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摘要：以某大型运输机高压管路为例，对目前国内氧气系统高、低压氧气管路现状进行了分析，重点针对扩口式氧气管路频发的外套螺母裂纹导致的气密性不佳问题，通过对机上环境和聚四氟乙烯生料使用以及机上安装环境分析，提出导致外套螺母裂纹的原因——聚四氟乙烯生料使用过多、安装拧紧力矩过大和肥皂水残留引起的应力腐蚀，并从使用扩口管路接头组件用金属垫圈、管路组件安装拧紧力矩的实施、取消聚四氟乙烯生料带的使用、使用氧气介质专用润滑脂和改进气体检漏方法五个方面针对性地提出扩口式氧气管路气密性能提升方案。
关键词：氧气管路；扩口；外套螺母；气密性
Keywords：oxygen pipeline；flaring；wrap nut；air tightness
1 军机氧气管路密封形式分析
目前，国内军用飞机主要采用高压氧气系统和分子筛制氧系统，供氧管路主要分为氧气瓶至减压器之间的高压管路和减压器至供氧点之间的低压管路。国内各机型氧气导管选材、密封结构基本一致，高压管路主要为铜制焊接导管，少量采用钢制扩口导管，低压管路均采用铝制HB4系列74°扩口式导管。
1.1 高压氧气管路密封形式
因国内军用飞机选材、密封结构基本一致，本文以某大型运输机高压导管为例进行分析说明。
某大型运输机氧气管路中直通接头选用铅黄铜HPb59-1，接头端面加工深2mm的90°内孔，表面粗糙度1.6；平管嘴选用铅黄铜HPb59-1，端面加工1.2×45°锥面，表面粗糙度0.8；氧气导管选用纯铜T2-M-G5×1，与平管嘴钎焊。密封结构为平管嘴的45°锥面与阀体的90°内孔挤压密封，如图1、图2所示。
运八系列飞机的高压导管中G6×1的管路采用HB4系列的74°扩口式不锈钢管路，连接导管时，在管接头外螺纹上缠绕聚四氟乙烯生料带。
伊尔-76飞机部分充氧导管采用G8×0.6的12×18Н10Т（1Cr18Ni9Ti）74°扩口式管路，但存在部分导管的气密性不佳情况，解决措施是在导管的扩口和管接头间增加碗型金属垫圈以实现密封。
1.2 低压氧气管路密封形式
目前国内所有军机氧气系统低压管路均采用LF2（5A02-O）的铝制导管，采用HB4扩口导管和管接头实现密封，工作压力最高至4MPa，但因使用环境不同，在外套螺母和平管嘴的材料选取上存在差异，总的要求均是按照GJB2193-1994《飞行人员加压供氧系统规范》3.10.11.1气氧系统的要求，即打开开关，24小时内系统的泄漏量应不超过总量的5%。
2 氧气导管外套螺母裂纹漏气分析
某大型运输机低压氧气导管采用HB4系列74°扩口式连接组件，在飞机交付后大量出现氧气导管外套螺母裂纹现象（见图3）。氧气导管外套螺母裂纹会引起氧气泄漏，造成局部区域氧气浓度升高，或在用氧情况下机组或乘员的供氧时间不足。
下文对氧气导管外套螺母裂纹开展详细分析，暂不考虑外套螺母原材料采购、制造、表面处理及检验等方面的因素。
2.1 聚四氟乙烯生料带使用分析
为保证管路连接处的密封，对管接头和导管扩口的内外锥面有较高的粗糙度、锥度公差、同轴度、贴合度要求，以使配合面形成均匀连续的环型密封带。但国内标准件生产质量普遍较低，尤其是批量交付时气密性往往不能达标，因此国内普遍做法是在管接头螺纹处缠绕聚四氟乙烯生料带，依靠螺纹密封达到气密要求。但是，使用聚四氟乙烯生料带不仅会使生料带碎屑进入氧气系统，而且生料带缠绕过厚时螺纹间为过盈配合，易导致静强度破坏。
