逯志國，江雅婷，衛(wèi)國

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

與傳統(tǒng)的運載火箭推進劑相比，新一代運載火箭采用了液氫/液氧作為發(fā)動機燃料，具有無污染、無毒性、燃燒充分、推力大等優(yōu)點。目前，液氫/液氧推進劑也成為了世界各航天大國新型運載火箭的首選燃料[1-2]。為了使燃料快速、高效地輸送，箭體內(nèi)在燃料儲箱與發(fā)動機間布置了功能不同的各式連接管路，管路在飛行過程中處于低溫高壓及振動狀態(tài)。這種復(fù)合環(huán)境對管路的強度和可靠性提出了嚴(yán)峻的考驗，一旦燃料泄漏，則意味著發(fā)射的失敗。因此，必須進行有效的地面試驗，充分模擬實際工作狀態(tài)，在試驗中充分暴露產(chǎn)品設(shè)計或生產(chǎn)的缺陷，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供有力的數(shù)據(jù)支撐，確保新型火箭的成功研制。

液氫、液氧溫度分別為20 K（-253 ℃）、80 K（-193 ℃）左右[3-4]，對于工作壓力高達13.5 MPa的某型增壓管路振動試驗的環(huán)境模擬，在之前的運載火箭型號研制中尚屬于空白。在確定以液氮、高壓氮氣作為管路工作環(huán)境的模擬介質(zhì)后，試驗過程中存在著低溫液體泄漏、高壓爆炸沖擊等風(fēng)險就成為了首要的關(guān)注重點。

1 管理復(fù)合環(huán)境試驗風(fēng)險的特征

1.1 風(fēng)險定義

1901年，美國學(xué)者威雷特在其博士學(xué)位論文《風(fēng)險與保險的經(jīng)濟理論》中最早給出風(fēng)險的定義：風(fēng)險是關(guān)于不愿發(fā)生的事件發(fā)生的不確定的客觀體現(xiàn)。在這個定義中，風(fēng)險有兩個特征：客觀性和不確定性[5]。

對于試驗風(fēng)險，本身是由整個試驗系統(tǒng)的特點來決定的，整個系統(tǒng)中包括了試驗設(shè)備、試驗人員、試驗程序。風(fēng)險的客觀性體現(xiàn)在試驗設(shè)備本身在運行工作中可能帶來的各類風(fēng)險，試驗人員在按照已設(shè)定的試驗程序進行試驗操作時可能產(chǎn)生的風(fēng)險。不確定性體現(xiàn)在風(fēng)險在試驗過程中出現(xiàn)的時刻、危害的程度及造成的影響后果。

1.2 試驗風(fēng)險性質(zhì)的判別

管路復(fù)合環(huán)境試驗存在以下四類事件：一類事件是“高可能性，嚴(yán)重后果”；二類事件是“高可能性，輕微后果”；三類事件是“低可能性，嚴(yán)重后果”；四類事件是“低可能性，輕微后果”。對于這四類事件，一類和三類屬于高風(fēng)險，二類和四類屬于低風(fēng)險。

1.3 試驗風(fēng)險管理

威廉姆斯和漢斯合著的《風(fēng)險管理與保險》把風(fēng)險管理定義為：根據(jù)組織的目標(biāo)或目的，以最少費用，通過風(fēng)險識別、測定處理及風(fēng)險控制技術(shù)把風(fēng)險帶來的不利影響降低到最低程度的科學(xué)管理。風(fēng)險管理是通過對風(fēng)險進行識別、衡量和控制，以最小的成本使風(fēng)險損失達到最低的管理活動。理想的風(fēng)險管理，是一連串排好優(yōu)先次序的過程，使當(dāng)中可以引致最大損失及最可能發(fā)生的事情優(yōu)先處理，而相對風(fēng)險較低的事情則壓后處理[5]。

2 復(fù)合環(huán)境下管路振動試驗風(fēng)險管理

試驗風(fēng)險管理就是試驗項目管理人員通過風(fēng)險辨識、風(fēng)險評估等，并以此為基礎(chǔ)，合理地使用多種管理方法、技術(shù)和手段，對項目活動所涉及的風(fēng)險實行有效的控制，采取主動行動，創(chuàng)造條件，盡量擴大風(fēng)險事件的有利結(jié)果，妥善地處理風(fēng)險事件的不利后果，以最小的成本，保證安全、可靠地實現(xiàn)試驗項目順利進行的過程。

圖1 試驗項目風(fēng)險管理

風(fēng)險的預(yù)測，包括了對于環(huán)境模擬試驗中低溫、高壓環(huán)境會產(chǎn)生的風(fēng)險進行前期的預(yù)先判斷，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果，進行風(fēng)險的評估。主要針對人員、設(shè)備及試驗產(chǎn)品安全這三個要素進行，評估風(fēng)險對于人員、設(shè)備及產(chǎn)品產(chǎn)生的最不利影響，后續(xù)根據(jù)影響的嚴(yán)重程度，從防護措施及設(shè)備改造升級方面降低試驗風(fēng)險。在試驗的過程中，對風(fēng)險進行不間斷地監(jiān)控，包括存在破壞性風(fēng)險情況下應(yīng)進行監(jiān)控方式的轉(zhuǎn)變，進而保證人員的安全性。

