充放气速率对膜片阀膜片开裂的影响分析

刘文博，韩世涛，肖远，吴勇，王经东，孙鑫

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

膜片阀广泛应用于某型号增压输送系统中，对预包装的推进剂进行封存隔离，具有结构简单、质量轻、成本低的特点。当介质压力超过膜片阀膜片破裂压力时，膜片沿刻痕破裂，破裂的膜片在介质压力的作用下迅速贴壁，保证流道畅通。膜片阀进出口压差是膜片最关键的性能指标，通常设计时都有严格的压差要求，以防止其在地面测试及工作过程中膜片发生开裂。在某增压输送系统地面气密测试过程中，由于膜片阀一侧安装有限流孔板，限流孔板的作用是产生流阻，限制气体流量，在膜片阀两端同时充、放气时，在限流孔板两侧会产生压差，且该管路系统容积很小，配气台手动操作易造成系统内压升不易控制，在压升过快时，有孔板一侧的管路压力比无孔板一侧管路压力上升速度慢，从而在膜片阀两侧形成压差。充、放气过程中若不控制充气速率，易造成膜片阀膜片的开裂。本文根据某型号增压输送系统膜片阀膜片开裂进行了原因分析，通过试验研究，针对本系统地面气密测试过程中的充、放气速率对膜片阀的影响分析，验证了控制充、放气速率的可行性和有效性。

1 膜片阀技术状态

本文以某型号增压输送系统所使用的膜片阀膜片开裂为例。该膜片阀入口端与气瓶连通，出口端与贮箱连通。但出口端与贮箱之间安装一限流孔板，气体依次通过膜片阀、限流孔板进入贮箱，此时，限流孔板的作用是控制进入贮箱的气体速度。在地面气密试验时，膜片阀两侧是同时充气，此时限流孔板控制了膜片阀下游的进气速度。

2 膜片阀膜片开裂原因分析

2.1 宏观外貌

在该增压输送系统膜片阀漏气现象出现后，膜片阀分解下箭，内窥检查发现膜片已完全正向打开，分解检查，目视可见膜片开裂部位一致，在整个刻痕处发生开裂，开裂部位翻转90°，断面形态呈亮灰色，未见腐蚀痕迹或材料缺陷存在，整个膜片表面均未见腐蚀或机械损伤痕迹存在，可见明显塑性变形痕迹。见图1 所示。

图1 膜片阀膜片开裂宏观外貌

2.2 微观外貌

将膜片断口置于扫描电镜下进行微观观察，未见材料缺陷存在，源区位于刻痕背向一侧表面中部区域（弧长约1 ～1.5mm 范围），为线源起裂，源区断面厚度约为20μm，断面呈V型，呈剪切韧窝形貌。断面其他区域（扩展区）均呈45°斜断口，断面厚度约为40μm，呈剪切韧窝形貌。见图2 所示。

图2 膜片阀膜片开裂微观外貌

对膜片材料进行能谱成分分析，主要含有Fe、Cr、Ni、Mn、Si 及Ti 元素，主合金元素及含量与该膜片材料牌号1Cr18Ni9Ti 基本相符。

2.3 气密测试过程分析

在增压管路系统中，膜片阀出口端与贮箱之间安装有限流孔板，限流孔板的作用是产生流阻，限制气体流量，在限流孔板两侧会产生压差。在地面气密测试时，膜片阀两侧是同时充气，此时，限流孔板控制了膜片阀出口端的进气速度。且膜片阀两端管路容积较小。在进行高压气密测试时，地面配气台在充气过程中操作者手动转动开关，调节充放气速率。由于管路系统容积很小，手动操作易造成系统内压升不易控制，在压升过快时，有孔板的管路压力比无孔板的管路压力上升速度慢，从而在膜片阀两侧形成较大压差。通过宏观、微观外貌及系统充放气过程分析，该膜片是在激光刻蚀削弱槽处发生一次性塑性开裂，断面未见材料缺陷存在，为地面气密测试充放气过程中没有有效控制充放气速率，使膜片阀入口端和出口端形成较大压差，超过设计极限造成膜片阀膜片开裂。