2.2 安装拧紧力矩
HB4扩口式管路组件密封原理如图4所示。管路组件预装配完毕后，在管接头锥面和导管扩口锥面两个金属表面形成了微米量级的通道。管路装配过程中，操作者施加的拧紧力矩转化为锥面的预紧力，在安装预紧力的作用下，锥面相互贴合、相互压缩，逐渐密封环面。
由于批产标准件质量不高，按照HB4规定的拧紧力矩一般不能满足气密要求。制造厂在管路组件安装时，往往根据操作人员的经验用普通扳手对导管接头施加力矩拧紧，为了保证密封效果，往往会过分拧紧。在过大的应力作用下，外套螺母与管接头螺纹连接中的相互接触面（如螺纹牙侧面、各支撑面、连接件相互接触面）由于表面粗糙度、波纹度以及形位误差等，会造成局部塑性变形，并且这些塑性变形在使用过程中可能继续发展，以至于疲劳开裂。
2.3 气密检查环境分析
国内在进行管路系统气密性检查时，普遍使用家用肥皂液调配中性肥皂水，对肥皂水的PH值（一般偏碱性）、成分、挥发性、腐蚀性等没有刻意控制，检查完后渗入缝隙中的肥皂水也无法清除干净，随着飞机交付日历年的增加，涂抹肥皂水的管路组件表面会产生腐蚀。
3 扩口式氧气管路气密性能提升方案
3.1 管路组件安装拧紧力矩
导管安装拧紧力矩问题一直困扰着航空产品的生产。一方面，设计人员一直依据管路连接件标准中的拧紧力矩值来要求制造厂控制飞机的装配；另一方面，实际生产中使用定力扳手或限力扳手进行装配缺乏可行性。
各种导管连接件标准规定了最小拧紧力矩，其根本目的是为了检验连接件的零件质量是否达到了设计要求，而不是为了限制装配工人的操作，為此标准才特别指明规定拧紧力矩用于性能试验。标准中所给出的最小拧紧力矩是规定零件设计和加工质量的最低要求。应该鼓励生产企业尽可能提高零件质量，如果企业在试验中所采用的最小拧紧力矩越小，对装配工段的要求也就越低，产品的装配质量就越容易保证。所以，允许或者鼓励企业采用比标准规定值更小的最小拧紧力矩来进行试验。综上，可采取以下措施进行改进： 1）鼓励采用尽可能小的拧紧参数进行性能试验，可以促使企业提高工艺水平，同时有利于提高产品装配的质量和可靠性；
2）企业可以自行决定采用力矩法还是扳拧角度法进行装配；
3）规定试验测定法为最终方法，这是标准作为最低要求的具体体现。
3.2 取消聚四氟乙烯生料带的使用
使用聚四氟乙烯生料带不仅会使生料带碎屑进入氧气系统，而且生料带过厚时螺纹间过盈配合易导致静强度破坏，后续应逐步禁止使用聚四氟乙烯生料带。
3.3 使用氧气介质专用润滑脂
经调研和试用，在氧气导管安装管路螺纹接头时，使用氧气专用润滑脂（牌号Du pont Krytox 240AZ，执行标准MIL-PRF-27617）可有效减小外套螺母与管接头之间的生涩，减小安装应力。但使用过多会在之后用氧时产生异味，所以仅在连接件螺纹的外表面涂上薄薄的一层润滑脂即可。为避免润滑脂落入系统内部，螺纹的头2～3扣不涂润滑脂；拧緊连接件之后，应用蘸酒精的棉布擦去挤出的润滑脂。
3.4 改进气体检漏方法
