某航空發動機滑油管路適航防火試驗故障原因分析

■ 王向輝/中國航發商用航空發動機有限責任公司

0 引言

民用航空發動機的防火性能是保持最低安全水平、滿足適航要求的基本因素之一[1]。適航規章33 部中的33.17 條款也對管路防火提出了明確要求，即“在發動機正常工作期間存留或輸送易燃液體的每一外部管路、接頭和其他部件，必須由中國民用航空局確認是耐火的或是防火的。上述部件必須有防護或正確安裝以防止點燃泄漏的易燃液體[2]。”國內在航空發動機零部件防火方面開展了很多工作，分析適航防火安全性要求，提升航空發動機零部件防火試驗的適航符合性[3，4]。為提升防火試驗仿真分析能力，國內對試驗過程中火焰燃燒器產生的火焰溫度、熱流密度開展了仿真分析[5-10]。但目前在管路防火試驗發生故障時，仍缺少對管路防火試驗故障原因的分析以及排查故障原因的參考性文件。

本文對某型航空發動機滑油管路適航防火驗證試驗中發生泄漏引發火情的故障現象進行分析，深入研究適航防火試驗的關鍵點。在提升對管路適航防火試驗認識和理解的基礎上，提出以故障樹的分析方法梳理可能的原因，從試驗件加工過程復查、試驗故障件檢測、模擬試驗等措施排查可能的故障原因，最后利用仿真分析方法研究故障瞬間試驗件表面的應力狀態。

1 故障現象

某航空發動機滑油管路在進行適航防火能力測試時，按要求將管路組件的連接處置于標準火焰（火焰的溫度滿足1100℃±80℃，熱容量標準值W）中進行15min 的防火試驗[11，12]。開展試驗時，管路的連接處置于火焰中，管路中工作介質的壓力和流量保持在規定的范圍內。當試驗進行到接近15min時，試驗件中較細管路靠近燃燒器火焰的部分發生泄漏，滑油介質爆燃，引發火情。試驗前后的試驗件對比如圖1 所示。

圖1 試驗件試驗前后對比

2 故障分析

根據GJB/Z 768A-1998 標準規定的故障樹分析指南[13]的分析方法，用“試驗件故障”作為頂層事件開展故障樹分析，如圖2 所示。通過故障樹分析得出可能導致試驗件故障的基本事件如下：

圖2 故障樹分析

1）原材料缺陷；

2）加工缺陷；

3）管路組件受熱后材料性能下降；

4）內壓增大；

5）熱應力；

6）重力載荷。

考慮到需將試驗件置于火焰中，在底層事件的篩查中，“管路組件受熱后材料性能下降”“熱應力”“重力載荷”等屬于試驗考核條件下需要承受的環境因素，無需進行排查。重點需要對“原材料缺陷”“加工缺陷”“內壓增大”等事件進行核查。

3 故障排查

通過試驗件加工過程復查、故障件檢測、模擬試驗等措施排查故障原因，最終確認工作介質快速氣化導致試驗件中內壓增大是試驗件破裂的直接原因。

3.1 試驗件加工過程復查

通過審查試制加工過程的檢驗和檢測記錄，同批次原材料檢測，排除試驗件原材料缺陷或試驗件加工缺陷的可能。

3.2 故障件檢測

通過對故障件材料端口進行斷口形貌掃描電子顯微鏡（SEM）分析和對斷口進行能譜（EDS）分析，發現滑油管斷裂是韌性均勻斷裂，材料組織均勻，斷口周圍不存在明顯夾雜及缺陷。斷口成分分析主要為鐵的氧化物和硫化物，無非金屬夾雜。

故障件檢測結果進一步確認故障非“原材料缺陷”或“加工缺陷”，而是試驗件中的內壓增大，使管路表面產生撕裂。

1）掃描電子顯微鏡檢查

利用電子顯微鏡檢測管路的斷口，如圖3、圖4 所示，管路的斷口特點如下：

圖3 管路斷口上側檢測結果

圖4 管路斷口下側檢測結果

a. 管路的斷口以韌窩斷裂為主，其中韌窩受力為切應力方向，試樣斷裂為韌性斷裂；

b. 管路的表面可以看到在離斷口較近的區域平行導管軸向的二次裂紋數量較多，裂紋較寬。在離斷口較遠的區域，裂紋數量減少，同時裂紋變得細小；

c. 從斷口及其周圍形貌分析來看，材料組織不存在異常缺陷及明顯夾雜物。

2）能譜檢測分析

利用能譜儀對滑油管路的斷口進行成分能譜分析，發現成分主要為鐵的氧化物、硫化物，無明顯夾雜。因此，管路在防火試驗中發生破裂，不是材料的異常現象引起的。能譜分析的選取區域如圖5、圖6 所示。

圖5 管路裂口能譜分析區域

圖6 管路裂口內壁能譜分析區域

3.3 模擬試驗

根據試驗條件，與潤滑油公司進行專項研討分析開展了模擬試驗“滑油介質歧管著火試驗”“氮氣常壓環境滑油介質加溫試驗”和“0.3MPa 氮氣環境滑油介質加溫試驗”。通過模擬試驗分析，明確主要是因為工作介質氣化導致試驗件中內壓快速增大。

