基于氧氣相容性評估的工程定量選材方法

關(guān)月明 馬明遠(yuǎn)

摘要：氧氣系統(tǒng)具有不可避免的火災(zāi)危害，因此材料選用對于氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計至關(guān)重要。氧氣相容性評估已成為材料適用性判斷的重要手段，在航空航天氧氣系統(tǒng)設(shè)計中日益受到重視。為了降低氧氣系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險、提高選材效率，建立了工程適用的、操作性強的定量選材方法。結(jié)合材料在富氧環(huán)境中的燃燒試驗數(shù)據(jù)和氧氣相容性評估方法，歸納出工程定量選材的計算方法，并給出具體實施步驟。對比某型飛機氧氣瓶充氧接嘴彈簧選材的計算和試驗結(jié)果，驗證了選材方法的有效性，可為氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：氧氣相容性;定量選材方法，飛機氧氣系統(tǒng)，安全性;層次分析法

中圖分類號：V25 文獻標(biāo)識碼：A

飛機氧氣系統(tǒng)的主要功能是在飛行過程中為機上人員提供呼吸用氧，以防止高空低氣壓引起的人體高空缺氧。氧氣作為系統(tǒng)的工作介質(zhì)，雖然化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但其助燃性對于飛機安全具有一定的危險性。在國內(nèi)外航空領(lǐng)域，高壓氧氣系統(tǒng)已發(fā)生了多起火災(zāi)、燃爆事故[1，2]。導(dǎo)致飛機高壓氧氣系統(tǒng)著火的原因是多方面的，在實際工程應(yīng)用中，很難對氧氣系統(tǒng)起火的故障進行復(fù)現(xiàn)。因此科學(xué)合理選材成為氧氣系統(tǒng)的設(shè)計重點。

目前針對高壓富氧環(huán)境下的材料選用問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量的試驗和理論研究。以美國國家航空航天局（NASA）和美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）為首的研究機構(gòu)，早在20世紀(jì)70年代就開展了高壓氣氧、液氧系統(tǒng)材料選用的研究，進行了大量金屬和非金屬材料在富氧環(huán)境下的燃燒試驗，積累了試驗數(shù)據(jù)，并制定了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3～5]。基于各種試驗數(shù)據(jù)和評價方法，NASA建立了一套氧氣相容性評估方法，可以用于評估氧氣系統(tǒng)使用的材料和部件的火災(zāi)風(fēng)險[6]。國內(nèi)學(xué)者在高壓富氧環(huán)境下的材料選用及燃燒特性研究方面，也做了一定工作。趙汗青等[7]對金屬顆粒物與金屬表面的碰撞機理進行理論分析和建模，以衡量氧自生增壓輸送管路的安全性。王戈[8]研究了聚合物及其復(fù)合材料與液氧的相容性問題。

然而，已有的選材研究大多是對已知燃燒現(xiàn)象的仿真及復(fù)現(xiàn)，或是給出一種定性分析方法。在傳統(tǒng)的經(jīng)驗選材和行業(yè)選材方法已不能滿足飛機氧氣系統(tǒng)火災(zāi)安全性設(shè)計要求的情況下，定性分析選材方法很難用于氧氣系統(tǒng)的工程應(yīng)用。本文將以氧氣相容性評估方法為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的各項燃燒試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合工程定量選材方法，提出飛機氧氣系統(tǒng)材料選用的評價方法，并給出具體實施步驟。該方法能夠同時對多個候選材料的多種影響因素按重要度進行綜合評價并排序，旨在實現(xiàn)氧氣系統(tǒng)定量選材，并為安全性評估提供分析工具。

