大直径不锈钢波纹管成型工艺及性能分析研究

李金全 田 鑫 吴一川 王 硕 王 伟

2020年航天工艺信息网技术交流会专栏

大直径不锈钢波纹管成型工艺及性能分析研究

李金全 田 鑫 吴一川 王 硕 王 伟

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

针对重型运载火箭增压输送系统管路的应用需求，开展了大直径不锈钢波纹管的成型工艺研究，突破了通径470mm且单层壁厚为1.3mm的双层大直径不锈钢波纹管的精密成型技术，成型精度及性能满足重型运载火箭的服役工况。大直径不锈钢波纹管在2.25MPa和1.5MPa条件下分别开展液压强度试验和气密试验并保压5min，均未出现波纹管的失稳以及泄漏情况；通过液氮浸泡进行低温冷冲击试验，波纹管未出现开裂和变形等异常现象；通过压缩10mm的方式测试波纹管的机械刚度，刚度值达到630N/mm；内部充液压1.5MPa并进行拉伸60mm的位移疲劳试验，经300次循环后未出现失稳，且气密检查未出现泄漏，极限拉伸至120mm时才开始出现端波的平面失稳。

大直径波纹管；成型精度；位移疲劳试验；重型运载火箭

1 引言

运载火箭的运载能力是一个国家开发外太空能力的重要体现，对推动航天技术及其附属产业的发展起着重要的作用，也推动着太空活动向纵深方向发展。为了满足我国载人登月和深空探测等重大航天任务的需求，我国将立足航天活动需求，开展重型运载火箭的研制，达到近地轨道LEO为140t而地月转移轨道LTO为50t的运载能力。重型运载火箭是我国建设航天强国的重要标志，是实现“两个一百年”发展目标中的重大科技创新活动，也可能是我国化学推进最大能力的终极火箭型号。

为了实现重型运载火箭的大推力升空，发动机对氧化剂和燃烧剂的需求量将显著增大，向发动机提供推进剂的输送管通径也将显著增大。据初步估算，输送管的通径将达到470mm。在运载火箭增压输送管路系统中，为了实现管路在安装过程中的安装补偿以及在服役过程中的应力补偿，通常需要采用波纹管补偿器。因此，在重型运载火箭中对直径达到470mm的大直径波纹管提出了明确的需求。对于波纹管补偿器，其波形的成型精度直接决定了其补偿能力以及疲劳性能等关键性能指标，需要开展大直径波纹管的成型工艺研究。

本文针对重型运载火箭增压输送系统对直径达到470mm的大直径波纹管的需求，开展大直径不锈钢波纹管的成型工艺研究，确定大直径不锈钢波纹管的成型工艺方案，测试并分析大直径不锈钢波纹管的性能，为重型运载火箭的增压输送系统提供合理而有效的补偿技术方案。

2 大直径不锈钢波纹管的结构特征及性能要求

根据重型运载火箭要实现大推力的目标对推进剂流量的需求，输送管路的直径将达到470mm，实现其装配补偿和服役应力补偿的补偿器波纹管的通径也将达到470mm。图1所示是重型运载火箭增压输送系统所需的大直径不锈钢波纹管。波纹管的材料为不锈钢06Cr17Ni12Mo2（固溶-BA-PT，GB/T3280—2007），抗拉强度达到646MPa，断后伸长率达到42.5%。波纹管为双层波纹管，其具体尺寸参数如表1所示。

图1 重型运载火箭增压输送系统所需的大直径不锈钢波纹管

表1 重型运载火箭增压输送系统所需大直径不锈钢波纹管的尺寸特征

为了满足重型运载火箭增压输送系统对补偿器波纹管的安装补偿和应力补偿的需求，在满足波纹管成型精度后，需要开展液压强度试验、气密试验、液氮冷冲击试验、机械刚度测试、位移疲劳试验，以及极限拉伸性能的考核。

3 大直径不锈钢波纹管的成型工艺研究

3.1 大直径不锈钢波纹管的成型工艺方法

针对大直径的波纹管，主要的成型方法包括：液压成型法、滚压成型法和机械胀型法三种。其中，液压成型法是波纹管多波同步整体成型，具有成型精度高以及周向成型受力均匀等特点；滚压成型法是通过滚压轮以单波逐波连续滚压实现波纹管成型，具有局部成型的工艺特点，波形一致性控制难度大且波距控制精度较差；机械胀型法是通过锥形轴旋转并进给以挤压分瓣式的成型模具使其外胀实现波纹管成型，以单波逐波连续胀型的方式完成，存在波距控制精度较差且波形尺寸较差等特点，尤其是分瓣式模具的开合位置处在外胀的过程中，将形成直线段而非圆弧的波形。在航天飞行器增压输送系统管路中，补偿用的波纹管除了性能满足工况需求以外，对波纹管波形尺寸成型精度要求也较高。因此，在本文大直径不锈钢波纹管的成型工艺研究过程中，选用内部充压且多波同步整体成型的液压成型法。

