李金全 田 鑫 吳一川 王 碩 王 偉

2020年航天工藝信息網(wǎng)技術(shù)交流會專欄

大直徑不銹鋼波紋管成型工藝及性能分析研究

李金全 田 鑫 吳一川 王 碩 王 偉

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

針對重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)管路的應(yīng)用需求，開展了大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝研究，突破了通徑470mm且單層壁厚為1.3mm的雙層大直徑不銹鋼波紋管的精密成型技術(shù)，成型精度及性能滿足重型運載火箭的服役工況。大直徑不銹鋼波紋管在2.25MPa和1.5MPa條件下分別開展液壓強度試驗和氣密試驗并保壓5min，均未出現(xiàn)波紋管的失穩(wěn)以及泄漏情況；通過液氮浸泡進行低溫冷沖擊試驗，波紋管未出現(xiàn)開裂和變形等異常現(xiàn)象；通過壓縮10mm的方式測試波紋管的機械剛度，剛度值達(dá)到630N/mm；內(nèi)部充液壓1.5MPa并進行拉伸60mm的位移疲勞試驗，經(jīng)300次循環(huán)后未出現(xiàn)失穩(wěn)，且氣密檢查未出現(xiàn)泄漏，極限拉伸至120mm時才開始出現(xiàn)端波的平面失穩(wěn)。

大直徑波紋管；成型精度；位移疲勞試驗；重型運載火箭

1 引言

運載火箭的運載能力是一個國家開發(fā)外太空能力的重要體現(xiàn)，對推動航天技術(shù)及其附屬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著重要的作用，也推動著太空活動向縱深方向發(fā)展。為了滿足我國載人登月和深空探測等重大航天任務(wù)的需求，我國將立足航天活動需求，開展重型運載火箭的研制，達(dá)到近地軌道LEO為140t而地月轉(zhuǎn)移軌道LTO為50t的運載能力。重型運載火箭是我國建設(shè)航天強國的重要標(biāo)志，是實現(xiàn)“兩個一百年”發(fā)展目標(biāo)中的重大科技創(chuàng)新活動，也可能是我國化學(xué)推進最大能力的終極火箭型號。

為了實現(xiàn)重型運載火箭的大推力升空，發(fā)動機對氧化劑和燃燒劑的需求量將顯著增大，向發(fā)動機提供推進劑的輸送管通徑也將顯著增大。據(jù)初步估算，輸送管的通徑將達(dá)到470mm。在運載火箭增壓輸送管路系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)管路在安裝過程中的安裝補償以及在服役過程中的應(yīng)力補償，通常需要采用波紋管補償器。因此，在重型運載火箭中對直徑達(dá)到470mm的大直徑波紋管提出了明確的需求。對于波紋管補償器，其波形的成型精度直接決定了其補償能力以及疲勞性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)，需要開展大直徑波紋管的成型工藝研究。

本文針對重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)對直徑達(dá)到470mm的大直徑波紋管的需求，開展大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝研究，確定大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝方案，測試并分析大直徑不銹鋼波紋管的性能，為重型運載火箭的增壓輸送系統(tǒng)提供合理而有效的補償技術(shù)方案。

2 大直徑不銹鋼波紋管的結(jié)構(gòu)特征及性能要求

根據(jù)重型運載火箭要實現(xiàn)大推力的目標(biāo)對推進劑流量的需求，輸送管路的直徑將達(dá)到470mm，實現(xiàn)其裝配補償和服役應(yīng)力補償?shù)难a償器波紋管的通徑也將達(dá)到470mm。圖1所示是重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)所需的大直徑不銹鋼波紋管。波紋管的材料為不銹鋼06Cr17Ni12Mo2（固溶-BA-PT，GB/T3280—2007），抗拉強度達(dá)到646MPa，斷后伸長率達(dá)到42.5%。波紋管為雙層波紋管，其具體尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)所需的大直徑不銹鋼波紋管