1 氧氣相容性評估方法

1.1 評估方法及流程

材料與氧氣的相容性定義為“在特定的壓力和溫度下，材料與氧及潛在著火源在一定危險系數(shù)范圍內(nèi)共存的能力”，按照該定義，氧氣系統(tǒng)中使用的材料除了考慮材料的力學(xué)性能，還要考慮氧氣系統(tǒng)工作環(huán)境中可能存在的著火源以及材料在富氧環(huán)境中的燃燒特性。氧氣相容性評估程序如下[6]：（1）確定最壞工作條件;（2）評估在使用條件下被氧氣浸潤材料的易燃性;（3）評估著火機理的存在和概率;（4）評估傳火路徑，這是火災(zāi)破壞系統(tǒng)的潛在條件;（5）確定反應(yīng)效應(yīng)，即火災(zāi)可能造成的生命、任務(wù)和系統(tǒng)功能的損失;（6）記錄評估結(jié)果。

1.2 著火機理及概率

氧氣相容性評估過程中，對存在易燃材料的部件，需評估表1所示常見的著火機理，以確定它是否存在于部件中，以及是否會引起點火;并對每個著火機理進行分析，確定其發(fā)生概率等級，見表2。

1.3 反應(yīng)效應(yīng)

反應(yīng)效果評估將有助于確定部件是否可以安全使用。評估等級分為A（可忽略的，沒有生命和設(shè)備損失），B（微弱的，設(shè)備損壞，但沒有生命損失），C（嚴(yán)重的，測試數(shù)據(jù)丟失和設(shè)備損壞，但沒有生命損失）和D（災(zāi)難性的，設(shè)備和生命損失）。當(dāng)部件在特定應(yīng)用下材料著火的反應(yīng)效應(yīng)評估等級為A或B，則該部件的材料可以使用，但是需要進行防護設(shè)計;如果等級為C或D，則應(yīng)避免使用該材料。

2 氧氣系統(tǒng)選材方法

2.1 選材方法概述

氧氣系統(tǒng)傳統(tǒng)的選材方祛是根據(jù)行業(yè)內(nèi)多年的經(jīng)驗積累，從已知可用的幾種材料中選擇適用的材料，滿足系統(tǒng)性能及安全要求，是一種定性分析方法。新興的氧氣相容性評估過程選材，考慮了著火機理和可靠的試驗數(shù)據(jù)，將定目汾析與定量分析結(jié)合，一次只能對一種材料在氧氣環(huán)境下的適用目三進行確定。

隨著飛機氧氣系統(tǒng)使用環(huán)境日益復(fù)雜以及新材料的應(yīng)用，氧氣系統(tǒng)選材時的影響因素增多，這就要求定量分析與定性分析的有機結(jié)合，在多目標(biāo)的情況下，根據(jù)既定目的，利用統(tǒng)一的評價模型，對比各種候選方案，權(quán)衡各方案的利弊得失，選擇出總體最優(yōu)、現(xiàn)實可行的方案。因此，本文提出了一種以系統(tǒng)工程為指導(dǎo)思想的選材方法，基于將氧氣相容性評估方法融入選材流程，同時利用燃燒試驗數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，以及工程定量計算方法建立評價模型，對材料進行綜合評價，以實現(xiàn)在多種適用的候選材料中，針對多個影響因素，選出一種最優(yōu)方案。具體實施流程如圖1所示。

2.2 確定評價目標(biāo)

對于飛機氧氣系統(tǒng)特定零部件的選材，總體目標(biāo)是滿足使用需求，包括性能、壽命、可靠性、安全性、工藝性等多個分層目標(biāo)。

這些分層目標(biāo)通常包含多個指標(biāo)來衡量，因此需要進一步分解成更具體的子目標(biāo)，直至可以用一個或幾個評價指標(biāo)來衡量。

2.3 提出候選方案

根據(jù)選材目標(biāo)，結(jié)合多年行業(yè)內(nèi)氧氣系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗的積累，從氧氣系統(tǒng)常用材料中（包括金屬材料和非金屬材料）提出候選材料方案，并對各方案進行簡要說明，特別是該材料曾經(jīng)應(yīng)用的場合;對于尚未在氧氣系統(tǒng)中使用的新材料，則應(yīng)說明其在其他系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，便于設(shè)計人員掌握。