在波纹管的成型过程中，外部通过液压机为波纹管成型提供轴向压力，内部通过液压泵为波纹管成型提供成型压力。如图2所示，当液压机下行时，管坯内的液压压力逐渐增大，同步对管坯内部进行泄压以保持管坯腔内处于恒定的成型压力，实现波纹管波形的成型和保持。外部压力机下压下行的速度以及内部充压的液压压力是影响波纹管成型精度的关键参数。并且，要实现内部充液压，波纹管管坯端部的密封也是关键。对于中小直径且波距较大、波高较小的波纹管，通常采用橡皮囊置于管坯内部并向橡皮囊充液压的方式实现内部成型压力的充压；然而，对于大直径且波高较高的厚壁波纹管，橡皮囊无法承受较大成型压力的加载过程，容易出现破裂等问题。因此，在波纹管管坯的两端焊接堵盖实现可靠密封，保证内部充压达到精确成型所需的成型压力。同时，为了避免双层波纹管管坯层间残留空气因挤压而导致管坯破坏，实现双层管坯在成型过程中的完全贴合，在外层管坯靠近端部位置钻3.0mm的排气孔。

图2 波纹管采用内部充压的液压成型法成型时的压力时序图

3.2 大直径不锈钢波纹管成型模具的设计

波纹管成型模具是波纹管成型的基础，通过模具尺寸保证波纹管的波形尺寸。在模具设计过程中需要考虑成型尺寸的精度、模具自身的刚度和强度，以及不锈钢材料在成型过程中的回弹等问题。最终，实现大直径不锈钢波纹管的稳定成型并保证波纹管的波形尺寸。从图3中可以看出，大直径不锈钢波纹管的成型模具主要包括盖板组件、下底板、上直边模片、下直边模片、中间模片、成型垫块和导向柱等部分。中间模片等成型组件采用45#钢，淬火至HRC35-38；导向柱等对摩擦磨损性能要求较高的组件采用40Cr，进行渗氮处理；连接件等对强度要求比较高的组成结构采用35CrMo，调质处理至HB226～269。在波纹管成型过程中，盖板组件和下底板为压力机下压时提供稳定的轴向均布力，实现在整个圆周方向波形成型的均匀性；上、下直边模片是保证波纹管成型后两端直边段的外径尺寸以及直边段到端波的过渡角；中间模片是决定波纹管成型后的波形和波距的关键因素，波纹管的波距与中间模片的厚度以及成型后的回弹有关，波峰值与中间模片台阶宽度以及成型后的回弹有关，也与成型压力有关，波谷值与中间模片的值以及成型后的回弹有关；波纹管的波外径与成型垫块的高度以及成型压力有关，调整垫块的高度可以调整波纹管波形的展开料以实现对波高的调整；导向杆确保波纹管成型的外部轴向压力均衡且沿轴向，保证波纹管端面与轴线垂直、不歪斜。

图3 大直径不锈钢波纹管的成型模具

3.3 大直径不锈钢波纹管成型尺寸精度控制

对于多层波纹管，应在成型过程中实现层间完全贴合，既有利于波纹管的成型又有利于波纹管成型后的服役性能。然而，管坯间隙过小则容易在管坯套合过程中造成管壁损伤。不锈钢波纹管的通径为470mm，管坯单层壁厚为1.3mm，直边段外径为475.2mm，以内外层管坯的中间厚度处直径计算内外层管坯的展开料。预留两层间的间隙为0.5mm并考虑管坯纵向焊缝的焊接收缩，计算获得内、外层管坯的展开料宽度分别为(1477±0.5)mm和(1489±0.5)mm，为波纹管成型后直径的控制奠定了基础。