表1 重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)所需大直徑不銹鋼波紋管的尺寸特征

為了滿足重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)對補償器波紋管的安裝補償和應(yīng)力補償?shù)男枨?，在滿足波紋管成型精度后，需要開展液壓強度試驗、氣密試驗、液氮冷沖擊試驗、機械剛度測試、位移疲勞試驗，以及極限拉伸性能的考核。

3 大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝研究

3.1 大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝方法

針對大直徑的波紋管，主要的成型方法包括：液壓成型法、滾壓成型法和機械脹型法三種。其中，液壓成型法是波紋管多波同步整體成型，具有成型精度高以及周向成型受力均勻等特點；滾壓成型法是通過滾壓輪以單波逐波連續(xù)滾壓實現(xiàn)波紋管成型，具有局部成型的工藝特點，波形一致性控制難度大且波距控制精度較差；機械脹型法是通過錐形軸旋轉(zhuǎn)并進給以擠壓分瓣式的成型模具使其外脹實現(xiàn)波紋管成型，以單波逐波連續(xù)脹型的方式完成，存在波距控制精度較差且波形尺寸較差等特點，尤其是分瓣式模具的開合位置處在外脹的過程中，將形成直線段而非圓弧的波形。在航天飛行器增壓輸送系統(tǒng)管路中，補償用的波紋管除了性能滿足工況需求以外，對波紋管波形尺寸成型精度要求也較高。因此，在本文大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝研究過程中，選用內(nèi)部充壓且多波同步整體成型的液壓成型法。

在波紋管的成型過程中，外部通過液壓機為波紋管成型提供軸向壓力，內(nèi)部通過液壓泵為波紋管成型提供成型壓力。如圖2所示，當(dāng)液壓機下行時，管坯內(nèi)的液壓壓力逐漸增大，同步對管坯內(nèi)部進行泄壓以保持管坯腔內(nèi)處于恒定的成型壓力，實現(xiàn)波紋管波形的成型和保持。外部壓力機下壓下行的速度以及內(nèi)部充壓的液壓壓力是影響波紋管成型精度的關(guān)鍵參數(shù)。并且，要實現(xiàn)內(nèi)部充液壓，波紋管管坯端部的密封也是關(guān)鍵。對于中小直徑且波距較大、波高較小的波紋管，通常采用橡皮囊置于管坯內(nèi)部并向橡皮囊充液壓的方式實現(xiàn)內(nèi)部成型壓力的充壓；然而，對于大直徑且波高較高的厚壁波紋管，橡皮囊無法承受較大成型壓力的加載過程，容易出現(xiàn)破裂等問題。因此，在波紋管管坯的兩端焊接堵蓋實現(xiàn)可靠密封，保證內(nèi)部充壓達(dá)到精確成型所需的成型壓力。同時，為了避免雙層波紋管管坯層間殘留空氣因擠壓而導(dǎo)致管坯破壞，實現(xiàn)雙層管坯在成型過程中的完全貼合，在外層管坯靠近端部位置鉆3.0mm的排氣孔。

