基于氧氣相容性評估的工程定量選材方法

關月明 馬明遠

摘要：氧氣系統具有不可避免的火災危害，因此材料選用對于氧氣系統安全性設計至關重要。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設計中日益受到重視。為了降低氧氣系統火災風險、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。結合材料在富氧環境中的燃燒試驗數據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果，驗證了選材方法的有效性，可為氧氣系統安全性設計提供參考。

關鍵詞：氧氣相容性;定量選材方法，飛機氧氣系統，安全性;層次分析法

中圖分類號：V25 文獻標識碼：A

飛機氧氣系統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。氧氣作為系統的工作介質，雖然化學性質穩定，但其助燃性對于飛機安全具有一定的危險性。在國內外航空領域，高壓氧氣系統已發生了多起火災、燃爆事故[1，2]。導致飛機高壓氧氣系統著火的原因是多方面的，在實際工程應用中，很難對氧氣系統起火的故障進行復現。因此科學合理選材成為氧氣系統的設計重點。

目前針對高壓富氧環境下的材料選用問題，國內外學者已經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會（ASTM）為首的研究機構，早在20世紀70年代就開展了高壓氣氧、液氧系統材料選用的研究，進行了大量金屬和非金屬材料在富氧環境下的燃燒試驗，積累了試驗數據，并制定了相關的行業標準[3～5]。基于各種試驗數據和評價方法，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使用的材料和部件的火災風險[6]。國內學者在高壓富氧環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象的仿真及復現，或是給出一種定性分析方法。在傳統的經驗選材和行業選材方法已不能滿足飛機氧氣系統火災安全性設計要求的情況下，定性分析選材方法很難用于氧氣系統的工程應用。本文將以氧氣相容性評估方法為基礎，利用現有的各項燃燒試驗數據，結合工程定量選材方法，提出飛機氧氣系統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，旨在實現氧氣系統定量選材，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范圍內共存的能力”，按照該定義，氧氣系統中使用的材料除了考慮材料的力學性能，還要考慮氧氣系統工作環境中可能存在的著火源以及材料在富氧環境中的燃燒特性。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，這是火災破壞系統的潛在條件;（5）確定反應效應，即火災可能造成的生命、任務和系統功能的損失;（6）記錄評估結果。

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，確定其發生概率等級，見表2。

1.3 反應效應

反應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，沒有生命和設備損失），B（微弱的，設備損壞，但沒有生命損失），C（嚴重的，測試數據丟失和設備損壞，但沒有生命損失）和D（災難性的，設備和生命損失）。當部件在特定應用下材料著火的反應效應評估等級為A或B，則該部件的材料可以使用，但是需要進行防護設計;如果等級為C或D，則應避免使用該材料。

2 氧氣系統選材方法

2.1 選材方法概述

氧氣系統傳統的選材方祛是根據行業內多年的經驗積累，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據，將定目汾析與定量分析結合，一次只能對一種材料在氧氣環境下的適用目三進行確定。

隨著飛機氧氣系統使用環境日益復雜以及新材料的應用，氧氣系統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合，在多目標的情況下，根據既定目的，利用統一的評價模型，對比各種候選方案，權衡各方案的利弊得失，選擇出總體最優、現實可行的方案。因此，本文提出了一種以系統工程為指導思想的選材方法，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據庫的相關數據，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，選出一種最優方案。具體實施流程如圖1所示。

2.2 確定評價目標

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

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

2.3 提出候選方案

根據選材目標，結合多年行業內氧氣系統設計經驗的積累，從氧氣系統常用材料中（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，特別是該材料曾經應用的場合;對于尚未在氧氣系統中使用的新材料，則應說明其在其他系統中的應用情況，便于設計人員掌握。

2.4 執行氧氣相容性評估

在分析一個實際的氧氣應用之前，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。根據量化的最壞工作條件，應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）由于氧氣系統最高氧濃度為100%，因此優選氧指數大于55的非金屬材料，避免使用氧指數小于20的非金屬材料;（4）優選燃燒熱小于等于10.5MJ/kg的材料，避免使用燃燒熱大于等于41.9MJ/kg的材料;（5）優選由1100mm的落下高度的重復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，對該應用的著火機理及概率，和通過篩選材料的反應效應進行分析，為后續建立定量評價模型做準備。

2.5 構建指標體系

評價指標體系是根據評價目標的層次、特點來設置的。基于氧氣相容性的飛機氧氣系統設計，重點關注燃爆安全問題，要求選用的材料在工作條件下不能著火，因此安全性指標是氧氣系統選材的關鍵指標。

本文根據氧氣相容性評估方法，將安全性目標分解為“易燃性”和“燃燒傳播性”子目標。其中，材料易燃性是材料在既定應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或部件中被點燃后，產生火焰的擴散能力和燃燒的破壞能力。再依據著火機理及反應效應，將子目標進一步分解，直至可用便于處理的一個或幾個評價指標來衡量這些子目標為止。結合材料選用考慮的總目標及子目標，僅以材料評價的性能和安全目才旨標為例，得到氧氣系統選材的指標層次結構圖，如圖2所示。

其中，材料安全性的評價指標是基于材料的著火和燃燒特性試驗數據，以及與氧氣有關的故障研究。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境下的燃燒試驗數據與氧氣相容性評估結合，各種著火機理作為材料易燃性的評價指標，材料的燃燒特性，如氧指數、自燃溫度和燃燒熱等作為燃燒傳播性的評價指標。選取合適的燃燒試驗數據作為材料評價指標的性能數值。常用評價指標與燃燒試驗參數的對應關系見表3。

