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摘要：针对某型装备燃气发生器使用过程中发生壳体爆裂的故障，分析了该型燃气发生器爆裂的原因，提出了改进措施建议。
关键词：燃气发生器；壳体；爆裂；故障分析
Keywords：gas generator；shell；burst；fault analysis
1 故障现象
某型燃气发生器是装有火药药柱的一次性使用部件，主要作用是通过火药燃烧产生高压燃气，快速吹转涡轮发电机叶片，使其高速旋转从而实现向装备供电。
某型装备在使用过程中工作异常。经检查，发现该装备未正常工作的原因是燃气发生器壳体爆裂，燃气压力从爆裂处泄放，未能启动涡轮发电机供电，致使装备无法工作。
2 故障检查及分析
2.1 分解检查
分解燃气发生器，检查发现电点火具（见图1）已正常工作，超压药柱已烧尽。壳体爆裂位置位于焊缝与法兰之间的超压药柱燃烧室（见图2）。爆裂处壳体膨胀变形，与正常壳体（见图3）对比，爆裂的燃气发生器管路未见明显高温燃气烧蚀变色现象。
2.2 爆裂原因分析
该型燃气发生器由燃烧室壳体、药柱、套座、膜片、电点火具、过滤筒和管路组成（见图4）。造成超壓燃气发生器壳体爆裂的可能原因，一是异物堵塞燃气出口管路，导致燃气排放不畅，装药快速燃烧产生的燃烧压力不断积聚，使壳体爆裂；二是药柱有裂纹，使燃面增加，燃烧室压力瞬间急剧上升，导致燃气发生器爆裂；三是壳体存在制造缺陷，承受不了燃气压力而爆裂。
为此，针对以上可能原因，逐项开展检查及分析。
1）壳体及管路检查与分析
对爆裂燃气发生器所在舱段进行检查，并对爆裂的燃气发生器壳体及管路实施CT探伤检查，均未发现多余物。用内窥镜检查超压燃气发生器壳体爆裂部位，发现膜片已冲破，向超压燃气发生器管路一端通入低压气体，另一端有气体排出，未发现管路存在堵塞现象。
对点火异常爆裂的超压燃气发生器壳体进行线切割，检查内部情况，并抽取一枚正常点火的超压燃气发生器壳体进行线切割，进行检查对比。在爆裂的超压燃气发生器壳体内部未发现异物，排除了管路堵塞引起爆裂的可能。爆裂的超压燃气发生器壳体断口形状如图5所示，A侧断口呈波浪状，表明爆裂不是单点起爆炸裂；靠近法兰与焊缝的断口向外翘曲，与压力膨胀方向相同，断口中间向内弯曲，由此可知爆裂发生时是向外翘曲的两个位置最先发生断裂，中间位置最后发生断裂。B侧断口侧面可见明显压痕（见图6），表明炸裂后该位置撞到附近零件。壳体壁厚减薄相对较小，这是由于炸裂后其他零件相对B侧断口施加了压力，阻碍其变形，因此B侧断口减薄较小。
爆裂壳体与正常壳体的外观差异见表1。正常壳体壁厚1.91mm，爆裂壳体断口最薄处仅1.14mm，表明爆裂品发生了较大的塑性变形。从螺纹的变形可知，爆裂前腔体内部存在大的压力，从排气口及其膜片变形和排气管颜色可知，爆裂时经排气管排出的气体较少，温度不高。火药在相对密闭的腔体内燃烧致使内腔体内部均匀变色。由此可知，壳体爆裂前，其内部压强增大，爆裂时燃气迅速释放，气路中只有少量燃气通过。
2）化学成分分析
根据GJB2294-1995航空用不锈钢及耐热钢棒规范中对1Cr18Ni9Ti的化学成分技术要求，对爆裂壳体与正常壳体进行化学成分检测，检测结果见表2，表明爆裂壳体与正常壳体的化学成分均满足技术要求。
3）断口宏观检查
断口的宏观形貌如图7所示，爆裂壳体内表面可见大量因剧烈塑性变形而形成的内部裂纹，这些裂纹均匀分布在内表面，表明腔体内部发生了比较均匀的塑性变形。断口未见明显的加工缺陷与缺口。
4）断口微观检查