圖2 波紋管采用內(nèi)部充壓的液壓成型法成型時的壓力時序圖

3.2 大直徑不銹鋼波紋管成型模具的設(shè)計

波紋管成型模具是波紋管成型的基礎(chǔ)，通過模具尺寸保證波紋管的波形尺寸。在模具設(shè)計過程中需要考慮成型尺寸的精度、模具自身的剛度和強度，以及不銹鋼材料在成型過程中的回彈等問題。最終，實現(xiàn)大直徑不銹鋼波紋管的穩(wěn)定成型并保證波紋管的波形尺寸。從圖3中可以看出，大直徑不銹鋼波紋管的成型模具主要包括蓋板組件、下底板、上直邊模片、下直邊模片、中間模片、成型墊塊和導(dǎo)向柱等部分。中間模片等成型組件采用45#鋼，淬火至HRC35-38；導(dǎo)向柱等對摩擦磨損性能要求較高的組件采用40Cr，進行滲氮處理；連接件等對強度要求比較高的組成結(jié)構(gòu)采用35CrMo，調(diào)質(zhì)處理至HB226～269。在波紋管成型過程中，蓋板組件和下底板為壓力機下壓時提供穩(wěn)定的軸向均布力，實現(xiàn)在整個圓周方向波形成型的均勻性；上、下直邊模片是保證波紋管成型后兩端直邊段的外徑尺寸以及直邊段到端波的過渡角；中間模片是決定波紋管成型后的波形和波距的關(guān)鍵因素，波紋管的波距與中間模片的厚度以及成型后的回彈有關(guān)，波峰值與中間模片臺階寬度以及成型后的回彈有關(guān)，也與成型壓力有關(guān)，波谷值與中間模片的值以及成型后的回彈有關(guān)；波紋管的波外徑與成型墊塊的高度以及成型壓力有關(guān)，調(diào)整墊塊的高度可以調(diào)整波紋管波形的展開料以實現(xiàn)對波高的調(diào)整；導(dǎo)向桿確保波紋管成型的外部軸向壓力均衡且沿軸向，保證波紋管端面與軸線垂直、不歪斜。

圖3 大直徑不銹鋼波紋管的成型模具

3.3 大直徑不銹鋼波紋管成型尺寸精度控制

對于多層波紋管，應(yīng)在成型過程中實現(xiàn)層間完全貼合，既有利于波紋管的成型又有利于波紋管成型后的服役性能。然而，管坯間隙過小則容易在管坯套合過程中造成管壁損傷。不銹鋼波紋管的通徑為470mm，管坯單層壁厚為1.3mm，直邊段外徑為475.2mm，以內(nèi)外層管坯的中間厚度處直徑計算內(nèi)外層管坯的展開料。預(yù)留兩層間的間隙為0.5mm并考慮管坯縱向焊縫的焊接收縮，計算獲得內(nèi)、外層管坯的展開料寬度分別為(1477±0.5)mm和(1489±0.5)mm，為波紋管成型后直徑的控制奠定了基礎(chǔ)。

波紋管的波形尺寸是決定波紋管補償能力和機械性能的關(guān)鍵參數(shù)，通過單波的軸向展開料以及成型過程中的成型壓力和保壓時間，最終確保波紋管的波形尺寸。根據(jù)波紋管的波高37.4mm、波峰為10.05mm以及波谷為7.45mm，同時考慮波形成型過程中發(fā)生的塑性變形，波紋管的單波展開長度為91.6mm，成型墊塊的高度為61.5～66.5mm。經(jīng)過成型工藝的摸索試驗，以波紋管的波形外徑以及波峰、波谷值為控制目標(biāo)，優(yōu)化調(diào)整成型墊塊的高度為64.8mm。在大直徑不銹鋼波紋管的成型過程中，確定波紋管成型的單波展開料以及對應(yīng)的成型墊塊高度后，波紋管成型的內(nèi)部充壓壓力和中間停留保壓時間是影響波紋管成型尺寸精度的關(guān)鍵工藝參數(shù)。通過波紋管成型工藝參數(shù)的優(yōu)化，確定成型過程分三階段進行，對應(yīng)的成型墊塊高度分別是64.8mm、40mm和24.8mm，并且在壓力機下行壓縮至成型墊塊高度時停留保壓10min。其中，墊塊高度為64.8mm時為初波成型階段，初波成型時的內(nèi)部壓力為7.5MPa，以確保成型膜片與管坯緊密貼合并發(fā)生向外的塑性變形而形成初始波，防止中間膜片在后續(xù)發(fā)生軸向滑動，實現(xiàn)對波紋管波距的精確控制；墊塊高度為40mm和24.8mm時，均采用波紋管終成型壓力10.0MPa。圖4是大直徑不銹鋼波紋管采用內(nèi)部充壓的液壓成型法的成型過程及成型后的波紋管產(chǎn)品。表1是大直徑不銹鋼波紋管成型后的主要波形尺寸的測量結(jié)果。按照GB/T12777—2008《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》中的規(guī)定，U形波紋管波峰、波谷值的極限偏差應(yīng)不超過±15%，線性尺寸按照自由公差，波紋管成型后的尺寸精度滿足規(guī)定范圍。