传统的使用中性肥皂水的检漏方法存在如下问题：1）肥皂水成分和PH值无法控制；2）肥皂水难以清除。经调研，牌号为SHERLOCK GAS AND AIR LEAK DETECTOR（TYPEⅠ）的氧气介质专用检漏液使用效果颇佳，该漏气测试剂为泡状，非液体，具有自挥发特性，出厂PH值介于6.0～7.5之间，无腐蚀性，无霉菌增长。虽然该泡沫检漏液具备自挥发性，但试验后也应用蘸有去离子水的无绒毛揩布擦去残留的检漏试剂，并用压缩空气吹干。
4 总结
由于氧气介质特殊，对气密性要求颇高，目前国内低压导管普遍采用HB4系列扩口式管路组件，依靠在直螺母表面缠绕聚四氟乙烯生料带的方法解决扩口式管路组件气密性问题，但使用不当往往造成外套螺母开裂。本文从工程应用出发，经分析、调研、试验等大量工作，提出了有效解决HB4系列扩口式氧气管路组件气密性不佳问题的解决措施，包括使用扩口管路接头组件用金属垫圈、管路组件安装拧紧力矩的实施、取消聚四氟乙烯生料带的使用、使用氧气介质专用润滑脂和改进气体检漏方法。客观来说，HB4系列扩口式管路组件的标准体系、结构形式、工作原理和使用性能等已不能满足航空武器装备的发展，无扩口式管路组件虽有少量应用，但使用性能与国外标准件差异较大，应尽快开展无扩口式管路组件的基础研究和推广应用。
参考文献
[1] 李振水. 飞机液压系统管路解析[M]. 北京：航空工业出版社，2018.
[2] 顾伯勤，李振华，田争. 静密封设计技术[M]. 北京：中国标准出版社，2004.
[3] 李俊昇. 两项管路系统标准的修订情况[J]. 航空标准化与质量，1003-6660（2005）03-0027-03.
[4] 王浩宇. 45钢外套螺母表面裂纹分析[J]. 失效分析与预防，2017（10）.
[5] 王大宏. HB4-49收紧螺母裂纹原因分析及预防措施[J]. 航空维修与工程，2015（10）.
[6] 周鑫. 球面密封结构密封状态的力学分析及验证[J]. 中国空间科学技术，2007（4）.
作者简介
王宇，工程师，主要研究方向：航空机务维修。
姜建辉，工程师，主要研究方向：航空机务维修。
吕军海，技师。
关键词：氧气管路；扩口；外套螺母；气密性
Keywords：oxygen pipeline；flaring；wrap nut；air tightness
1 军机氧气管路密封形式分析
目前，国内军用飞机主要采用高压氧气系统和分子筛制氧系统，供氧管路主要分为氧气瓶至减压器之间的高压管路和减压器至供氧点之间的低压管路。国内各机型氧气导管选材、密封结构基本一致，高压管路主要为铜制焊接导管，少量采用钢制扩口导管，低压管路均采用铝制HB4系列74°扩口式导管。
1.1 高压氧气管路密封形式
因国内军用飞机选材、密封结构基本一致，本文以某大型运输机高压导管为例进行分析说明。
某大型运输机氧气管路中直通接头选用铅黄铜HPb59-1，接头端面加工深2mm的90°内孔，表面粗糙度1.6；平管嘴选用铅黄铜HPb59-1，端面加工1.2×45°锥面，表面粗糙度0.8；氧气导管选用纯铜T2-M-G5×1，与平管嘴钎焊。密封结构为平管嘴的45°锥面与阀体的90°内孔挤压密封，如图1、图2所示。
运八系列飞机的高压导管中G6×1的管路采用HB4系列的74°扩口式不锈钢管路，连接导管时，在管接头外螺纹上缠绕聚四氟乙烯生料带。
