43 и заполняют общий объем газообразным азотом до давления (0,1÷0,12) МПа. Заполнение производят подачей газообразного азота через азотный коллектор 47 с форсунками 48, для чего открывают клапан 32 и после газификатора 40 плавным открытием клапана 26 заполняют общий объем до давления (0,1÷0,12) МПа, контролируемого по датчикам 65 и 66. После заполнения азотом клапаны 26 и 32 закрывают, открывают клапан 30 и приступают к следующему этапу захолаживания водородного бака 44 от 300 К до 85 К ÷ 90 К с помощью жидкого азота. При этом для ускорения процесса захолаживания водородный бак 44 охлаждают как с внешней, так и с внутренней стороны. Для этого открывают клапаны 25 и 23 и подают жидкий азот из азотной емкости 3 под давлением 1,0 МПа в азотный коллектор 45, где азот через форсунки 46 распыляется по всей наружной поверхности, а для интенсификации процесса охлаждения внутри объема водородного бака 44 жидкий азот подают в эжектор 56 также под давлением 1,0 МПа, что позволяет за счет эжекции существенно увеличить кратность циркуляции газообразного азота внутри объема водородного бака 44 и как следствие повысить коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности. Образовавшийся газообразный азот из бака 44 отводят по трубопроводу 58 через клапан 36, после которого соединяют с потоком газообразного азота, возвращаемого из криостата по трубопроводу 54, после чего общий поток азота через клапан 30 и обратный клапан 34 сбрасывают в свечу.
-1
-2
В процессе захолаживания производят контроль температуры азота по датчикам 76 и 77. При достижении температуры отходящих потоков порядка 85 К ÷ 90 К процесс захолаживания азотом считается законченным, закрывают клапаны 23, 25 и 30 и переходят к следующему этапу - замене азотной среды на водородную, которую проводят аналогично замене воздуха на азот. Отличие заключается лишь в том, что при откачке общего объема вакуумным насосом 43 включают нагреватель 41 для повышения температуры откачиваемого азота перед вакуумным насосом 43. При достижении вакуума в общем объеме порядка 1⋅10÷1⋅10 мм рт. ст. клапан 29 закрывают и отключают вакуумный насос 43. Далее объем бака 44 и внутренний объем криостата 1 заполняют водородом, который подают из водородной емкости 8 по трубопроводу 55 на дно водородного бака 44. Для этого открывают клапан 11, а затем с помощью регулирующего клапана 18 подают в бак 44 жидкий водород, который, попадая на дно бака 44, испаряется и заполняет объем бака 44 и внутренний объем криостата 1 через трубопровод 58, клапан 36 и трубопровод 54. Рост давления постоянно контролируется датчиками 65 и 66. При достижении давления порядка (0,12÷0,15) МПа открывают клапан 30 и газообразный водород, образующийся в процессе захолаживания конструкции водородного бака 44, сбрасывается в свечу через обратный клапан 34.
Для ускорения процесса захолаживания бака до водородных температур дополнительно организуют подачу жидкого водорода в водородный коллектор 49 с форсунками 50 с помощью клапана 17, который открывают, и жидкий водород под давлением 1,0 МПа из форсунок 50 распыляется по всей поверхности бака 44, а образующийся газообразный водород отводится из внутреннего объема криостата 1 через трубопровод 54, соединяется с потоком газообразного водорода, поступающего из бака 44, и далее общий поток сбрасывается через клапан 30 и обратный клапан 34 в свечу. В процессе захолаживания водородного бака 44 постоянно контролируются температуры потоков газообразного водорода датчиками 75 и 76. При достижении значения температуры порядка 22 К - 25 К процесс захолаживания водородного бака считается законченным, после чего переходят к заполнению водородного бака жидким водородом из хранилища (на чертеже не показано). Для этого открывают клапан 63, открывают клапан 19 и через открытый клапан 19 производят заполнение бака 44 жидким водородом, контролируя уровень в баке 44 датчиком 71 и контрольном бачке 59 датчиком 73. Для захолаживания насоса 64 и подготовке его к работе открывают клапан 62. Как только уровень в контрольном бачке по показаниям датчика 73 составит 85-90%, процесс заполнения водородного бака 44 прекращают, закрывая клапан 19. В процессе заполнения водородного бака 44 осуществляют периодическое орошение наружной поверхности бака жидким водородом, подаваемым из водородной емкости 8 клапаном 17 в водородный коллектор 49 через форсунки 50, что обеспечивает стабильный режим термостатирования бака 44 на уровне 20 К - 22 К как в процессе заполнения бака 44 жидким водородом, так и в процессе проведения главного этапа испытаний - это испытание бака 44 на прочность.