圖4 大直徑不銹鋼波紋管內(nèi)部充壓的液壓成型法的成型過程及成型后的波紋管產(chǎn)品

表1 大直徑不銹鋼波紋管成型后的主要波形尺寸測量結(jié)果 mm

3.4 大直徑不銹鋼波紋管的管坯成型變形

根據(jù)Q/Dy89—2010《彈（箭）體波紋管制造驗收技術(shù)條件》和GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》中的規(guī)定，對雙層大直徑不銹鋼波紋管沿軸向剖切，波紋管的兩層管坯在端部直線段、波峰、波側(cè)壁及波谷等部位均實現(xiàn)了良好的貼合，并且內(nèi)層管坯外壁和外層管坯內(nèi)壁都未出現(xiàn)因成型過程中的相對滑移而產(chǎn)生的表面劃傷等缺陷。同時，測量沿軸向剖切的截面上不同部位的波紋管管坯壁厚，確定在成型過程中的管坯變形情況。從圖5可以看出，波峰位置處的管坯成型減薄量最大，外層管坯壁厚由1.30mm減薄至1.20mm，內(nèi)層管坯壁厚由1.30mm減薄至1.21mm；波谷位置處的管坯成型減薄量次之，外層管坯壁厚由1.30mm減薄至1.28mm，內(nèi)層管坯壁厚由1.30mm減薄至1.29mm；波紋管端部直線段以及波側(cè)壁，管坯壁厚基本不減薄。

圖5 大直徑不銹鋼波紋管成型后管坯不同部位的厚度

針對波紋管的波峰、波谷、波側(cè)壁以及端部直線段等不同部位，測試顯微硬度（維氏硬度），加載載荷200gf，加載保持時間10s，每個部位選取5個測點測試。從圖6中可以看出，相對于端部直線段的顯微硬度（平均值為189Hv），波紋管的波峰、波谷及波側(cè)壁處的顯微硬度值都出現(xiàn)了明顯的增大。其中，波峰處的顯微硬度值最大（平均值達(dá)到279Hv），波谷處的顯微硬度值次之（平均值達(dá)到211Hv）。在波紋管的成型過程中，波峰、波谷及波側(cè)壁均發(fā)生了明顯的塑性變形；波峰處的壁厚減薄量最大，發(fā)生的塑性變形最大，材料發(fā)生顯著的形變強化，從而導(dǎo)致波峰處的顯微硬度增大也最顯著，形成良好的對應(yīng)關(guān)系。

圖6 大直徑不銹鋼波紋管成型后管坯不同部位的顯微硬度

4 大直徑不銹鋼波紋管的性能考核與分析

為了滿足重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)管路對補償器波紋管的安裝補償能力和服役應(yīng)力補償能力，需要開展波紋管的液壓強度試驗、氣密試驗、液氮冷沖擊試驗、機械剛度測試以及位移疲勞試驗和極限拉伸試驗等試驗項目考核。

4.1 大直徑不銹鋼波紋管液壓強度及氣密試驗考核

圖7是大直徑不銹鋼波紋管的液壓強度試驗和氣密試驗過程。通過液壓機下行至與波紋管的端部接觸，對波紋管進行限位使其保持在自由長度，在波紋管內(nèi)部緩慢充液壓至2.25MPa并保壓5min，未發(fā)生泄漏和失穩(wěn)現(xiàn)象，液壓試驗系統(tǒng)的壓力表也未出現(xiàn)壓降。泄壓后測量波紋管的波距，在不同位置處測量波距均未出現(xiàn)超過1.0mm的殘余變形。將波紋管烘干，通過液壓機下行至與波紋管的端部接觸，對波紋管進行限位使其保持在自由長度，在波紋管內(nèi)部緩慢充氣壓至1.5MPa并保壓5min，未發(fā)生泄漏和失穩(wěn)現(xiàn)象，氣密試驗系統(tǒng)的壓力表也未出現(xiàn)壓降。由此可見，大直徑不銹鋼波紋管滿足設(shè)計指標(biāo)中關(guān)于液壓強度和氣密性試驗的考核要求。