伊尔-76飞机部分充氧导管采用G8×0.6的12×18Н10Т（1Cr18Ni9Ti）74°扩口式管路，但存在部分导管的气密性不佳情况，解决措施是在导管的扩口和管接头间增加碗型金属垫圈以实现密封。
1.2 低压氧气管路密封形式
目前国内所有军机氧气系统低压管路均采用LF2（5A02-O）的铝制导管，采用HB4扩口导管和管接头实现密封，工作压力最高至4MPa，但因使用环境不同，在外套螺母和平管嘴的材料选取上存在差异，总的要求均是按照GJB2193-1994《飞行人员加压供氧系统规范》3.10.11.1气氧系统的要求，即打开开关，24小时内系统的泄漏量应不超过总量的5%。
2 氧气导管外套螺母裂纹漏气分析
某大型运输机低压氧气导管采用HB4系列74°扩口式连接组件，在飞机交付后大量出现氧气导管外套螺母裂纹现象（见图3）。氧气导管外套螺母裂纹会引起氧气泄漏，造成局部区域氧气浓度升高，或在用氧情况下机组或乘员的供氧时间不足。
下文对氧气导管外套螺母裂纹开展详细分析，暂不考虑外套螺母原材料采购、制造、表面处理及检验等方面的因素。
2.1 聚四氟乙烯生料带使用分析
为保证管路连接处的密封，对管接头和导管扩口的内外锥面有较高的粗糙度、锥度公差、同轴度、贴合度要求，以使配合面形成均匀连续的环型密封带。但国内标准件生产质量普遍较低，尤其是批量交付时气密性往往不能达标，因此国内普遍做法是在管接头螺纹处缠绕聚四氟乙烯生料带，依靠螺纹密封达到气密要求。但是，使用聚四氟乙烯生料带不仅会使生料带碎屑进入氧气系统，而且生料带缠绕过厚时螺纹间为过盈配合，易导致静强度破坏。
2.2 安装拧紧力矩
HB4扩口式管路组件密封原理如图4所示。管路组件预装配完毕后，在管接头锥面和导管扩口锥面两个金属表面形成了微米量级的通道。管路装配过程中，操作者施加的拧紧力矩转化为锥面的预紧力，在安装预紧力的作用下，锥面相互贴合、相互压缩，逐渐密封环面。
由于批产标准件质量不高，按照HB4规定的拧紧力矩一般不能满足气密要求。制造厂在管路组件安装时，往往根据操作人员的经验用普通扳手对导管接头施加力矩拧紧，为了保证密封效果，往往会过分拧紧。在过大的应力作用下，外套螺母与管接头螺纹连接中的相互接触面（如螺纹牙侧面、各支撑面、连接件相互接触面）由于表面粗糙度、波纹度以及形位误差等，会造成局部塑性变形，并且这些塑性变形在使用过程中可能继续发展，以至于疲劳开裂。
2.3 气密检查环境分析
国内在进行管路系统气密性检查时，普遍使用家用肥皂液调配中性肥皂水，对肥皂水的PH值（一般偏碱性）、成分、挥发性、腐蚀性等没有刻意控制，检查完后渗入缝隙中的肥皂水也无法清除干净，随着飞机交付日历年的增加，涂抹肥皂水的管路组件表面会产生腐蚀。
3 扩口式氧气管路气密性能提升方案
3.1 管路组件安装拧紧力矩
导管安装拧紧力矩问题一直困扰着航空产品的生产。一方面，设计人员一直依据管路连接件标准中的拧紧力矩值来要求制造厂控制飞机的装配；另一方面，实际生产中使用定力扳手或限力扳手进行装配缺乏可行性。
各种导管连接件标准规定了最小拧紧力矩，其根本目的是为了检验连接件的零件质量是否达到了设计要求，而不是为了限制装配工人的操作，為此标准才特别指明规定拧紧力矩用于性能试验。标准中所给出的最小拧紧力矩是规定零件设计和加工质量的最低要求。应该鼓励生产企业尽可能提高零件质量，如果企业在试验中所采用的最小拧紧力矩越小，对装配工段的要求也就越低，产品的装配质量就越容易保证。所以，允许或者鼓励企业采用比标准规定值更小的最小拧紧力矩来进行试验。综上，可采取以下措施进行改进： 1）鼓励采用尽可能小的拧紧参数进行性能试验，可以促使企业提高工艺水平，同时有利于提高产品装配的质量和可靠性；