Для проведения этого этапа бак 44 отсоединяют от внутреннего объема криостата 1 закрытием клапана 36, а далее открывают клапан 28 и подают жидкий водород в газификатор 39, а регулирующим клапаном 21, поднимают и поддерживают давление в контрольном бачке 59, а следовательно и в водородном баке 44 равным расчетному значению, контролируя при этом давление по датчикам 66 и 68, и выдерживают заданное время. Если испытание бака на прочность проходит без разрушения, то переходят к следующему этапу - перекачиванию жидкого водорода из бака 44 в хранилище с помощью насоса 64. Для этого закрывают клапан 21, открывают клапан 19, открывают клапан 63 и запускают насос 64 в работу. В результате жидкий водород из бака 44 через трубопровод 55, клапан 19 будет перекачиваться насосом 64 через клапан 62 по трубопроводу 61 в хранилище жидкого водорода. В процессе перекачивания клапаном 21 поддерживают в водородном баке 44 за счет наддува газообразного водорода, образующегося в газификаторе 39, давление, обеспечивающее стабильный безкавитационный режим работы насоса 64. Контроль давления производят по датчику 68.
При достижении в водородном баке 44 минимального уровня жидкого водорода прекращают работу насоса 64, закрывают клапан 19, открывают клапан 36 и вновь соединяют объемы бака 44 и внутренний объем криостата 1, после чего начинают процесс отогрева бака 44 и криостата 1 от 20 К ÷ 22 К до 300 К. Операцию отогрева выполняют в два этапа. На первом этапе процесс отогрева от 20 К ÷ 22 К до 70 К - 80 К осуществляют газообразным водородом, который получают в газификаторе 39 и через клапан 16 под давлением 1,0 МПа направляют в коллектор 51, где теплый водород через форсунки 52 направляется на поверхность водородного бака 44 и внутренний корпус криостата 1. Одновременно теплый водород поступает и во внутренний объем бака 44 через регулирующий клапан 20, где он дросселируется, понижая давление с 1,0 МПа до (0,11-0,12) МПа. В результате теплообмена температура бака 44 и внутреннего корпуса криостата 1 начнет повышаться и при достижении температуры газообразного водорода порядка 70 К ÷ 80 К, отводимого из внутреннего объема криостата 1 и бака 44 по трубопроводам 58 и 54 и далее через клапан 30 и обратный клапан 34 в свечу. Контроль температуры осуществляют по датчикам 76, 77. На этом первый этап отогрева заканчивают, закрывают клапаны 11, 28, 16 и 20 и тем самым прекращают подачу водорода в бак 44 и криостат 1, а далее переходят ко второму этапу отогрева бака 44 и криостата 1 до 280 К ÷ 290 К помощью газообразного азота. Операцию отогрева осуществляют следующим образом. Открывают клапан 6 на азотной емкости 3, клапан 32 подачи жидкого азота на газификатор 40, и газообразный азот с температурой 290 К ÷ 300 К и давлением 1,0 МПа подают вначале через клапан 26 в коллектор 47, где азот из форсунок 48 попадает на поверхность бака 44 и поверхность внутреннего сосуда криостата 1, а затем открывают клапан 23 и подают также под давлением 1,0 МПа в эжектор 56, с помощью которого за счет увеличения кратности циркуляционного потока внутри бака 44 повышается интенсивность теплоотдачи от азота к внутренней поверхности бака 44. В процессе отогрева оба потока газообразного азота сбрасываются на свечу через клапан 30 и обратный клапан 34, при этом температура потоков контролируется датчиками 76 и 77. При достижении температур, выходящих из бака 44 и криостата 1 потоков порядка 280 К ÷ 290 К процесс отогрева считается завершенным.
