飛機氧氣系統著火案例分析及安全性設計要求

封文春

摘要：飛機氧氣系統曾多次出現著火事故。根據公開的文獻資料和網絡信息，統計分析了50例飛機氧氣系統著火事故。分析結果表明，充氧、打開或關閉閥門等動態過程是最易著火階段，氧氣瓶及閥體組件、調節器、關斷閥等是最易著火部位。開展系統動態過程和關鍵部件氧氣危險及著火風險分析是減小或避免系統著火的重要措施。對氧氣系統著火因素進行了簡要分析，列舉了一些常見的因素。材料選擇及氧氣兼容性分析是氧氣系統安全性設計的關鍵，介紹了氧氣系統材料尤其是非金屬材料選擇一般準則和氧氣兼容性分析方法，為氧氣系統安全性設計提供參考。

關鍵詞：飛機氧氣系統;著火事故;著火因素;氧氣兼容性;氧氣危險及著火風險分析

中圖分類號：V245.3+1 文獻標識碼：A

雖然氧氣自身并不燃燒，但卻是強烈的氧化劑。許多物質，包括金屬和非金屬，尤其是碳氫化合物，在高壓純氧條件下只需較低的能量和溫度就能燃燒。僅1998-2004年間我國就發生了17起氧氣燃燒爆炸事故。1993-1999年間，美國食品與藥物管理局（FDA）收到的16起著火事故報告，每起事故都牽涉到便攜式氧氣瓶以及壓力流量組合調節器，共造成11名人員嚴重燒傷[1]。2003-2006年來自美國消費者產品安全委員會的國家電傷監控系統的數據表明，平均1190例燒傷牽涉到家庭醫療用氧。來自美國火災管理局的國家火災事故報告系統的數據表明，2002-2005年間，每年估計平均有206例家庭火災牽涉到氧氣設備著火[2]。美國空軍1978-1993年的飛機氧氣系統統計數據表明，氧氣系統著火事故率為0.77次/百萬飛行小時[3]。2008年我國西北航空公司的A319飛機、美國ABX航空公司波音767-200貨機和澳大利亞快達航空公司波音747-400飛機分別發生了氧氣系統著火事故[4]。美國P-3飛機分別在1984年、1998年和2003年發生氧氣系統著火事故[5]。在20世紀60年代中期，波音公司曾因氧氣管路的設計缺陷在連續兩年內共發生18次氧氣系統著火事故[6]。根據美國空軍Norton安全辦公室的報告，1978-1990年共發生7例涉及飛機充氧車的著火事故閉。我國在近幾年也出現了數起飛機氧氣系統著火事故。

針對飛機氧氣系統來說，系統內為高壓純氧，所采用的材料都可成為燃燒物質，流動狀態的突變、高速氣流沖擊、粒子碰撞、共振、摩擦、靜電等都可成為激發著火的能量，因此，著火三因素是必然存在的。一般通過系統安全性設計來減少或避免系統著火。了解著火因素或機理，可以為系統安全性設計提供基礎。本文統計分析了近幾十年部分飛機氧氣系統的著火案例，對導致著火的因素進行了分析，為飛機氧氣系統安全性設計提供參考。

1 飛機氧氣系統

對于民用航空飛機來說，氧氣系統一般由三個分系統組成，即機組氧氣系統、旅客氧氣系統和便攜式氧氣。機組氧氣系統一般采用存儲在高壓氣瓶內的高壓氣氧作為氧源;旅客氧氣系統則根據需要，既有采用高壓氣氧，也有采用化學氧作為氧源;便攜式氧氣一般包括防護性呼吸設備（PBE）和便攜式氧氣設備。PBE一般采用化學氧，便攜式氧氣設備一般采用高壓氣氧為氧源。目前便攜式氧氣濃縮器也作為個人便攜式氧氣允許在飛機上使用。

對于軍用飛機，氧源主要有氣氧、液氧和機載分子篩制氧。機載分子篩制氧是目前軍用作戰飛機廣泛采用的氧源，部分運輸類飛機也采用機載分子篩作為氧源之一。由于分子篩氧氣濃縮器自身特性限制，其產氧濃度最高只有95%，而且為了保證供氧安全性，采用機載分子篩制氧作為氧源的，仍然需要備用氧。備用氧一般為存儲在氣瓶內的高壓氣氧。

相對于液氧、化學氧和機載制氧，高壓氣氧的著火風險最高，大多數飛機氧氣系統的著火事故均是氧氣系統。

2 著火案例統計分析

根據公開的文獻資料和網上信息，1960年至今共收集統計了軍用、民用飛機氧氣系統50例著火事故，見表1[7～11]。

根據統計的50例著火事故，按年代事故次數分布如圖1所示。雖然圖1不能完全代表飛機氧氣系統著火事故分布概率，但大致能夠表明飛機氧氣系統著火事故呈逐漸減少的趨勢。說明隨著對氧氣系統著火機理認識的加深，系統的安全性設計水平也越來越高。