需要注意的是，材料在富氧環境中的燃燒是一個十分復雜的反應過程，各材料的燃燒特性隨環境、特征尺寸等的變化而變化，且變化趨勢不一致;并且針對特定應用，評價指標對應的燃燒試驗參數可能有一個或多個。因此，在選擇評價指標時需要對材料使用工況進行分析，在統一的燃燒試驗條件下得到的試驗參數中選取適用的參數作為評價指標。

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數據，將候選對象在評價目標下的各項指標的特征進行綜合處理，得到最優方案的過程。因此，本文使用關聯矩陣法[9]進行定量計算，該方法用矩陣形式反映各指標的權重、候選材料的評估值，然后計算各材料評估值的加權和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材料。該方法可操作性強，結果科學客觀，其關鍵是確定計算模型的評價指標和權重。

2.6.2 指標選擇及預處理

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

n個候選材料，每個候選材料有m個指標時，可得初始信息矩陣，其中x'_ij為第i個候選材料的第j個指標的數值。對于逆指標，使用式（1）將其轉換成正指標，得到數據矩陣

使用式（2）對矩陣X^*進行無量綱化，得到標準化矩陣：

2.6.3 指標權重確定

進行定量分析時，部分指標有明確的數據可以作為指標權重，如著火機理的發生概率，而大部分指標難以建立數學模型進行定量分析，因此這類指標的權重使用層次分析法（AHP）[10]確定。AHP的基本思路是確定指標之間的相對重要度，計算步驟如下[11]：

（1）構建判斷矩陣

將圖2中的目標、子目標和指標統稱為因素。根據層次結構，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個因素的相對權重

（3）使用式（3）對判斷矩陣進行一致性檢查

當一致性比率CR<0.1時，判斷矩陣的構建是合理的，否則需要對判斷矩陣中的元素進行適當調整，直至CR<0.1為止。式中：CI為判斷矩陣的一致性指標;λ_max為特征根最大值;n為判斷矩陣的階數;RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，具體值參見表5。

（4）計算指標權重

設指標層有m個指標，根據上述步驟可計算出總目標下所有因素的相對權重，由式（4）得到這m個指標的權重：式中：α¹為第j個指標對于從屬某子目標層1的相對權重，α²為第j個指標對于從屬某子目標層2的相對權重，依次類推。

2.7 定量評價分析

設計算得到各指標的權重分別為ω₁，ω₂，…，ω_m，由式（5）計算各候選材料評估值的加權和W_i，以此為評價的根據，W_i值越高，材料越優。

2.8 確定選材結果

通常地，W_i值最高的材料可確定為選材結果，當多個候選材料中W_i值排序在前且十分接近時，可以通過繪制指標的雷達圖，結合選材目標，特別是重點關注目標，對優選材料的指標值再次評估，確定最終選材結果。

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部閥門靜電積累產生拉弧，點燃彈簧，進而引起劇烈燃燒。事故發生后對充氧接嘴內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性能、工藝性、經濟性等指標，只針對材料的安全性指標進行評估。

3.2 執行氧氣相容性評估

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腔閥門前端，當氧源壓力升高時，克服彈簧力將閥門打開，再經后端過濾塊，進入氧氣瓶。充氧結束后，閥門在氧氣瓶壓力和彈簧力作用下關閉，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，即會點燃氧氣瓶內的高壓氣氧，有燃爆風險，反應效應評估為D級，因此要求所選材料在最壞工作條件下不能發生著火。

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

3.3 確定評價指標及權重

彈簧候選材料的根據著火機理及反應效應評估，建立彈簧材料安全性指標的評價層次結構圖，如圖3所示。

其中彈簧的易燃性指標包括材料開始燃燒的最低溫度T（微粒撞擊試驗）、電導率g、不發生燃燒的最低壓力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v_c剔除;銅合金在氧氣環境中很難發生自燃，使用熔點T_m代替自燃溫度AIT。

查閱ASTM、美國消防協會（NFPA）、NASA等機構的燃燒試驗數，以及相關物性參數，數據為區間值時使用中位值計算。由此得到彈簧材料的評價指標，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，其余均為正指標，根據式（1）、式（2）得到標準化矩陣，見式（7）：

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

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

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

3.4 定量評價分析

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

3.5 確定選材結果

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，均是彈簧的優選材料。繪制指標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個評價指標中，除了“燃燒熱”和“抗絕熱壓縮”指標外其余三個指標均劣于鈹青銅。由于這三種銅合金在氧氣環境中均不燃燒，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用中為最適用材料。某型飛機氧氣瓶地面充氧發生燃燒事故后，通過大量試驗驗證，優化了充氧接嘴的內部機構，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果與本文分析結果一致。

4 結論

通過研究，可以得出以下結論：

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

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

參考文獻

[1]李勇，謝孜楠.飛機氧氣系統引發著火案例的調查研究[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].航空科學技術，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.氧自生增壓系統中的金屬材料安全性分析[J].測控技術，2012，31：316-321.

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

[9]周德群.系統工程概論[M].第二版.北京：科學出版社，2010.

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

[11]張天云.工程材料綜合評價系統研究與實現[D].蘭州：蘭州理工大學，2008：37-38.