СПОСОБ КРИОГЕННО-ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВОДОРОДНОГО БАКА В КРИОСТАТЕ
METHOD FOR CRYOGENIC STRENGTH TESTING OF HYDROGEN TANK IN CRYOSTAT

Изобретение относится к криогенно-топливным бакам ракетно-космической технике и, в первую очередь, к водородным бакам.
Известен способ криогенно-прочностных испытаний водородного бака с помощью жидкого водорода (см журнал «Космонавтика и ракетостроение», 2012, №2, стр. 62-69).
В данном способе прочностные испытания водородного бака проводят той же криогенной жидкостью, на которую бак спроектирован, что позволяет достоверно имитировать эксплуатационные температуры и высоту столба жидкого водорода на конструкцию бака. В тоже время этот способ 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-прочностных испытаний водородного бака в криостате, включающий первоночальное соединение объемов бака и криостата, замену воздуха на азот и захолаживание жидким азотом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 K до 90-85 K, замену азота на водород и захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 90-85 K до 20-22 K, заполнение жидким водородом бака, разъединение объемов бака и криостата, повышение давления в баке до расчетного значения, удаление жидкого водорода из бака, соединение объема бака с внутренним объемом криостата после проведения прочностных испытаний, отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 70-80 K газообразным водородом и до 280-290 K газообразным азотом, замену азота на воздух (см патент RU 2730123).
Несмотря на то, что указанный способ обеспечивает безопасность и надежность при проведении испытаний, он отличается многообразием сложных технологических режимов и продолжительностью цикла испытаний.
Решаемая задача - упрощение технологии испытаний и сокращении времени полного цикла испытаний.
Поставленная цель достигается тем, что в способе криогенно-прочностных испытаний водородного бака в криостате, включающим первоначальное соединение объемов бака и криостата, после первоначального соединения объемов бака и криостата проводят замену воздуха на газообразный водород, захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 K до 20-22 K, заполнение жидким водородом бака, проведение испытания на прочность путем разъединения объемов бака и криостата, повышение давления в баке до расчетного значения и выдерживание давления заданное время, при этом если испытания на прочность прошло без разрушения водородного бака, то удаляют жидкий водород из бака, соединяют объем бака с внутренним объемом криостата, выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом, заменяют на газообразный водород на воздух, а после заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата, если же в процессе повышения давления до расчетного значения в баке, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то удали от жидкий водород из бака и криостата, соединяют объем бака с внутренним объемом криостата, выполняют отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20-22 K до 280-290 K газообразным водородом, заменяют газообразный водород на воздух, а после заполнения воздухом объемов бака и криостата бак демонтируют из криостата.
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».
3
На прилагаемом чертеже дана пневмогидравлическая схема стендовой криогенной системы, работающей по данному способу. В состав стендовой криогенной системы входит криостат 1 с экрановакуумной изоляцией и съемной крышкой 2, водородная емкость 3 объемом (20-25 м) и рабочим давлением 1,0 МПа, снабженная регулятором давления 4, испарителем наддува 5, клапаном 6 выдали жидкого водорода и клапаном 7 газосброса в свечу чертеже не показана), технологический щит 8, укомплектованный газификатором 9 жидкого водорода, подогревателем 10 газообразного водорода, вакуумным насосом 11, водородным насосом 12, запорно-регулирующими клапанами 13-27, предохранительными клапанами 28, 29 и внутри щитовой трубопроводной обвязкой. В криостате 1 монтируется водородный бак 30, в котором установлены: трубопровод 31 подачи и слива жидкого водорода, соединенный через съемный участок 32 и трубопровод 33 с клапанами 20 и 21 технологического щита 8, а также трубопровод 34 газосброса, соединенный через съемный участок 35 и трубопровод 36 с клапанами 19 и 23 технологического щита 8. В самом криостате 1 установлен трубопровод 37 подачи и слива жидкого водорода, соединенный трубопроводом 38 с клапанами 17 и 18, и трубопровод 39 газосброса, соединенный трубопроводом 40 с клапанами 23, 24, 25 и 27 технологического щита 8. В состав стендовой криогенной системы входит также система контроля технологических параметров (на чертеже не показана), откуда оператору поступает информация от датчиков давления 41-44, датчиков уровня 45-47 и датчиков температуры 48-50. Заполнение водородной емкости 3 и водородного бака 30 осуществляется из хранилища жидкого водорода по трубопроводу 51, который соединен с клапанами 13 и 14 технологического щита 8. Функциональное назначение перечисленных выше позиций запорно-регулирующих клапанов и датчиков контроля технологических параметров раскрывается в описании работы стендовой криогенной системы.