壳体断口的微观形貌如图8所示。不同位置的断口形貌均为韧窝，表明断裂为韧性断裂，是过应力断裂。断口上未见明显的冶金缺陷或表面损伤。
5）断口微观组织
爆裂壳体与正常壳体的纵向微观组织如图9所示。从蚀刻前的组织可知，爆裂壳体与正常壳体均存在较多的橙色颗粒——氮化钛，正常壳体稍多。蚀刻后，爆裂壳体与正常壳体的组织均为单相奥氏体，爆裂壳体的晶粒较大，晶粒存在变形，硬度为249HV0.3。正常壳体晶粒较小，晶粒为规则的等轴晶粒，硬度为156HV0.3。爆裂壳体硬度偏高与晶粒变形是由于爆裂壳体发生了塑性变形，加工硬化导致硬度变大。而晶粒较大应是受热所致，晶粒变形与宏观的塑性变形相对应，未见明显的材料缺陷。
6）装药裂纹分析
由于该燃气发生器超压药柱已完全燃烧，无法对装药进行进一步检查，但超压药柱经X射线检查无裂纹，为合格件。采用CT检测方式重新复查与该已超压药柱同时期经X射线检查合格的超压药柱，发现少量超压药柱存在细微裂纹，说明前期对超压药柱进行裂纹筛查时使用的X射线检查方式存在药柱中小缺陷未检出的情况。
分析认为，X射线实时成像检测系统未检出小缺陷的原因是其成像检测板使用的是第一代图像增强器，成像像素少、尺寸大、图像分辨率低、信噪比低，因而对小缺陷的检测灵敏度不高。若超压药柱有裂纹，点火后装药燃面增加，单位时间内的产气量将增大，导致燃气不能及时通过管路，燃烧室压力将急剧上升，超过燃烧室壳体能承受的最大压力后，最终使燃气发生器爆裂。因此，不能排除超压药柱有裂纹引起爆裂的可能。
3 结论及建议
通过以上检查与分析，燃气发生器未见异物堵塞，壳体的材质与加工未见异常，壳体爆裂前其内部压强增大，爆裂时燃气迅速释放，气路只有少量燃气通过，因此不排除装药裂纹引起爆裂的可能。
建议针对X射线对药柱中小裂纹检测灵敏度不高问题，将药柱无损检测方法由X射线检测调整为CT检测，以提高检查的准确性，根除药柱存在细微裂纹的隐患。
作者简介
谢七国，工程师，主要从事火工品、引战系统、固体火箭发动机维护技术研究工作。
关键词：燃气发生器；壳体；爆裂；故障分析
Keywords：gas generator；shell；burst；fault analysis
1 故障现象
某型燃气发生器是装有火药药柱的一次性使用部件，主要作用是通过火药燃烧产生高压燃气，快速吹转涡轮发电机叶片，使其高速旋转从而实现向装备供电。
某型装备在使用过程中工作异常。经检查，发现该装备未正常工作的原因是燃气发生器壳体爆裂，燃气压力从爆裂处泄放，未能启动涡轮发电机供电，致使装备无法工作。
2 故障检查及分析
2.1 分解检查
分解燃气发生器，检查发现电点火具（见图1）已正常工作，超压药柱已烧尽。壳体爆裂位置位于焊缝与法兰之间的超压药柱燃烧室（见图2）。爆裂处壳体膨胀变形，与正常壳体（见图3）对比，爆裂的燃气发生器管路未见明显高温燃气烧蚀变色现象。
2.2 爆裂原因分析
该型燃气发生器由燃烧室壳体、药柱、套座、膜片、电点火具、过滤筒和管路组成（见图4）。造成超壓燃气发生器壳体爆裂的可能原因，一是异物堵塞燃气出口管路，导致燃气排放不畅，装药快速燃烧产生的燃烧压力不断积聚，使壳体爆裂；二是药柱有裂纹，使燃面增加，燃烧室压力瞬间急剧上升，导致燃气发生器爆裂；三是壳体存在制造缺陷，承受不了燃气压力而爆裂。
为此，针对以上可能原因，逐项开展检查及分析。
1）壳体及管路检查与分析
对爆裂燃气发生器所在舱段进行检查，并对爆裂的燃气发生器壳体及管路实施CT探伤检查，均未发现多余物。用内窥镜检查超压燃气发生器壳体爆裂部位，发现膜片已冲破，向超压燃气发生器管路一端通入低压气体，另一端有气体排出，未发现管路存在堵塞现象。