圖7 大直徑不銹鋼波紋管的液壓強度試驗和氣密試驗過程

4.2 大直徑不銹鋼波紋管的低溫冷沖擊試驗考核

將大直徑不銹鋼波紋管浸入液氮槽，保持液面高于波紋管的條件浸泡10min，使波紋管充分冷卻；然后，取出波紋管并將其恢復(fù)至室溫，再重新浸入液氮槽并保持液面高于波紋管的條件浸泡10min。將經(jīng)過兩次浸泡液氮的波紋管按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲透檢測》的要求對波紋管表面進行著色檢查。從圖8中的試驗過程及波紋管的表面狀態(tài)可以看出，波紋管外觀無變形且未出現(xiàn)表面裂紋等其他異?，F(xiàn)象，表面著色檢查的結(jié)果達(dá)到Ⅰ級的性能要求，靈敏度等級為C級。

圖8 大直徑不銹鋼波紋管的液氮冷沖擊試驗及其在試驗后進行著色檢查的過程

4.3 大直徑不銹鋼波紋管的機械剛度測試與分析

根據(jù)Q/Dy89—2010《彈（箭）體波紋管制造驗收技術(shù)條件》和GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》的規(guī)定，開展波紋管的機械剛度的測試，獲取波紋管的機械剛度值，判斷其補償能力。將波紋管放置于剛度試驗機的測量平臺上，上端放置壓盤，預(yù)測試（壓縮2mm后恢復(fù)至初始狀態(tài)）一次后再進行正式測試。在試驗過程中，均勻加載，避免波紋管出現(xiàn)平面或柱狀的失穩(wěn)現(xiàn)象。將波紋管緩慢壓縮10mm，記錄測試過程中的載荷值、位移值和時間。圖9是大直徑不銹鋼波紋管的機械剛度試驗過程及“位移-載荷”關(guān)系圖。根據(jù)擬合計算，大直徑不銹鋼波紋管的擬合剛度值為630N/mm，滿足設(shè)計提出的剛度值要求。并且，根據(jù)重型運載火箭初步的貯箱壓力和液柱壓力計算，在該機械剛度的條件下波紋管將產(chǎn)生30mm的伸長量。

圖9 大直徑不銹鋼波紋管的剛度試驗

4.4 大直徑不銹鋼波紋管的位移疲勞性能考核

根據(jù)Q/Dy89—2010《彈（箭）體波紋管制造驗收技術(shù)條件》和GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》的規(guī)定，開展大直徑不銹鋼波紋管的位移疲勞試驗，考核其在室溫條件下加載至工作壓力后的位移疲勞性能。為了實現(xiàn)波紋管內(nèi)部容腔體積不變、內(nèi)部充壓壓力值不變，采用2個波紋管組對的方式進行位移疲勞試驗。圖10是大直徑不銹鋼波紋管組對進行位移疲勞試驗的過程。將2件波紋管對接并安裝在專用位移疲勞試驗工裝上，初始狀態(tài)是下波紋管為自由長度狀態(tài)而上波紋管為拉伸60mm的狀態(tài)，當(dāng)位移疲勞試驗工裝的中間板向上運動60mm時，則為上波紋管處于自由長度狀態(tài)而下波紋管為拉伸60mm的狀態(tài)。對波紋管的內(nèi)部緩慢充液壓至1.5MPa，并且設(shè)定位移循環(huán)速率小于25mm/s。在位移疲勞試驗過程中，每進行50次位移循環(huán)后暫停試驗，并采用皂泡法及壓力表壓降情況檢查波紋管的氣密性，未發(fā)生泄漏再繼續(xù)進行位移疲勞試驗。經(jīng)過300次循環(huán)的位移疲勞試驗，大直徑不銹鋼波紋管未出現(xiàn)異常變形，氣密性檢查也未出現(xiàn)泄漏。為了進一步考核大直徑不銹鋼波紋管的極限拉伸性能，繼續(xù)緩慢拉伸以增大波紋管的拉伸位移量，當(dāng)波紋管拉伸至120mm位移時，波紋管的端波開始發(fā)生平面失穩(wěn)。由此可見，大直徑不銹鋼波紋管的補充能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實際需求的約30mm的補償量。