1）滑油介質歧管著火試驗

將管壁厚度為1mm，材料為不銹鋼的歧管加溫到試驗指定溫度，將“試驗用滑油”滴落到歧管表面后，滑油介質迅速氣化，并無火焰產生，試驗過程如圖7 所示。

圖7 滑油介質歧管著火試驗過程示意圖

2）氮氣環境滑油介質加溫試驗

即在氮氣環境下，使用“試驗用滑油”3 ～5mg 放置托盤內，在密閉的試驗設備內進行滑油介質的加溫試驗，測試滑油介質的質量變化速率和單位質量滑油介質吸熱率隨著溫度變化的過程，試驗托盤和設備如圖8 所示。

圖8 托盤和試驗設備

圖9 所示氮氣常壓環境滑油吸熱率隨溫度變化曲線說明如下：

a. 藍色曲線為試驗用滑油特性，黑色曲線為對比分析用滑油特性；

b. 平滑下降為托盤內滑油介質的質量變化速率隨溫度變化的曲線，橫坐標溫度℃，縱坐標mL/min；

c. 有波谷的曲線為單位質量介質吸熱速率隨溫度變化的曲線，橫坐標溫度℃，縱坐標mW/mg。

圖9 所示試驗現象分析如下：

圖9 氮氣常壓環境滑油吸熱率隨溫度變化曲線

a. 從滑油介質的質量變化速率隨溫度變化的曲線可以看出，滑油介質溫度在0 ～250℃時，揮發速率基本平穩，溫度上升到270℃時，揮發速率迅速增大，在約370℃時介質完全氣化；

b. 單位質量介質吸熱速率隨溫度變化的曲線初步可以判斷，介質沒有發生熱分解反應；因熱分解反應為快速吸熱的化學變化，如發生則曲線會出現尖銳的波谷；

c. 從單位質量介質吸熱速率隨溫度變化的曲線可以看出，在350℃時介質的吸熱效率最高，此時介質迅速氣化。

圖10 所示氮氣0.3 MPa 條件下滑油吸熱率隨溫度變化曲線說明如下：

圖10 氮氣0.3MPa條件下滑油吸熱率隨溫度變化曲線

a. 藍色曲線為試驗用滑油特性，黑色曲線為對比分析用滑油特性；

b. 單位質量介質吸熱速率隨溫度變化的曲線，橫坐標溫度℃，縱坐標mW/mg。

圖10 所示試驗現象分析如下：

a. 從單位質量介質吸熱速率隨溫度變化的曲線初步可以判斷，介質沒有發生熱分解反應；因熱分解反應為快速吸熱的化學變化，如發生熱分解則曲線會出現脈沖式尖銳的波谷；

b. 從單位質量介質吸熱速率隨溫度變化的曲線可以看出，在350℃時介質的吸熱效率最高，此時介質迅速氣化。

3）模擬試驗小結

通過模擬試驗分析得出“試驗用滑油”的兩個特點：

a. 試驗用滑油高溫條件下在沒有氧氣或氧化劑的情況下（即氮氣環境或無氧化劑）不會發生熱分解反應，熱分解是一個需要有氧化劑（如氧氣）的吸熱過程；

b. 試驗用滑油的溫度上升到270℃以上后，介質開始快速氣化，溫度達到350℃以上后，氣化速率快速上升。

綜上，根據試驗測試參數模擬試驗過程中“試驗用滑油”的參數曲線，呈現“試驗用滑油”的氣化過程曲線，還原試驗中工作介質變化過程，明確主要是因為工作介質氣化導致管路內壓增大。

4 仿真分析

以試驗件故障瞬間的參數為依據，以管壁溫度載荷、管路內壁上的壓力載荷、試驗件重力載荷作為有限元的輸入載荷，開展有限元分析工作。

根據有限元分析結果，試驗件故障處的最大應力大于此溫度下材料的極限強度，如圖11 所示。如單獨考慮試驗件中的內部壓力載荷，管路裂口處的最大應力與故障處的最大應力比值為90%，僅內壓產生應力值就接近此溫度材料的極限強度。三種載荷作用對應的應力與故障處的三種載荷共同作用下最大應力比值如表1 所示。

表1 試驗件故障瞬間在三種載荷下的應力與故障處最大應力的比值

圖11 試驗件有限元分析的應力云圖

試驗件中內壓載荷對試驗件表面應力有重要的影響，是試驗件遭破壞的重要因素。

5 結論

針對某航空發動機滑油管路適航防火試驗中發生泄漏引發火情這一故障現象，利用故障樹分析可能的故障原因，通過試驗件加工過程復查、故障件檢測、模擬試驗等措施進行逐項排除，明確是由于內壓增大導致的試驗故障。最后，利用有限元仿真分析的方法，呈現試驗件破壞瞬間試驗件所受三種載荷導致試驗件表面的應力狀態。

該方法可應用到其他管路適航防火試驗分析，為適航防火試驗排故工作提供重要參考。