对点火异常爆裂的超压燃气发生器壳体进行线切割，检查内部情况，并抽取一枚正常点火的超压燃气发生器壳体进行线切割，进行检查对比。在爆裂的超压燃气发生器壳体内部未发现异物，排除了管路堵塞引起爆裂的可能。爆裂的超压燃气发生器壳体断口形状如图5所示，A侧断口呈波浪状，表明爆裂不是单点起爆炸裂；靠近法兰与焊缝的断口向外翘曲，与压力膨胀方向相同，断口中间向内弯曲，由此可知爆裂发生时是向外翘曲的两个位置最先发生断裂，中间位置最后发生断裂。B侧断口侧面可见明显压痕（见图6），表明炸裂后该位置撞到附近零件。壳体壁厚减薄相对较小，这是由于炸裂后其他零件相对B侧断口施加了压力，阻碍其变形，因此B侧断口减薄较小。
爆裂壳体与正常壳体的外观差异见表1。正常壳体壁厚1.91mm，爆裂壳体断口最薄处仅1.14mm，表明爆裂品发生了较大的塑性变形。从螺纹的变形可知，爆裂前腔体内部存在大的压力，从排气口及其膜片变形和排气管颜色可知，爆裂时经排气管排出的气体较少，温度不高。火药在相对密闭的腔体内燃烧致使内腔体内部均匀变色。由此可知，壳体爆裂前，其内部压强增大，爆裂时燃气迅速释放，气路中只有少量燃气通过。
2）化学成分分析
根据GJB2294-1995航空用不锈钢及耐热钢棒规范中对1Cr18Ni9Ti的化学成分技术要求，对爆裂壳体与正常壳体进行化学成分检测，检测结果见表2，表明爆裂壳体与正常壳体的化学成分均满足技术要求。
3）断口宏观检查
断口的宏观形貌如图7所示，爆裂壳体内表面可见大量因剧烈塑性变形而形成的内部裂纹，这些裂纹均匀分布在内表面，表明腔体内部发生了比较均匀的塑性变形。断口未见明显的加工缺陷与缺口。
4）断口微观检查
壳体断口的微观形貌如图8所示。不同位置的断口形貌均为韧窝，表明断裂为韧性断裂，是过应力断裂。断口上未见明显的冶金缺陷或表面损伤。
5）断口微观组织
爆裂壳体与正常壳体的纵向微观组织如图9所示。从蚀刻前的组织可知，爆裂壳体与正常壳体均存在较多的橙色颗粒——氮化钛，正常壳体稍多。蚀刻后，爆裂壳体与正常壳体的组织均为单相奥氏体，爆裂壳体的晶粒较大，晶粒存在变形，硬度为249HV0.3。正常壳体晶粒较小，晶粒为规则的等轴晶粒，硬度为156HV0.3。爆裂壳体硬度偏高与晶粒变形是由于爆裂壳体发生了塑性变形，加工硬化导致硬度变大。而晶粒较大应是受热所致，晶粒变形与宏观的塑性变形相对应，未见明显的材料缺陷。
6）装药裂纹分析
由于该燃气发生器超压药柱已完全燃烧，无法对装药进行进一步检查，但超压药柱经X射线检查无裂纹，为合格件。采用CT检测方式重新复查与该已超压药柱同时期经X射线检查合格的超压药柱，发现少量超压药柱存在细微裂纹，说明前期对超压药柱进行裂纹筛查时使用的X射线检查方式存在药柱中小缺陷未检出的情况。
分析认为，X射线实时成像检测系统未检出小缺陷的原因是其成像检测板使用的是第一代图像增强器，成像像素少、尺寸大、图像分辨率低、信噪比低，因而对小缺陷的检测灵敏度不高。若超压药柱有裂纹，点火后装药燃面增加，单位时间内的产气量将增大，导致燃气不能及时通过管路，燃烧室压力将急剧上升，超过燃烧室壳体能承受的最大压力后，最终使燃气发生器爆裂。因此，不能排除超压药柱有裂纹引起爆裂的可能。
3 结论及建议
通过以上检查与分析，燃气发生器未见异物堵塞，壳体的材质与加工未见异常，壳体爆裂前其内部压强增大，爆裂时燃气迅速释放，气路只有少量燃气通过，因此不排除装药裂纹引起爆裂的可能。
建议针对X射线对药柱中小裂纹检测灵敏度不高问题，将药柱无损检测方法由X射线检测调整为CT检测，以提高检查的准确性，根除药柱存在细微裂纹的隐患。
作者简介
谢七国，工程师，主要从事火工品、引战系统、固体火箭发动机维护技术研究工作。