波纹管的波形尺寸是决定波纹管补偿能力和机械性能的关键参数，通过单波的轴向展开料以及成型过程中的成型压力和保压时间，最终确保波纹管的波形尺寸。根据波纹管的波高37.4mm、波峰为10.05mm以及波谷为7.45mm，同时考虑波形成型过程中发生的塑性变形，波纹管的单波展开长度为91.6mm，成型垫块的高度为61.5～66.5mm。经过成型工艺的摸索试验，以波纹管的波形外径以及波峰、波谷值为控制目标，优化调整成型垫块的高度为64.8mm。在大直径不锈钢波纹管的成型过程中，确定波纹管成型的单波展开料以及对应的成型垫块高度后，波纹管成型的内部充压压力和中间停留保压时间是影响波纹管成型尺寸精度的关键工艺参数。通过波纹管成型工艺参数的优化，确定成型过程分三阶段进行，对应的成型垫块高度分别是64.8mm、40mm和24.8mm，并且在压力机下行压缩至成型垫块高度时停留保压10min。其中，垫块高度为64.8mm时为初波成型阶段，初波成型时的内部压力为7.5MPa，以确保成型膜片与管坯紧密贴合并发生向外的塑性变形而形成初始波，防止中间膜片在后续发生轴向滑动，实现对波纹管波距的精确控制；垫块高度为40mm和24.8mm时，均采用波纹管终成型压力10.0MPa。图4是大直径不锈钢波纹管采用内部充压的液压成型法的成型过程及成型后的波纹管产品。表1是大直径不锈钢波纹管成型后的主要波形尺寸的测量结果。按照GB/T12777—2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中的规定，U形波纹管波峰、波谷值的极限偏差应不超过±15%，线性尺寸按照自由公差，波纹管成型后的尺寸精度满足规定范围。

图4 大直径不锈钢波纹管内部充压的液压成型法的成型过程及成型后的波纹管产品

表1 大直径不锈钢波纹管成型后的主要波形尺寸测量结果 mm

3.4 大直径不锈钢波纹管的管坯成型变形

根据Q/Dy89—2010《弹（箭）体波纹管制造验收技术条件》和GB/T 12777—2019《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中的规定，对双层大直径不锈钢波纹管沿轴向剖切，波纹管的两层管坯在端部直线段、波峰、波侧壁及波谷等部位均实现了良好的贴合，并且内层管坯外壁和外层管坯内壁都未出现因成型过程中的相对滑移而产生的表面划伤等缺陷。同时，测量沿轴向剖切的截面上不同部位的波纹管管坯壁厚，确定在成型过程中的管坯变形情况。从图5可以看出，波峰位置处的管坯成型减薄量最大，外层管坯壁厚由1.30mm减薄至1.20mm，内层管坯壁厚由1.30mm减薄至1.21mm；波谷位置处的管坯成型减薄量次之，外层管坯壁厚由1.30mm减薄至1.28mm，内层管坯壁厚由1.30mm减薄至1.29mm；波纹管端部直线段以及波侧壁，管坯壁厚基本不减薄。

图5 大直径不锈钢波纹管成型后管坯不同部位的厚度

针对波纹管的波峰、波谷、波侧壁以及端部直线段等不同部位，测试显微硬度（维氏硬度），加载载荷200gf，加载保持时间10s，每个部位选取5个测点测试。从图6中可以看出，相对于端部直线段的显微硬度（平均值为189Hv），波纹管的波峰、波谷及波侧壁处的显微硬度值都出现了明显的增大。其中，波峰处的显微硬度值最大（平均值达到279Hv），波谷处的显微硬度值次之（平均值达到211Hv）。在波纹管的成型过程中，波峰、波谷及波侧壁均发生了明显的塑性变形；波峰处的壁厚减薄量最大，发生的塑性变形最大，材料发生显著的形变强化，从而导致波峰处的显微硬度增大也最显著，形成良好的对应关系。

图6 大直径不锈钢波纹管成型后管坯不同部位的显微硬度

4 大直径不锈钢波纹管的性能考核与分析

为了满足重型运载火箭增压输送系统管路对补偿器波纹管的安装补偿能力和服役应力补偿能力，需要开展波纹管的液压强度试验、气密试验、液氮冷冲击试验、机械刚度测试以及位移疲劳试验和极限拉伸试验等试验项目考核。

4.1 大直径不锈钢波纹管液压强度及气密试验考核

图7是大直径不锈钢波纹管的液压强度试验和气密试验过程。通过液压机下行至与波纹管的端部接触，对波纹管进行限位使其保持在自由长度，在波纹管内部缓慢充液压至2.25MPa并保压5min，未发生泄漏和失稳现象，液压试验系统的压力表也未出现压降。泄压后测量波纹管的波距，在不同位置处测量波距均未出现超过1.0mm的残余变形。将波纹管烘干，通过液压机下行至与波纹管的端部接触，对波纹管进行限位使其保持在自由长度，在波纹管内部缓慢充气压至1.5MPa并保压5min，未发生泄漏和失稳现象，气密试验系统的压力表也未出现压降。由此可见，大直径不锈钢波纹管满足设计指标中关于液压强度和气密性试验的考核要求。