Способ криогенно-прочностных испытаний в криостате водородного бака осуществляется следующим образом.
До начала испытаний стендовая криогенная система должна быть приведена в следующее исходное положение:
- водородный бак 30 установлен в криостат 1 и подключен через съемные участки 32 и 35 соответственно к трубопроводам 33 и 36;
- в технологическом щите 8 открыты клапаны 23 и 25, остальные клапаны - закрыты;
- водородная емкость 3 заполнена жидким водородом и в ней с помощью регулятора давления 4 за счет подачи газообразного водорода от испарителя наддува 5 поддерживается давление 1,0 МПа, при этом уровень в водородной емкости 3 контролируется датчиком 45, а давление - датчиком 41. Заполнение емкости 3 жидким водородом производится из хранилища по трубопроводу 51 через открытые клапаны 13, 15, 6 и открытом клапане 7 газосброса в свечу. После заполнения водородной емкости 3 клапаны 13, 15, 6 закрываются;
-1
-2
- приведена в готовность система контроля и управления. Перед началом замены воздушной среды на водород проверяют и фиксируют открытое положение клапана 23, соединяющего объем водородного бака 30 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 36 и 40. Замену воздушной среды на водород производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением газообразным водородом. Для проведения операции вакуумирования закрывают клапан 25, открывают клапан 24 и включают вакуумный насос 11. При достижении значения вакуума порядка 1×10 - 5×10 мм рт.ст., контролируемого датчиком 43, закрывают клапан 24, отключают вакуумный насос 11 и заполняют общий объем газообразным водородом, для чего открывают клапаны 18, 20, 6 и плавным открытием клапана 22 через газификатор 9 заполняют общий объем до давления (0,12-0,15) МПа, контролируемого по датчикам 42 и 44. После заполнения общего объема газообразным водородом закрывают клапаны 22, 18, 20, открывают клапан 25 и приступают к следующему этапу - захолаживания водородного бака 30 и внутреннего сосуда криостата 1 от 300 K до 22-20 K жидким водородом, который подают из водородной емкости 3 с помощью запорно-регулирующих клапанов 17 и 21 по трубопроводам 38 и 33, а отвод образующихся паров организуют по трубопроводам 34, 35, 36 и клапан 23 из водородного бака 30, и по трубопроводам 39 и 40 из криостата 1. Далее общий поток проходит через клапан 25 и обратный клапан 26 и отводится в свечу (на чертеже не показана). В процессе захолаживания осуществляют контроль температуры паров водорода по датчикам 48 и 49. При достижении температуры отходящих потоков порядка 20-22 K процесс захолаживания считается законченным. Закрывают клапаны 6 и 17, полностью открывают клапан 21 и приступают к наполнению водородного бака 30 жидким водородом из хранилища с помощью насоса 12. Для этого закрывают клапан 14, открывают клапаны 13 и 16, включают насос 12 и перекачивают жидкий водород из хранилища по трубопроводу 51 в водородный бак 30, контролируя уровень жидкого водорода с помощью датчика 46. Как только уровень жидкого водорода в баке 30 достигнет 95-98%, отключают насос 12, закрывают клапаны 16, 21, открывают клапан 6 в водородной емкости 3 и приступают к проведению основное этапа испытаний бака 30 на прочность.