在統計的50例飛機氧氣系統事故中，有7例著火是由其他原因導致氧氣系統著火，泄漏的氧氣加劇了火勢，其中有兩例是由吸煙引起的，有4例與電器短路或過熱相關。在50例氧氣系統事故中，僅有1例為物理事故，為2008年波音747-438飛機的氧氣瓶破裂導致飛機座艙失壓。在本次事故中，雖然氧氣瓶發生破裂，但并沒有導致著火。事故調查中沒有發現任何過火或燒蝕痕跡。

按照充氧（包括原位充氧和離位充氧）、使用操作、檢查（包括飛行前檢查、日常檢查和維修檢查）、維修保養及其他（包括未進行任何操作以及其他情況）等著火時機的分類統計分析結果如圖2所示。

從圖中可以看出，在充氧操作中著火事故16例，占樣本數的32%，其中充氧完成關閉閥門時發生著火5例，充氧期間著火11例，說明動態過程是導致氧氣系統著火的主要因素之一。使用時出現的7例著火都是利用便攜式氧氣瓶為乘客提供氧氣在調節流量時出現的。其他事件中，有7例是在飛行中出現的，有6例是在地面停機期間，1例是著陸滑行，1例是在起飛階段。

關于著火部位的統計結果如圖3所示。由圖可以看出，在氧氣瓶或瓶閥出現著火的次數占總樣本數的38%，調節器、減壓器或其他閥類出現著火的次數占26%，二者合計占64%，說明了氧氣瓶及閥是系統設計的關鍵，是進行氧氣危險及著火風險分析和材料選擇、結構設計重點考慮的對象。

關于起火原因的統計結果如圖4所示。其中外部原因導致著火的占15%，主要包括吸煙、電器短路等;部件失效（包括使用不合格零件）的占14%，其中1例是因為使用了不合格零件，氧氣泄漏導致著火;因污染導致著火的占12%，包括被油脂、潤滑劑等污染;未知原因或不能確認的占35%，給出最大可能著火因素，如絕熱壓縮、靜電或粒子碰撞等的占14%。實際上，最大可能因素等同于未確認，二者合計占49%，說明了氧氣系統的著火原因除了一些明顯的如有污染物、外部因素等導致著火，其他的基本上都很難準確確定，開展氧氣系統著火機理理論基礎研究將有助于著火原因的分析。

3 著火因素分析

導致氧氣系統著火的因素很多，目前已經認識到的引起著火的因素有[12]溫度、自燃、壓力、濃度、污染物、粒子碰撞、壓縮熱、摩擦及卡滯、共振、靜電放電、電弧、流動摩擦、機械碰撞、著火鏈等。溫度和壓力是導致系統著火的主要因素。溫度是材料著火的必要條件，當溫度升高到一定程度時，材料就會著火，即自燃。材料的著火溫度與系統構型、壓力、材料的性質、形狀、使用環境以及系統的動態流動情況有關。隨著系統壓力的增加，大多數材料的著火溫度降低，火焰的擴展速率增加。

參考文獻[13]列出了下列氧氣系統著火源：（1）單次或重復劇烈壓力沖擊（來自絕熱壓縮的熱）;（2）管路或部件內過高的氣流速度;（3）粒子碰撞;（4）運動件或靜止件之間的摩擦;（5）共振，對金屬和非金屬均有效;（6）電火花（包括靜電或閃電）;（7）污染物。已經證明，在氧氣系統中，絕熱壓縮、摩擦、機械沖擊和含有粒子的高速氣流曾引起系統著火。

實際上，對于氧氣系統來說，所謂的著火因素或著火源可統一歸結為能量，也即氧氣系統內能夠產生能量的各種機理都可作為系統著火因素。因為，在氧氣系統中，著火三要素中氧氣、可燃物是必然存在的，著火的發生主要取決于能量。不同機理產生的能量不同，不同材料的最低著火能量不同，而且與材料的結構形狀、質量大小等也有一定的關系。如碳氫化合物僅需很少的能量就可燃燒，而金屬則需較多的能量才能燃燒。促進燃燒、摩擦熱和粒子碰撞是導致金屬材料著火的三個主要著火因素，高速氧氣流沖擊是非金屬材料著火的主要因素。

由于著火事故的特殊性，往往很難取得直接證據，在進行氧氣系統著火因素分析時一般通過殘骸失效分析、故障復現試驗等手段，給出最大可能著火因素。但大多數事故并不能給出準確的起火原因，這從統計的事故案例中也說明了這點。

4 系統安全性設計要求

由于氧氣特殊屬性以及著火后的危害性，減少或避免系統著火和降低著火后的危害是氧氣系統安全性設計的目的。材料選擇和氧氣危險及著火風險分析（OHFRA）是氧氣系統安全性設計的基本要求。

4.1 材料選擇

選擇合適的材料是減小或避免氧氣系統著火風險的重要措施，氧氣系統中使用的材料必須是與氧氣兼容的。應針對耐久性進行加速（時間一溫度一濃度）氧退化和氧降解試驗，還應進行環境或構型可燃性評估[14]。材料選擇的基本原則是：（1）必須避免選擇在氧氣中易引起劇烈化學反應的材料;（2）雖然在氧氣中不易反應，但仍可燃的材料可以應用，但應進行可燃性和火焰擴展率評估。美國國家航空航天局（NASA）給出的評估用于航天飛機的材料的程序為：