2.4 執(zhí)行氧氣相容性評估

在分析一個實際的氧氣應(yīng)用之前，必須量化最壞工作條件，主要包括最高工作溫度、最高工作壓力、最高氧濃度等，這些均能加劇材料的易燃性和著火危險。根據(jù)量化的最壞工作條件，應(yīng)遵照以下原則對候選材料進行篩選[4]：（1）材料的自燃溫度必須大于最高工作溫度（含絕熱壓縮），并且有至少100℃的安全閾值，優(yōu)選自燃溫度大于等于4001C的材料，避免使用自燃溫度小于等于160℃的材料;（2）材料抗促進燃燒的最低壓力必須大于最高工作壓力;（3）由于氧氣系統(tǒng)最高氧濃度為100%，因此優(yōu)選氧指數(shù)大于55的非金屬材料，避免使用氧指數(shù)小于20的非金屬材料;（4）優(yōu)選燃燒熱小于等于10.5MJ/kg的材料，避免使用燃燒熱大于等于41.9MJ/kg的材料;（5）優(yōu)選由1100mm的落下高度的重復(fù)試驗中抵抗沖擊引起著火的材料，避免使用152mm或更低的高度易著火的材料。

同時，對該應(yīng)用的著火機理及概率，和通過篩選材料的反應(yīng)效應(yīng)進行分析，為后續(xù)建立定量評價模型做準(zhǔn)備。

2.5 構(gòu)建指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系是根據(jù)評價目標(biāo)的層次、特點來設(shè)置的?；谘鯕庀嗳菪缘娘w機氧氣系統(tǒng)設(shè)計，重點關(guān)注燃爆安全問題，要求選用的材料在工作條件下不能著火，因此安全性指標(biāo)是氧氣系統(tǒng)選材的關(guān)鍵指標(biāo)。

本文根據(jù)氧氣相容性評估方法，將安全性目標(biāo)分解為“易燃性”和“燃燒傳播性”子目標(biāo)。其中，材料易燃性是材料在既定應(yīng)用的最壞工作條件下抵抗著火的能力，涉及工作條件下的潛在著火機理的評估;燃燒傳播性是材料在系統(tǒng)或部件中被點燃后，產(chǎn)生火焰的擴散能力和燃燒的破壞能力。再依據(jù)著火機理及反應(yīng)效應(yīng)，將子目標(biāo)進一步分解，直至可用便于處理的一個或幾個評價指標(biāo)來衡量這些子目標(biāo)為止。結(jié)合材料選用考慮的總目標(biāo)及子目標(biāo)，僅以材料評價的性能和安全目才旨標(biāo)為例，得到氧氣系統(tǒng)選材的指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

其中，材料安全性的評價指標(biāo)是基于材料的著火和燃燒特性試驗數(shù)據(jù)，以及與氧氣有關(guān)的故障研究。目前為止，沒有任何一個材料試驗適用于所有的材料，以確定材料在富氧環(huán)境中的燃燒并給出相對評級。因此，將大量金屬和非金屬材料在富氧環(huán)境下的燃燒試驗數(shù)據(jù)與氧氣相容性評估結(jié)合，各種著火機理作為材料易燃性的評價指標(biāo)，材料的燃燒特性，如氧指數(shù)、自燃溫度和燃燒熱等作為燃燒傳播性的評價指標(biāo)。選取合適的燃燒試驗數(shù)據(jù)作為材料評價指標(biāo)的性能數(shù)值。常用評價指標(biāo)與燃燒試驗參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系見表3。

需要注意的是，材料在富氧環(huán)境中的燃燒是一個十分復(fù)雜的反應(yīng)過程，各材料的燃燒特性隨環(huán)境、特征尺寸等的變化而變化，且變化趨勢不一致;并且針對特定應(yīng)用，評價指標(biāo)對應(yīng)的燃燒試驗參數(shù)可能有一個或多個。因此，在選擇評價指標(biāo)時需要對材料使用工況進行分析，在統(tǒng)一的燃燒試驗條件下得到的試驗參數(shù)中選取適用的參數(shù)作為評價指標(biāo)。