После отогрева бака 44 и криостата 1 заменяют азот на воздух. Для проведения этой операции закрывают клапаны 23 и 26, прекращая подачу газообразного азота в бак 44 и криостат 1, закрывают клапан 30, открывают клапан 33 и подают газообразный азот давлением 1,0 МПа и температурой 290 К ÷ 300 К на эжектор 42 и затем открывают клапан 31. При достижении давления в общем объеме порядка 100-50 мм рт. ст. закрывают клапан 31 и через клапан 22 напускают воздух в бак 44 и криостат 1. После заполнения воздухом через клапан 35 отбирают пробу на содержание кислорода, если содержание кислорода в пробе более 19%, то закрывают клапан 6 на азотной емкости 3 и клапаны 32 и 33. На этом криогенно-прочностные испытания водородного бака 44 считаются завершенными, бак 44 демонтируют из криостата 1. Перед демонтажом бака 44 снимают крышку 2 криостата 1, отсоединяют от бака 44 съемные участки, вынимают из бака 44 эжекторы 56, 57 и трубопровод 55 заполнения и слива жидкого водорода, после чего бак 44 поднимают из криостата 1 и передают на следующую операцию согласно технологического маршрута.
В том случае, если в процессе повышения давления до расчетного значения в баке 44, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то в зависимости от места разгерметизации бака 44 часть жидкого водорода заполнит часть внутреннего объема криостата 1, в котором за счет периодической подачи жидкого водорода из емкости 8 с помощью клапана 17 в коллектор 49 под давлением 1,0 МПа и разбрызгивания жидкого водорода через форсунки 50 на поверхность бака 44 и криостата 1 поддерживается температура внутри криостата 1 20 К ÷ 22 К. Поэтому при разрушении конструкции бака 44 в процессе его гидравлических испытаний жидкий водород, поданный из хранилища для заполнения объема бака, сохраняется и возвращается в хранилище с помощью насоса 64 с потерей от 0,5% до 1,5%. Перекачивание жидкого водорода производят следующим образом. Закрывают клапаны 21, 30, открывают клапан 36, закрывают клапан 63, открывают клапан 62 и готовят к работе насос 61. Регулирующим клапаном 21 создают и поддерживают давление в баке 44 и внутреннем объеме криостата 1, которое контролируют датчиками 65, 66, 68, за счет подачи газообразного водорода, обеспечивающее безкавитационный режим работы насоса 61. Откачку жидкого водорода начинают выполнять из того объема, в котором находится большее количество жидкого водорода, которое определяют по датчикам уровня 71 и 72. Если в баке 44 осталось большее количество жидкого водорода, чем в криостате 1, то тогда открывают клапан 19, включают насос 66 и начинают откачивать из бака 44 жидкий водород в хранилище. При достижении минимального уровня жидкого водорода в баке начинают производить откачку жидкого водорода из криостата 1, для чего открывают клапан 15, а клапан 19 закрывают. При достижении, минимального уровня жидкого водорода во внутреннем объеме криостата 1 отключают насос 64, закрывают клапаны 62, 15 и 21, после чего операции по отогреву бака 44 и криостата 1 от 20 К до 300 К и демонтаж бака 44 из криостата 1 проводят идентично операциям для бака 44, прошедшего криогенно-прочностное испытание без разрушения. На случай ошибочных действий оператора или возникновения внештатных ситуаций для защиты бака и криостата установлены предохранительные клапаны 37 и 38.
Предложенный способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, как видно из описания, существенно упрощает технологию испытаний, повышает их безопасность и надежность, а кроме того, как показали оценочные расчеты, в 10-15 раз сокращает капитальные и эксплуатационные расходы, особенно в том случае, если стендовую криогенную систему создавать на стартовых криогенных заправочных комплексах ракетно-космической техники или на заводах по производству многотоннажного жидкого водорода.