（1）材料的燃燒;

（2）熱釋放率;

（3）非金屬材料的氣味和廢氣成分;

（4）電絕緣可燃性試驗;

（5）材料在氣氧和液氧中的機械和氣動沖擊試驗;

（6）在高壓氧氣中材料的燃燒;

（7）電線絕緣電弧跟蹤。

非金屬材料由于其自燃點較低，在氧氣系統中使用非金屬材料應受到限制，使用量和暴露于氧氣的量應最小。非金屬材料的選用原則為[15]：

（1）當進行機械沖擊時應不反應;

（2）具有較高的自燃溫度（AIT），通常要求與工作溫度至少有100℃的差值;

（3）具有較低的燃燒熱值，建議小于2500cal/g（1cal=4.187J）;

（4）根據應用，應選擇具有較高的氧指數（OI），建議選擇OI超過55的材料，OI低于20的材料不適用于所有條件;

（5）具有較低火焰溫度;

（6）具有較高的安全閾值壓力;

（7）具有較低的火焰擴展率。

4.2 氧氣危險及著火風險分析

氧氣危險及著火風險可用氧氣兼容性來描述。一般來說，如果一個系統不能燃燒或不可能燃燒，或者著火的概率很低，或者甚至潛在的著火能夠隔離并且產生的危害能夠接受，那么這個系統就是氧氣兼容的。當氣氧設備的應用壓力為0.345MPa或更高，就應進行氧氣兼容性評估。對于液氧，其氧氣兼容性分析與應用壓力為3.45MPa的氣氧設備類似。氧氣兼容性的一般評估過程為[16]：

（1）確定最嚴酷的工作條件;

（2）評估系統所用材料的可燃性;

（3）評估存在的著火機理及概率;

（4）確定著火鏈;

（5）分析反應效果;

（6）鑒別應用歷史;

（7）輸出分析結果報告。

在進行氧氣危險及著火風險分析過程中，一般將著火機理出現的概率分為5類，用0～4數字表示，0代表幾乎不可能（Almost Impossible），即不可能事件;1代表極小的（Remote），即發生的概率及其微小;2代表不太可能（Unlikely），即發生的概率較小;3代表很可能（Probable）;4代表極大可能（Highly Probable）。系統著火后的反應程度分為4級，用字母A～D表示，A表示無關緊要的（negligible）：個人沒有受傷，產品、存儲、分配或其他應用無不可接受的影響，系統功能性能沒有不可接受的損壞;B表示次要的（Marginal）：個人受傷害可控，產品、存儲、分配或其他應用是可能的，不超過一個部件或子系統損壞，在事發點可接受的時間內可更換;C表示嚴重的（Critical）：人員受傷，產品、存儲、分配或其他應用嚴重被損壞，兩個或多個部件、子系統被損壞，需要較大的維修;D表示災難的（Catastrophic）：有人死亡或多人受傷，產品、存儲、分配或其他應用的修復是不可能的，主要元件丟失，系統任何部分都不能補救，完全損失。一個典型的氧氣兼容性或氧氣危險及著火風險（OHFRA）分析見表2。

表中第1列為應用項，可以是選用的材料，也可以是系統部件或子系統。工作條件主要是溫度和壓力，如果有特殊的工況也進行評估。潛在的著火機理主要是根據系統構型、使用環境，從已知的著火機理如高速氣流沖擊、粒子碰撞、絕熱壓縮、摩擦、共振等，分析其發生的可能性，填寫數字0～4。著火影響則是根據使用環境和潛在的著火鏈，分析出現著火后可能產生的影響，填寫字母A～D。應用歷史主要是填寫所選材料或部件在應用歷史上是否出現過著火現象。接受的標準一欄則根據具體的應用項進行填寫，如果是材料，可根據相關標準填寫自燃溫度、氧指數、安全閾值壓力、墜撞沖擊著火能量等;如果是部件或子系統，則應填寫使用溫度、壓力、氣流速度等，應根據實際應用情況填寫。評估結果則是根據前述各項進行綜合評估，填寫著火風險可能性大小，用數字0～4表示。一般來說，評估結果為0、1、2的可以接受，即與氧氣是兼容的，3和4則是不可接受，表示與氧氣不兼容。

5 結論

本文通過公開的文獻資料和網絡信息，對飛機氧氣系統著火案例進行了統計分析。雖然統計的樣本數量有限，但分析結果基本上能夠反映氧氣系統著火特性。地面充氧、打開和關閉閥門的瞬間最易引起著火，說明動態過程分析是系統安全性設計的關鍵。氧氣瓶及其閥體、調節器、關斷閥、止回閥等部件是氧氣系統最易著火的部位，對這些部件的氧氣危險及著火風險分析是系統安全性設計的關鍵。

此外，本文對氧氣系統的著火因素、材料選擇一般原則、氧氣危險及風險分析方法進行了簡要描述，可供氧氣系統安全性設計參考。

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