2.6 建立評價模型

2.6.1 評價模型概述

工程定量選材是利用模型和相關(guān)數(shù)據(jù)，將候選對象在評價目標(biāo)下的各項指標(biāo)的特征進行綜合處理，得到最優(yōu)方案的過程。因此，本文使用關(guān)聯(lián)矩陣法[9]進行定量計算，該方法用矩陣形式反映各指標(biāo)的權(quán)重、候選材料的評估值，然后計算各材料評估值的加權(quán)和W_i，再通過比較W_i，綜合評價值W_i最大的材料即為最優(yōu)材料。該方法可操作性強，結(jié)果科學(xué)客觀，其關(guān)鍵是確定計算模型的評價指標(biāo)和權(quán)重。

2.6.2 指標(biāo)選擇及預(yù)處理

根據(jù)2.5節(jié)，在構(gòu)建氧氣系統(tǒng)定量選材的指標(biāo)體系時，經(jīng)分析可得選材的評價指標(biāo)和指標(biāo)值。這些評價指標(biāo)具有不同的物理量綱，無法直接用于定量計算，因此需要對指標(biāo)進行定量化和范化處理。以圖2中的安全性指標(biāo)值為例，p，D_N，T，H，pv，IO和AIT是正指標(biāo)，即數(shù)值越大越好;v，v_c和H_c是逆指標(biāo)，即數(shù)值越小越好。

n個候選材料，每個候選材料有m個指標(biāo)時，可得初始信息矩陣，其中x'_ij為第i個候選材料的第j個指標(biāo)的數(shù)值。對于逆指標(biāo)，使用式（1）將其轉(zhuǎn)換成正指標(biāo)，得到數(shù)據(jù)矩陣

使用式（2）對矩陣X^*進行無量綱化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

2.6.3 指標(biāo)權(quán)重確定

進行定量分析時，部分指標(biāo)有明確的數(shù)據(jù)可以作為指標(biāo)權(quán)重，如著火機理的發(fā)生概率，而大部分指標(biāo)難以建立數(shù)學(xué)模型進行定量分析，因此這類指標(biāo)的權(quán)重使用層次分析法（AHP）[10]確定。AHP的基本思路是確定指標(biāo)之間的相對重要度，計算步驟如下[11]：

（1）構(gòu)建判斷矩陣

將圖2中的目標(biāo)、子目標(biāo)和指標(biāo)統(tǒng)稱為因素。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)，對于從屬某上一層的各個因素，對兩兩因素之間的相對重要性進行比較得到的評價。設(shè)有n個因素從屬于第k層第l個因素，則這n個因素通過兩兩比較構(gòu)成判斷矩陣C=（c_ij）n×n。c_ij的取值及含義見表4。

（2）計算判斷矩陣C的特征矢量

可得到n個因素的相對權(quán)重

（3）使用式（3）對判斷矩陣進行一致性檢查

當(dāng)一致性比率CR<0.1時，判斷矩陣的構(gòu)建是合理的，否則需要對判斷矩陣中的元素進行適當(dāng)調(diào)整，直至CR<0.1為止。式中：CI為判斷矩陣的一致性指標(biāo);λ_max為特征根最大值;n為判斷矩陣的階數(shù);RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)，具體值參見表5。

（4）計算指標(biāo)權(quán)重

設(shè)指標(biāo)層有m個指標(biāo)，根據(jù)上述步驟可計算出總目標(biāo)下所有因素的相對權(quán)重，由式（4）得到這m個指標(biāo)的權(quán)重：式中：α¹為第j個指標(biāo)對于從屬某子目標(biāo)層1的相對權(quán)重，α²為第j個指標(biāo)對于從屬某子目標(biāo)層2的相對權(quán)重，依次類推。

2.7 定量評價分析

設(shè)計算得到各指標(biāo)的權(quán)重分別為ω₁，ω₂，…，ω_m，由式（5）計算各候選材料評估值的加權(quán)和W_i，以此為評價的根據(jù)，W_i值越高，材料越優(yōu)。