2.1 試驗流程簡介

將待試驗管路安裝在振動臺臺面，液氮加注管路P1將液氮貯存灌的截止閥與管路一端連接，管路另一端通過液氮加注管路P2與穩(wěn)壓器連接。高壓氮氣瓶閥門通過充壓軟管與穩(wěn)壓器連接，穩(wěn)壓器通過排氣管路與手動排氣閥連接，并通過電纜與地面控制柜連接。系統(tǒng)連接完畢后，打開穩(wěn)壓器上的放氣閥和液氮罐上的單向閥，液氮將通過自增壓的方式進行加注，從液氮罐中逐漸流入試驗管路，進而流入穩(wěn)壓器中。 通過控制箱觀察穩(wěn)壓器中的溫度傳感器，當(dāng)溫度傳感器顯示溫度達到-195 ℃時，穩(wěn)壓器中加滿液氮。然后關(guān)閉液氮罐上的單向閥，停止液氮加注。打開氮氣瓶，持續(xù)加入氮氣對管路進行增壓。當(dāng)管路壓力及溫度滿足試驗要求時，打開振動臺功率放大器，并調(diào)節(jié)增益，進行振動試驗，如圖2所示。

2.2 試驗系統(tǒng)風(fēng)險辨識

如圖3所示，系統(tǒng)的主要風(fēng)險為低溫、高壓、失穩(wěn)墜落及噪聲傷害四點。風(fēng)險的主要來源為液氮貯存罐、穩(wěn)壓器、各種連接管路、連接法蘭盤、試驗件、高壓氣瓶、產(chǎn)品及設(shè)備安裝支撐系統(tǒng)及振動臺。

圖2 試驗系統(tǒng)

2.3 試驗系統(tǒng)風(fēng)險分析評估

2.3.1 風(fēng)險分析

液氮貯存罐風(fēng)險主要包括了外部環(huán)境影響、質(zhì)量影響及人為因素，見表1。

穩(wěn)壓器作為液氮加注時的回流貯存罐，與液氮貯存罐具有類似的特征。加注時，穩(wěn)壓器底部管道接口處液氮的滴落；高壓狀態(tài)下，穩(wěn)壓器上部各種閥門及接口的泄露，碎片沖擊。高壓氣瓶風(fēng)險主要包括運輸風(fēng)險、貯存風(fēng)險和使用風(fēng)險，見表2。

振動試驗設(shè)備風(fēng)險主要包括噪聲風(fēng)險、設(shè)備故障風(fēng)險，見表3。

連接管路風(fēng)險主要包括液氮泄露、碎片的爆炸沖擊，見表4。

試驗工位風(fēng)險主要包括搭建的固定支座的失穩(wěn)風(fēng)險，吊裝風(fēng)險，見表5。

2.3.2 風(fēng)險評估

1）人員窒息。主要原因是室內(nèi)封閉環(huán)境或通風(fēng)不順暢的情況下，由于液氮本身的揮發(fā)性使室內(nèi)空氣中氧氣含量急劇下降，進而造成試驗人員窒息，嚴(yán)重危害人員身心健康及生命安全。液氮噴射，主要因為液氮貯存容器泄露、連接管路發(fā)生斷裂、試驗管路裂紋及法蘭盤密封性能降低而發(fā)生。其影響范圍半徑約為0.8 m，對附近人員產(chǎn)生灼傷傷害，對儀器設(shè)備產(chǎn)生短路及低溫破壞。

2）高壓爆炸沖擊。產(chǎn)生的主要原因為：在加注系統(tǒng)或試驗管路局部應(yīng)力集中、強度降低；法蘭盤連接處密封性能下降使其局部壓力增加；液氮揮發(fā)較快，致使系統(tǒng)或管路內(nèi)壓力瞬間增高。其主要影響是沖擊波的二次傷害，包括碎片殘渣、緊固件等，對人員安全及設(shè)備安全造成極大的破壞。

3）溫度、壓力參數(shù)不可控。溫度及壓力是高壓低溫管路環(huán)境模擬真實度的重要參數(shù)。其產(chǎn)生的主要原因為：設(shè)備局部設(shè)計不合理；系統(tǒng)及管路的保溫措施不完善；溫度及壓力傳感器的布局不合理等。其主要影響是地面環(huán)境模擬試驗的精度下降，管路環(huán)境試驗過考核或欠考核，進而影響試驗有效性。

4）試驗進度延誤。其產(chǎn)生的主要原因為：原有設(shè)備的設(shè)計能力無法滿足高壓低溫管路的試驗需要，試驗過程中因加注設(shè)備的能力制約，導(dǎo)致試驗進度的不斷順延。影響研制任務(wù)。