圖10 大直徑不銹鋼波紋管組對位移疲勞試驗

5 結(jié)束語

為了滿足重型運載火箭的大直徑輸送管路對大直徑波紋管的需求，本文開展了大直徑不銹鋼波紋管的成型工藝研究并且針對服役工況條件開展了性能測試與分析。通過大直徑波紋管成型模具的設(shè)計以及成型工藝的優(yōu)化，突破了通徑達(dá)到470mm且單層壁厚為1.3mm的雙層大直徑厚壁高剛度不銹鋼波紋管的精密成型技術(shù)，波紋管成型精度滿足設(shè)計指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的要求。并且，通過液壓強度試驗、氣密試驗、液氮冷沖擊試驗、機械剛度測試以及位移疲勞試驗等試驗項目的性能考核，大直徑不銹鋼波紋管均滿足型號應(yīng)用的需求。同時，對波紋管進行極限位移拉伸試驗，內(nèi)部充壓至工作壓力且拉伸量達(dá)到120mm才出現(xiàn)端波的平面失穩(wěn)，具有良好的補償性能。因此，通過本文的研究，掌握了大直徑厚壁高剛度的不銹鋼波紋管的成型工藝技術(shù)，無論波紋管的成型精度還是性能指標(biāo)均滿足重型運載火箭增壓輸送系統(tǒng)管路產(chǎn)品對于補償能力的需求。

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Research on Forming Processes and Mechanical Performance of Large-diameter Stainless Steel Bellows

Li Jinquan Tian Xin Wu Yichuan Wang Shuo Wang Wei

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

To meet the application requirement of pipes in the pressurization and delivering system of the heavy-lift launch vehicle, the forming processes of large-diameter stainless steel bellows were conducted in this paper. The precise forming technology of double-layer large-diameter stainless steel bellows with an inner diameter470mm and a single-layer thickness 1.3mm was broken through. Meanwhile, both the forming precision and its mechanical performance could meet the service conditions of the heavy-lift launch vehicle. As for the large-diameter stainless steel bellow, the hydraulic strength test of 2.25MPa and the gas leakage test of 1.5MPa were carried out respectively with a pressure-holding time 5min, and there was no instability or leakage phenomenon. The cold-impingement testing at cryogenic temperature was also carried out through the liquid nitrogen immersion, there was no abnormal phenomena such as cracking and deformation found on the bellow. The mechanical stiffness of the bellow was also tested through a compression process of 10mm, the mechanical stiffness value reached 630N/mm. The displacement fatigue test was carried out under the condition of an inner hydraulic pressure 1.5MPa and a tensile displacement 60mm. There was no instability after a test of 300 cycles and also no leakage during the gas leakage test, and the plane instability began to appear on the end wave when the bellow was ultimately stretched to an elongation of 120mm.

large-diameter bellows；forming precision；displacement fatigue test；heavy-lift launch vehicle

李金全（1984），高級工程師，焊接專業(yè)；研究方向：導(dǎo)管產(chǎn)品自動化焊接技術(shù)、導(dǎo)管柔性制造技術(shù)，以及導(dǎo)管三維數(shù)字化制造技術(shù)。

2020-11-30