3 充放气速率对膜片阀影响试验分析

根据本增压系统连接特点，制定了充气速率和放气速率对膜片阀出入口两端的压力差的影响的试验方案，继而验证合适的充放气速率参数。试验系统中，模拟膜片阀上游及下游管路，模拟管路通径和长度与箭上相同。模拟地面配气台至箭上充气管路，地面非金属软管通径和长度，与正式使用状态保持一致，采用压力传感器采集膜片阀入口压力P1，膜片阀出口压力P2，用来采集不同充放气速率过程中压力变化值。

3.1 充气速率试验

根据箭上管路系统充气情况，分四种工况进行试验验证：（1）充气时，通过电控减压器控制充气压升速度为2MPa/min，管路压力升高至23MPa 过程中，膜片阀入口及出口压力相同，无明显压差。（2）充气时，通过手动减压器控制充气压升速度为23MPa/min，管路压力升高至23MPa过程中，膜片阀入口及出口压力相同，无明显压差。（3）充气时，通过手动减压器控制充气压升速度为23MPa/12s，管路压力升高至23MPa 过程中，膜片阀出口入口压差最大为6.3MPa。（4）充气时，不控制速度，气源压力调整为23MPa，正常操作打开手阀充气。管路充气至23MPa 过程中，膜片阀入口出口最大压差为18.38MPa。

3.2 放气速率试验

根据箭上管路系统放气情况，分四种工况进行试验验证：（1）放气时，通过手动减压器控制压降速度为2MPa/min，管路压力从23MPa 下降过程中，膜片阀入口及出口压力相同，无明显压差。（2）放气时，通过手动减压器控制放气速度23MPa/26s，放气至0 的时间约为26s,膜片阀入口出口压差最大为2.1MPa。（3）放气时，通过手阀控制放气速度，但实际操作时未能控制速度，放气至0 的时间约为3s，膜片阀出口入口压差最大为13.66MPa。（4）放气时，不控制速度，正常操作打开手阀放气。第一次开启后，听到气流声立刻关闭手阀，开启后再次开启手阀，管路放气过程中，膜片阀入口出口最大压差为7.75MPa。从试验数据来看，膜片阀一侧有限流孔板状态下，充放气速率为2.0MPa/min时，膜片阀两侧无明显压差，能够满足设计要求；而快速充放气时，膜片阀两侧会形成压差，快速充气时，最大正向压差为18.38MPa，较快放气时最大压差为13.66MPa，远远超过了膜片的设计极限要求。

综上所述，增压输送系统中，膜片阀一侧有限流孔板状态下造成气流出入的通经发生变化，在充放气过程中，不同的充放气速率对膜片阀两端瞬间压力值相差较大，通过试验验证，在该系统中，充放气速率控制在2MPa/min 以下可以满足压差要求，避免了膜片阀膜片开裂的可能性。

4 地面气密测试设备改进措施

在膜片阀无限流孔板一侧地面配气台充放气端增加与产品限流孔板相同通径的限流孔板，以从设备上直接限制充、放气速率，减少人员操作失误因素影响，避免膜片阀膜片两端产生压差。并且，为确保孔板不发生堵塞风险，在设备限流孔板两端均增加过滤器，同时，在连接产品前增加检测压力表，对膜片阀两侧压力进行适时监测，在气密测试过程中若发现有严重的压差现象，及时停止操作，减少对膜片阀的损坏。

5 结语

通过对膜片阀膜片开裂的原因分析，确定了在膜片阀地面气密测试过程中，充放气速率控制不当膜片阀出入口两侧压差过大造成膜片开裂。并通过试验验证，分析了充放气速率对膜片阀膜片的压差影响，得出了合理的充放气速率，验证了其可行性和有效性。通过对地面测试设备的改进，确保了后续该膜片阀气密测试过程中的可靠性和安全性。