2.8 確定選材結(jié)果

通常地，W_i值最高的材料可確定為選材結(jié)果，當(dāng)多個候選材料中W_i值排序在前且十分接近時，可以通過繪制指標(biāo)的雷達圖，結(jié)合選材目標(biāo)，特別是重點關(guān)注目標(biāo)，對優(yōu)選材料的指標(biāo)值再次評估，確定最終選材結(jié)果。

3 選材示例

3.1 選材背景

某型飛機在地面充氧時起火，事故原因確定為氧氣瓶充氧接嘴內(nèi)部閥門靜電積累產(chǎn)生拉弧，點燃彈簧，進而引起劇烈燃燒。事故發(fā)生后對充氧接嘴內(nèi)部彈簧材料進行更改，使用本文提出方法對彈簧進行定量選材。候選材料有故障件材料碳素鋼以及氧氣系統(tǒng)中常用材料（鈹青銅、錫青銅和蒙乃爾合金（Monel 400））。在此選材過程中，為了簡化計算，不考慮候選材料的力學(xué)性能、工藝性、經(jīng)濟性等指標(biāo)，只針對材料的安全性指標(biāo)進行評估。

3.2 執(zhí)行氧氣相容性評估

充氧接嘴由殼體、閥門、彈簧及過濾塊等組成。充氧時，高壓氧氣通過管路、前端過濾塊進入組合件內(nèi)腔閥門前端，當(dāng)氧源壓力升高時，克服彈簧力將閥門打開，再經(jīng)后端過濾塊，進入氧氣瓶。充氧結(jié)束后，閥門在氧氣瓶壓力和彈簧力作用下關(guān)閉，并保持氣密。

地面充氧時，充氧接嘴中彈簧的工作條件為：最高工作壓力為25MPa，最高氧濃度為100%，充氧時閥門快速打開局部純氧絕熱壓縮可獲得極大溫升，高速氣流摩擦容易在非金屬閥門端頭積累電荷，充氧接嘴前端過濾塊可濾除氣流中絕大部分微粒。分析最壞工作條件，得到彈簧的潛在著火機理及概率，見表6。一旦彈簧著火，即會點燃氧氣瓶內(nèi)的高壓氣氧，有燃爆風(fēng)險，反應(yīng)效應(yīng)評估為D級，因此要求所選材料在最壞工作條件下不能發(fā)生著火。

由于碳素鋼在純氧環(huán)境下的燃燒壓力閾值為0.7MPa，低于彈簧工作環(huán)境壓力值，不能使用，將之從候選材料中剔除。

3.3 確定評價指標(biāo)及權(quán)重

彈簧候選材料的根據(jù)著火機理及反應(yīng)效應(yīng)評估，建立彈簧材料安全性指標(biāo)的評價層次結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

其中彈簧的易燃性指標(biāo)包括材料開始燃燒的最低溫度T（微粒撞擊試驗）、電導(dǎo)率g、不發(fā)生燃燒的最低壓力P（促進燃燒試驗）和自燃溫度AIT;彈簧的傳播性評估指標(biāo)包括燃燒熱H_c和燃燒速率V_c。由于三種候選材料均為銅合金，在試驗中不傳播燃燒，則燃燒速率指標(biāo)v_c剔除;銅合金在氧氣環(huán)境中很難發(fā)生自燃，使用熔點T_m代替自燃溫度AIT。

查閱ASTM、美國消防協(xié)會（NFPA）、NASA等機構(gòu)的燃燒試驗數(shù)，以及相關(guān)物性參數(shù)，數(shù)據(jù)為區(qū)間值時使用中位值計算。由此得到彈簧材料的評價指標(biāo)，見表7。

由表7可得初始信息矩陣，見式（6）：

式（6）中除了燃燒熱為逆指標(biāo)，其余均為正指標(biāo)，根據(jù)式（1）、式（2）得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，見式（7）：

根據(jù)表6中著火機理發(fā)生概率，可以確定易燃性的4個指標(biāo)權(quán)重分別為α₁¹=（0.143，0.286，0.14，0.428）。燃燒傳播性指標(biāo)只有燃燒熱，則權(quán)重指標(biāo)α₂¹=1。