2）企业可以自行决定采用力矩法还是扳拧角度法进行装配；
3）规定试验测定法为最终方法，这是标准作为最低要求的具体体现。
3.2 取消聚四氟乙烯生料带的使用
使用聚四氟乙烯生料带不仅会使生料带碎屑进入氧气系统，而且生料带过厚时螺纹间过盈配合易导致静强度破坏，后续应逐步禁止使用聚四氟乙烯生料带。
3.3 使用氧气介质专用润滑脂
经调研和试用，在氧气导管安装管路螺纹接头时，使用氧气专用润滑脂（牌号Du pont Krytox 240AZ，执行标准MIL-PRF-27617）可有效减小外套螺母与管接头之间的生涩，减小安装应力。但使用过多会在之后用氧时产生异味，所以仅在连接件螺纹的外表面涂上薄薄的一层润滑脂即可。为避免润滑脂落入系统内部，螺纹的头2～3扣不涂润滑脂；拧緊连接件之后，应用蘸酒精的棉布擦去挤出的润滑脂。
3.4 改进气体检漏方法
传统的使用中性肥皂水的检漏方法存在如下问题：1）肥皂水成分和PH值无法控制；2）肥皂水难以清除。经调研，牌号为SHERLOCK GAS AND AIR LEAK DETECTOR（TYPEⅠ）的氧气介质专用检漏液使用效果颇佳，该漏气测试剂为泡状，非液体，具有自挥发特性，出厂PH值介于6.0～7.5之间，无腐蚀性，无霉菌增长。虽然该泡沫检漏液具备自挥发性，但试验后也应用蘸有去离子水的无绒毛揩布擦去残留的检漏试剂，并用压缩空气吹干。
4 总结
由于氧气介质特殊，对气密性要求颇高，目前国内低压导管普遍采用HB4系列扩口式管路组件，依靠在直螺母表面缠绕聚四氟乙烯生料带的方法解决扩口式管路组件气密性问题，但使用不当往往造成外套螺母开裂。本文从工程应用出发，经分析、调研、试验等大量工作，提出了有效解决HB4系列扩口式氧气管路组件气密性不佳问题的解决措施，包括使用扩口管路接头组件用金属垫圈、管路组件安装拧紧力矩的实施、取消聚四氟乙烯生料带的使用、使用氧气介质专用润滑脂和改进气体检漏方法。客观来说，HB4系列扩口式管路组件的标准体系、结构形式、工作原理和使用性能等已不能满足航空武器装备的发展，无扩口式管路组件虽有少量应用，但使用性能与国外标准件差异较大，应尽快开展无扩口式管路组件的基础研究和推广应用。
参考文献
[1] 李振水. 飞机液压系统管路解析[M]. 北京：航空工业出版社，2018.
[2] 顾伯勤，李振华，田争. 静密封设计技术[M]. 北京：中国标准出版社，2004.
[3] 李俊昇. 两项管路系统标准的修订情况[J]. 航空标准化与质量，1003-6660（2005）03-0027-03.
[4] 王浩宇. 45钢外套螺母表面裂纹分析[J]. 失效分析与预防，2017（10）.
[5] 王大宏. HB4-49收紧螺母裂纹原因分析及预防措施[J]. 航空维修与工程，2015（10）.
[6] 周鑫. 球面密封结构密封状态的力学分析及验证[J]. 中国空间科学技术，2007（4）.
作者简介
王宇，工程师，主要研究方向：航空机务维修。
姜建辉，工程师，主要研究方向：航空机务维修。
吕军海，技师。