Веденеев В.В., Куцый Л.К., Жировов Е.В, Кобзев В.А., Сметанин К.В.,

АО «Криогенмонтаж»,

Староваганьковский пер., дом 23 стр.1

 

В данной статье приводится опыт проведения вакуумных работ на объекте ракетно-космического комплекса «Ангара» космодрома Плесецк, Архангельской области.

В условиях открытой монтажной площадки (температура окружающего воздуха от +35ºС до -45ºС) успешно проведены работы по испытаниям и вакуумированию уникального криогенного резервуара типа РС – 1400/0,4 для жидкого кислорода полезным объемом 1437м³, рабочим давлением 0,55МПа (5,5кг/см²), массой хранимого жидкого кислорода – 1480тн (1,48∙10⁶ кг). Рабочая температура жидкого кислорода – минус 183⁰С . Потери от испарения при хранении не более – 33 кг/ч (для жидкого кислорода). Объём вакуумной теплоизоляционной полости – 700 м³. Давление (вакуум) в теплоизоляционной полости перед заполнением резервуара жидким продуктом не более   1,33·10^-1 Па (1∙10^-3мм.рт.ст.)

9 июля 2014 года в 16 часов 00 минут успешно произведён первый пуск ракеты космического назначения «Ангара 1.2 ПП» с площадки № 35 космодрома Плесецк, Архангельской области. Спустя 21 минуту после старта неотделяемый габаритно – массовый макет полезной нагрузки со второй ступенью достиг заданного района полигона «Кура» на полуострове Камчатка на расстоянии 5700 км от места старта.

В качестве одного из компонентов ракетного топлива использовался жидкий кислород.

АО «Криогенмонтаж» смонтировало и пустило в эксплуатацию систему заправки ракетоносителя «Ангара» жидким кислородом, которая включает в себя:

1. Резервуар для хранения и выдачи жидкого кислорода РС-1400/0,4

Технические характеристики резервуара РС-1400/0,4 [1]:

1) Номинальная вместимость – 1437м³

2) Рабочее давление — 5,5кгс/см²

3) Масса хранимого жидкого кислорода — не более 1480тн.

4) Рабочая температура жидкого кислорода – минус 183ºС

5) Потери от испарения при хранении — не более 33 кг/ч

6) Объем вакуумной теплоизоляционной полости – 700м³

7) Диаметры:

— наружного кожуха – 16 м

— внутреннего сосуда — 14 м

8) Материалы:

— наружный кожух — углеродистая сталь;

— внутренний сосуд — нержавеющая сталь.

1. Система криогенных трубопроводов различного диаметра с запорной арматурой общей протяженностью 1200 пм.

Резервуар РС – 1400/0,4 (внутренний сосуд и наружный кожух) изготавливается на монтажной площадке из заводских элементов, так называемых «лепестков».  По окончании изготовления и сборки резервуара проводились его испытания в следующей последовательности:

1) Внутренний сосуд испытывался на прочность пробным давлением 0,84МПа (8,4 кгс/см²) с контролем его технического состояния методом акустической эмиссии, при котором сосуд проверялся на наличие развивающихся дефектов.    При выполнении работ использовалась 12-ти канальная система акустико-эмиссионного контроля «Малахит АС-15А».

Для обработки результатов акустико-эмиссионного контроля использовался уникальный специализированный комплексный программный пакет «БУРЯ», в котором заключен многолетний опыт испытания промышленных объектов. Алгоритм программы обеспечивает корреляционную обработку зарегистрированных акустико-эмиссионных сигналов, их необходимую фильтрацию (параметрическую или графическую). Программные приложения способны обнаружить и отфильтровать как случайные, так и периодические электромагнитные помехи (в том числе от сварки и от линий электропередач). Приведение амплитуды зарегистрированных акустико-эмиссионных сигналов к источнику излучения производится с учетом функции затухания сигналов при их распространении. Автоматически определяются координаты выделенных кластеров и их числовые характеристики. Формируется таблица параметров акустико-эмиссионных сигналов вошедших в кластер и таблицы общего числа сигналов, сформировавших каждое событие, что даёт возможность судить о достоверности полученных результатов и алгоритма вычислений.      При измерениях производилась запись форм волны, что позволяло при необходимости уточнять истинное место нахождения источника. В нашем случае это позволяло выяснить находится ли источник акустической эмиссии на поверхности сферы (внутренний сосуд) или сигналы идут со стороны фундамента и через опоры, как по волноводу, достигая поверхности сферы.

В процессе акустико-эмиссионных испытаний сосуда внутреннего резервуара сферического РС-1400/0,4 давлением 0,84 МПа (8,4 кгс/см²) источников акустической эмиссии активного типа, соответствующих развивающимся дефектам не выявлено.    Выявленные при локализации отдельные сигналы носили разрозненный характер и не были объединены в какой-нибудь малозначительный кластер, и соответственно, были отнесены к разряду пассивных источников акустической эмиссии.

На Рис. 1 представлен первый этап проведённых работ, а именно, вид функции затухания амплитуды акустико-эмиссионного сигнала при распространении и способ определения предельно допустимого расстояния между датчиками в локационной схеме. На рис.2.   представлена схема расстановки 12-ти преобразователей акустической эмиссии на поверхности объекта контроля. Результаты локализации источников акустической эмиссии на последнем этапе измерений, при выдержке на пробном давлении 0,84МПа (8,4 кгс/см²), представлены на рис. 3-7.