彈簧材料評價總目標(biāo)層下，材料易燃性和燃燒傳播性的兩個目標(biāo)層的判斷矩陣見式（8）：

根據(jù)2.3.2節(jié)方法，計算得到材料易燃性和燃燒傳播性的相對權(quán)重為α²=（0.667，0.333）。由此得到材料評價指標(biāo)的相對權(quán)重為ω=（0.095，0.192，0.095，0.285，0.333）。

3.4 定量評價分析

由式（5）、式（7）和權(quán)重ω計算各候選材料的分值W_i，依此作為評價依據(jù)，得到各候選材料的排序，具體數(shù)值見表8。

3.5 確定選材結(jié)果

由表8可知，錫青銅評分值最高，鈹青銅與錫青銅的評分十分接近，均是彈簧的優(yōu)選材料。繪制指標(biāo)雷達圖進一步分析材料性能，如圖4所示。

由圖4可知，錫青銅在5個評價指標(biāo)中，除了“燃燒熱”和“抗絕熱壓縮”指標(biāo)外其余三個指標(biāo)均劣于鈹青銅。由于這三種銅合金在氧氣環(huán)境中均不燃燒，且考慮燃燒事故的故障原因為靜電積累，因此鈹青銅在充氧接嘴彈簧材料應(yīng)用中為最適用材料。某型飛機氧氣瓶地面充氧發(fā)生燃燒事故后，通過大量試驗驗證，優(yōu)化了充氧接嘴的內(nèi)部機構(gòu)，同時更改彈簧材料：由碳素鋼改為鈹青銅。材料選用試驗驗證結(jié)果與本文分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）本文提出的基于氧氣相容性評估的工程定量選材方法，能夠同時對多個材料的多種影響因素按重要度進行綜合評價并排序。

（2）與氧氣系統(tǒng)傳統(tǒng)選材方法相比，本文利用工程材料綜合評價的先進思路，結(jié)合氧氣系統(tǒng)安全目：設(shè)計的特點，建立的氧氣系統(tǒng)選材流程，步驟清晰、操作性強，提高了系統(tǒng)設(shè)計效率。

（3）利用公開的材料燃燒數(shù)據(jù)計算，方法快速、直觀、準(zhǔn)確，選材結(jié)果與試驗驗證結(jié)果一致，可為氧氣系統(tǒng)選材、安全性評估供參考依據(jù)，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]李勇，謝孜楠.飛機氧氣系統(tǒng)引發(fā)著火案例的調(diào)查研究[耳航空安全，2010，112（4）：68-70.

[2]封文春，董鵬濤，楊靜.飛機充氧過程燃爆機理分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014，25（12）：44-48.

[3]ASTM.ASTM G94-05 Standard guide for evaluating metalsfor oxygen service[S].West Conshohocken，PA：ASTM Interna-tional，2014.

[4]ASTM.ASTM G63-99 Standard guide for evaluating nonme-tallic materials for oxygen service[S].West Conshohocken，PA：ASTM International，2007.

[5]ASTM.ASTM G128/G128M-15 Standard guide for control ofhazards and risks in oxygen enriched systems[S].West Consho-hocken，PA：ASTM International，2015.

[6]Beeson H D，Smith S R，Stewart W F.Safe use of oxygen andoxygen systems：handbook for design，operation，and mainte-nance[M].2nd Edition.West Conshohocken，PA：ASTM Inter-national，2007.

[7]趙汗青，張穎軒，彭泳卿，等.氧自生增壓系統(tǒng)中的金屬材料安全性分析[J].測控技術(shù)，2012，31：316-321.

[8]王戈.與液氧相容性聚合物及其復(fù)合材料研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2005：8-17.

[9]周德群.系統(tǒng)工程概論[M].第二版.北京：科學(xué)出版社，2010.

[10]薛居征.基于層次分析法的群決策方法及應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[11]張?zhí)煸?工程材料綜合評價系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008：37-38.