Для проведения этого этапа закрытием клапана 23 отсоединяют водородный бак 30 от внутреннего объема криостата 1, открывают клапан 19 и плавным открытием клапана 22 подают жидкий водород из емкости 3 в газификатор 9. В результате газообразный водород будет поступать через клапан 19, трубопроводы 36, 35, 34 в газовую подушку водородного бака 30, повышая в нем давление, контролируемое датчиком 42. При достижении давления в баке 30 равному расчетному значению закрывают клапаны 22 и 19 и выдерживают давление заданное время. Если испытание на прочность прошло без разрушения водородного бака 30, то переходят к следующему этапу - перекачиванию жидкого водорода из бака 30 в хранилище с помощью насоса 12. Для этого закрывают клапаны 6, 16, 13, открывают клапаны 14, 15, 21 и запускают в работу насос 12. В результате жидкий водород из бака 30 по трубопроводам 31, 32, 33 через открытые клапаны 21, 15 и 14 будет перекачиваться в хранилище. В процессе перекаливания открывают клапан 19 и клапаном 22 поддерживают давление в водородном баке 30 за счет наддува газообразного водорода, образующегося в газификаторе 9, обеспечивающее безкавитационный режим работы насоса 12. Контроль давления выполняют по датчику 42, а контроль уровня - по датчику 46. При достижении в водородном баке 30 минимального уровня жидкого водорода прекращают работу насоса 12, закрывают клапан 15, открывают клапан 23 и вновь соединяют объем бака 30 с внутренним объемом криостата 1, после чего начинают процесс отогрева бака 30 и криостата газообразным водородом до 280-290 K. Операцию отогрева проводят следующим образом. Открывают клапан 6 и подают жидкий водород из емкости 3 в газификатор 9 через регулирующий клапан 22, после которого поток газообразного водорода с температурой 275-285 K с помощью регулирующих клапанов 18 и 20 распределяется таким образом, чтобы температура на выходе из бака 30, контролируемая датчиком 48, и температура на выходе из криостата 1, контролируемая датчиком 49, были примерно равными. При достижении указанных темпеpaтур порядка 220-230 K для ускорения процесса отогрева включают подогреватель 10 и повышают температуру газообразного водорода до 350-370 K. При достижении температур газообразного водорода, выходящего после бака 30 и криостата 1 порядка 280-290 K, процесс отогрева считается законченный отключают подогреватель 10, закрывают клапаны 6, 22, 18, 20 и далее приступают к замене водорода в общем объеме на воздух.
-1
-2
Перед началом замены водорода на воздух проверяют и фиксируют открытое положение клапана 23, соединяющего объем водородного бака 30 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 36 и 40. Замену водорода на воздух производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением воздухом. Для проведения операции вакуумирования закрывают клапан 25, открывают клапан 24 и включают вакуумный насос 11. При достижении значения вакуума порядка 1×10 - 5×10 мм рт.ст., контролируемого датчиком 43, закрывают клапан 24, отключают вакуумный насос 11 и заполняют общий объем воздухом, для чего открывают клапан 27. После заполнения воздухом объемов бака 30 и криостата 1 бак 30 демонтируют из криостата 1. Перед демонтажем бака 30 снимают крышку 2 криостата 1, отсоединяют съемные участки 32 и 35, вынимают из бака 30 трубопровод 31 заполнения и слива жидкого водорода и трубопровод газосброса 34, после чего бак 30 поднимают из криостата 1 и передают на следующую операцию согласно технологическому маршруту.
В том случае, если в процессе повышения давления до расчетного значения в баке 30, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то в зависимости от места разрушения часть жидкого водорода заполнит часть внутреннего объема криостата 1, а следовательно жидкий водород, поданный из хранилища для заполнения объема бака 30, сохраняется и возвращается в хранилище насосом 12 с небольшой до 1,5% потерей жидкого водорода, при этом откачку жидкого водорода начинают из того объема, в котором находится большее количеств жидкого водорода, которое определяют по показаниям датчиков 46 и 47. Так, если в баке 30 осталось большее количество жидкого водорода, то операцию удаление из бака 30 жидкого водорода проводят аналогично операции удаления жидкого водорода из бака 30, прошедшего гидравлические испытания без разрушения, и при достижении минимального уровня жидкого водорода в баке 30 начинают производить откачку жидкого водорода из криостата 1, для чего в начале открывают клапан 17, а затем закрывают клапан 21. При достижении минимального уровня жидкого водорода в криостате 1 отключают насос 12, закрывают клапаны 15 и 14, после чего операции по отогреву бака 30 и криостата 1 от 20 K до 280-290 K и демонтажу бака 30 из криостата 1 проводят идентично операциям для бака 30, прошедшего криогенно-прочностное испытание без разрушения. На случай ошибочных действий оператора или возникновения внештатных ситуаций для защиты бака 30 и криостата 1 установлены предохранительные клапаны 29 и 28. И хотя, при данном способе прочностных испытаний расход водород на захолаживание бака от 300 K до 20 K и обратный отогрев его до 280-290 K увеличивается на 30-35%, однако, учитывая не большую массу (менее 2000 кг) водородного бака 30, этот недостаток компенсируется снижением капитальных затрат, а самое главное существенно (оценочно на 40-45%) сокращается время и упрощается весь технологический цикл испытаний, при этом исключается возможность загрязнения водорода азотом.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».