Рис. 1  Вид функции затухания амплитуды акустико-эмиссионного сигнала  при распространении в материале объекта и определение предельно допустимого расстояния между датчиками при объединении их в локационную схему

Рис. 2  Схема расстановки 12-ти  преобразвателей акустической эмиссии  на поверхности объекта контроля

Рис. 3  Карта локации №1

Рис. 4  Карта локации №2

Рис. 5  Карта локации №3

Рис. 6  Карта локации №4

Рис. 7  Карта локации. Вид сверху

 

2) Испытания на герметичность 100% сварных швов внутреннего сосуда, выполненных ручной сваркой, способом накопления в атмосферном чехле при давлении 0,65МПа (6,5 кгс/см²)  1% гелиево-воздушной смеси во внутреннем сосуде.

При испытаниях подобных крупных объектов нашей организацией впервые использовался криоадсорбционный насос НКС-50 [2], применение которого в качестве дополнительной приставки к гелиевому течеискателю ТИ-1-22 позволило повысить чувствительность испытаний на полтора-два порядка, и соответственно, снизило концентрацию гелия в гелиево-воздушной смеси при проведении испытаний с 5-10% до 1%.

Порог чувствительности испытаний не более 1,33∙10^-7 м3·Па/с (1∙10^-3л ·мкм рт ст/с).

На Рис. 8 представлен эскиз криоадсорбционного насоса НКС-50

Рис. 8 Криоадсорбционный насос НКС-50

1- корпус; 2 — подсоединительные  патрубки;  3 — резервуар для криогенной жидкости;4 — экваториальное ребро; 5 — пористый экран; 6 — адсорбент

 

Основные данные криоадсорбционного насоса НКС-50:

Диапазон рабочих давлений, Па…………………..1·10¹÷5·10^-4

Быстрота действия в рабочем диапазоне давлений, м³/с:

по азоту……………………………………………………….5,6·10^-2

по кислороду……………………………………………….. 4,3·10^-2

по аргону………………………………………………………4,0·10^-2

Адсорбент…………………..   …Цеолит CaEH-4B; уголь СКТ-4

Хладагет…………………………………….. ………..Жидкий азот

Габаритные размеры, мм…………….   …………..300х400х300

Масса, кг……………………………………………………………..8

 

3) После заварки люка – лаза кожух резервуара испытывался способом обдува гелием при одновременной откачке теплоизоляционной полости резервуара. Локальное натекание (зарегистрированный сигнал от течи) не допускается. Порог чувствительности испытаний   не более 1,33∙10^-7 м3·Па/с (1∙10^-3л ·мкм рт ст/с).

4) Испытания внутреннего сосуда в комплексе способом вакуумной камеры при давлении 0,65МПа (6,5 кгс/см²) во внутреннем сосуде 1 % гелиево-воздушной смеси с применением в качестве приставки к течеискателю ТИ-1-22 криоадсорбционного насоса НКС-50 . Порог чувствительности испытаний   (допустимая утечка)     не более 1,33∙10^-7 м3·Па/с (1∙10^-3л ·мкм рт ст/с).

5) После срезания заглушки люка-газа и нанесения изоляции на поверхность и опоры внутреннего сосуда (теплоизоляционные маты – комбинация прокладок из стеклобумаги БМД-К по ТУ-6-11-529 и экранов из металлизированной пленки ТМ-2 по ТУ304-10-007) и последующей заварки люка лаза теплоизоляционная полость вакуумировалась и обезгаживалась.

Контроль качества обезгаживания производился манометрическим методом. Суммарный газовый поток не превышал величину 1∙10^-3 м³· Па/с (8л мкм рт ст/с) при применении вымораживающей ловушки перед манометрическим преобразователем.

При проведении работ по вакуумированию такого объема теплоизоляционной полости на начальном этапе («срыв атмосферы» ) нашей организацией впервые применялись безмасляные мембранные вакуумные насосы типа НВМ-20 (использовались перед включением механического насоса НВЗ-90), которые очень хорошо зарекомендовали на проведении данного этапа работ.   Мембранные вакуумные насосы типа НВМ-20, являются совершенно сухими, обеспечивают чистоту получаемого вакуума на первоначальном этапе, предельно просты в эксплуатации.  Применение вышеуказанных насосов позволило в полной мере соблюсти технологию вакуумирования теплоизоляционной полости криогенного резервуара РС-1400/0,4 с нанесенной изоляцией по скорости ее откачки не допуская срыва изоляции, а также  позволило, на данном этапе, ускорить работу, не допуская попадание паров воды при откачке теплоизоляционной полости в механический насос НВЗ-90.

Принципиальная схема мобильного вакуумного стенда для испытаний и вакуумирования криогенного резервуара РС-1400/0,4 приведена на рис.9. Условные обозначения согласно [3].   Cтенд был изготовлен и смонтирован в стандартном 20-ти футовом морском контейнере.

Рис. 9. Принципиальная схема мобильного вакуумного стенда

На рис. 10-12 приведены фотографии системы хранения жидкого кислорода на базе резервуара      РС-1400/0,4.

Рис.10                                                        Рис.11

Рис.12

В результате проведённой работы опробована технология вакуумных испытаний и вакуумирования криогенного резервуара РС-1400/0,4 в суровых условиях космодрома Плесецк, Архангельской области.

Система заправки жидким кислородом ракетно-космического комплекса принята в эксплуатацию и успешно показала себя при двух первых пусках легкой и тяжелой ракет космического назначения «Ангара» в 2014 году.

Список литературы:

1. ТУ 26-04-639-85 Резервуары сферические.
2. Описание на криоадсорбционный насос НКС-50
3. Вакуумная техника. Справочник. Под общей редакцией К. Е. Демихова,                         Ю. В. Панфилова. М., Машиностроение, 2009.