图7 大直径不锈钢波纹管的液压强度试验和气密试验过程

4.2 大直径不锈钢波纹管的低温冷冲击试验考核

将大直径不锈钢波纹管浸入液氮槽，保持液面高于波纹管的条件浸泡10min，使波纹管充分冷却；然后，取出波纹管并将其恢复至室温，再重新浸入液氮槽并保持液面高于波纹管的条件浸泡10min。将经过两次浸泡液氮的波纹管按照NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分：渗透检测》的要求对波纹管表面进行着色检查。从图8中的试验过程及波纹管的表面状态可以看出，波纹管外观无变形且未出现表面裂纹等其他异常现象，表面着色检查的结果达到Ⅰ级的性能要求，灵敏度等级为C级。

图8 大直径不锈钢波纹管的液氮冷冲击试验及其在试验后进行着色检查的过程

4.3 大直径不锈钢波纹管的机械刚度测试与分析

根据Q/Dy89—2010《弹（箭）体波纹管制造验收技术条件》和GB/T 12777—2019《金属波纹管膨胀节通用技术条件》的规定，开展波纹管的机械刚度的测试，获取波纹管的机械刚度值，判断其补偿能力。将波纹管放置于刚度试验机的测量平台上，上端放置压盘，预测试（压缩2mm后恢复至初始状态）一次后再进行正式测试。在试验过程中，均匀加载，避免波纹管出现平面或柱状的失稳现象。将波纹管缓慢压缩10mm，记录测试过程中的载荷值、位移值和时间。图9是大直径不锈钢波纹管的机械刚度试验过程及“位移-载荷”关系图。根据拟合计算，大直径不锈钢波纹管的拟合刚度值为630N/mm，满足设计提出的刚度值要求。并且，根据重型运载火箭初步的贮箱压力和液柱压力计算，在该机械刚度的条件下波纹管将产生30mm的伸长量。

图9 大直径不锈钢波纹管的刚度试验

4.4 大直径不锈钢波纹管的位移疲劳性能考核

根据Q/Dy89—2010《弹（箭）体波纹管制造验收技术条件》和GB/T 12777—2019《金属波纹管膨胀节通用技术条件》的规定，开展大直径不锈钢波纹管的位移疲劳试验，考核其在室温条件下加载至工作压力后的位移疲劳性能。为了实现波纹管内部容腔体积不变、内部充压压力值不变，采用2个波纹管组对的方式进行位移疲劳试验。图10是大直径不锈钢波纹管组对进行位移疲劳试验的过程。将2件波纹管对接并安装在专用位移疲劳试验工装上，初始状态是下波纹管为自由长度状态而上波纹管为拉伸60mm的状态，当位移疲劳试验工装的中间板向上运动60mm时，则为上波纹管处于自由长度状态而下波纹管为拉伸60mm的状态。对波纹管的内部缓慢充液压至1.5MPa，并且设定位移循环速率小于25mm/s。在位移疲劳试验过程中，每进行50次位移循环后暂停试验，并采用皂泡法及压力表压降情况检查波纹管的气密性，未发生泄漏再继续进行位移疲劳试验。经过300次循环的位移疲劳试验，大直径不锈钢波纹管未出现异常变形，气密性检查也未出现泄漏。为了进一步考核大直径不锈钢波纹管的极限拉伸性能，继续缓慢拉伸以增大波纹管的拉伸位移量，当波纹管拉伸至120mm位移时，波纹管的端波开始发生平面失稳。由此可见，大直径不锈钢波纹管的补充能力远远超出实际需求的约30mm的补偿量。

图10 大直径不锈钢波纹管组对位移疲劳试验

5 结束语

为了满足重型运载火箭的大直径输送管路对大直径波纹管的需求，本文开展了大直径不锈钢波纹管的成型工艺研究并且针对服役工况条件开展了性能测试与分析。通过大直径波纹管成型模具的设计以及成型工艺的优化，突破了通径达到470mm且单层壁厚为1.3mm的双层大直径厚壁高刚度不锈钢波纹管的精密成型技术，波纹管成型精度满足设计指标及标准的要求。并且，通过液压强度试验、气密试验、液氮冷冲击试验、机械刚度测试以及位移疲劳试验等试验项目的性能考核，大直径不锈钢波纹管均满足型号应用的需求。同时，对波纹管进行极限位移拉伸试验，内部充压至工作压力且拉伸量达到120mm才出现端波的平面失稳，具有良好的补偿性能。因此，通过本文的研究，掌握了大直径厚壁高刚度的不锈钢波纹管的成型工艺技术，无论波纹管的成型精度还是性能指标均满足重型运载火箭增压输送系统管路产品对于补偿能力的需求。

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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），高级工程师，焊接专业；研究方向：导管产品自动化焊接技术、导管柔性制造技术，以及导管三维数字化制造技术。

2020-11-30