2.4 試驗風(fēng)險應(yīng)對措施

試驗風(fēng)險應(yīng)對措施就是試驗項目管理人員通過風(fēng)險辨識、分析和評估，以此為基礎(chǔ)，合理地使用多種管理方法、技術(shù)和手段，對試驗項目所涉及的風(fēng)險 實行有效的控制。采取主動行動，創(chuàng)造條件，盡量擴大風(fēng)險事件的有利結(jié)果，妥善地處理風(fēng)險事件的不利后果，以最小的成本，保證安全、可靠地實現(xiàn)試驗項目，順利進行所采取的應(yīng)對措施。根據(jù)2.3節(jié)所述，在通過調(diào)研及技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，分別對風(fēng)險源進行了有效的應(yīng)對措施。

表1 液氮貯存罐風(fēng)險分析[6]

表2 高壓氣瓶風(fēng)險分析

表3 振動試驗設(shè)備風(fēng)險分析

表4 連接管路風(fēng)險分析

表5 試驗工位風(fēng)險分析

液氮貯存罐風(fēng)險應(yīng)對措施見表6。

表6 液氮貯存罐風(fēng)險應(yīng)對措施

穩(wěn)壓器的風(fēng)險應(yīng)對措施除表6所列外，操作人員在試驗操作時還必須佩戴安全防護服及安全帽；試驗前對穩(wěn)壓器系統(tǒng)檢查，及時更換密封墊，對安全閥進行緊固；對穩(wěn)壓器引出各種管路進行綁扎固定，防止甩出；對超高壓試驗時，人員應(yīng)撤離至安全區(qū)域內(nèi)。

高壓氣瓶風(fēng)險應(yīng)對措施見表7。

振動試驗設(shè)備風(fēng)險應(yīng)對措施見表8。

表8 振動試驗設(shè)備風(fēng)險應(yīng)對措施

連接管路風(fēng)險應(yīng)對措施見表9。

表9 連接管路風(fēng)險應(yīng)對措施

試驗工位風(fēng)險主要包括搭建的固定支座的失穩(wěn)風(fēng)險，吊裝風(fēng)險，見表10。

表10 試驗工位風(fēng)險分析

為確保試驗過程中人員的安全，試驗開始后，進 行清場，非操作人員不得進入試驗區(qū)域。劃定半徑為安全距離的危險區(qū)，系統(tǒng)增壓后，所有人員不得靠近液氮設(shè)備，不得進入危險區(qū)。人員操作時應(yīng)穿戴防護服，需要靠近管路時，佩戴頭盔，攜帶盾牌等。試驗中佩戴氧氣濃度檢測儀，保證試驗場地通風(fēng)順暢。

對于高壓爆炸沖擊的應(yīng)對措施，改進了工位的安全防護措施，設(shè)計了雙層防爆隔離網(wǎng)如圖4中虛線所框范圍。將存在低溫、高壓等風(fēng)險的試驗設(shè)備放置在隔離網(wǎng)中，可以有效降低爆炸沖擊以及低溫對于人員與其他設(shè)備的傷害[10]。

改進了低溫充壓設(shè)備，將低溫液體加注與充壓進行了分離，在試驗中減少了穩(wěn)壓器內(nèi)部壓力值，使穩(wěn)壓器附屬的電磁閥、壓力表、溫度表、連接管路等部件承受壓力值大大降低。將高壓氮氣瓶直接與試驗管路連接，并對其進行充壓，降低了發(fā)生高壓爆炸沖擊的風(fēng)險。

圖4為技術(shù)改造后的試驗系統(tǒng)。在進行管路液氮加注時，關(guān)閉低溫電磁閥V2和低溫電磁閥V1。當(dāng)管路及穩(wěn)壓器內(nèi)為滿液氮狀態(tài)時，關(guān)閉低溫截止閥V1與低溫截止閥V3，與此同時，打開低溫電磁閥V2與V1，通過高壓氣瓶對管路進行充壓。在轉(zhuǎn)接三通S1和S2處分別設(shè)置了溫度傳感器與壓力傳感器，實現(xiàn)對于系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

圖4 改進后的試驗系統(tǒng)

4 結(jié)語

文中在對常規(guī)復(fù)合環(huán)境下，管路振動試驗風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代運載火箭增壓管路環(huán)境模擬試驗對風(fēng)險管理在管路試驗項目中的應(yīng)用進行了研究，并依據(jù)了研究的成果進行了低溫高壓加注設(shè)備的改進，有效地規(guī)避了試驗項目的風(fēng)險，提升了試驗的安全性及有效性。因此可以認(rèn)為，風(fēng)險控制可以有效降低試驗中各種風(fēng)險的發(fā)生概率，包括風(fēng)險的辨識、分析及項目的風(fēng)險管理，不僅可以對人員、設(shè)備及產(chǎn)品的安全性提供更可靠的保障，也可以提升環(huán)境模擬試驗的效率。