飛機(jī)氧氣系統(tǒng)著火案例分析及安全性設(shè)計(jì)要求

封文春

摘要：飛機(jī)氧氣系統(tǒng)曾多次出現(xiàn)著火事故。根據(jù)公開的文獻(xiàn)資料和網(wǎng)絡(luò)信息，統(tǒng)計(jì)分析了50例飛機(jī)氧氣系統(tǒng)著火事故。分析結(jié)果表明，充氧、打開或關(guān)閉閥門等動態(tài)過程是最易著火階段，氧氣瓶及閥體組件、調(diào)節(jié)器、關(guān)斷閥等是最易著火部位。開展系統(tǒng)動態(tài)過程和關(guān)鍵部件氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析是減小或避免系統(tǒng)著火的重要措施。對氧氣系統(tǒng)著火因素進(jìn)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(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，介紹了氧氣系統(tǒng)材料尤其是非金屬材料選擇一般準(zhǔn)則和氧氣兼容性分析方法，為氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)氧氣系統(tǒng);著火事故;著火因素;氧氣兼容性;氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析

中圖分類號：V245.3+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

雖然氧氣自身并不燃燒，但卻是強(qiáng)烈的氧化劑。許多物質(zhì)，包括金屬和非金屬，尤其是碳?xì)浠衔铮诟邏杭冄鯒l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(fā)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(bào)告，每起事故都牽涉到便攜式氧氣瓶以及壓力流量組合調(diào)節(jié)器，共造成11名人員嚴(yán)重?zé)齻鸞1]。2003-2006年來自美國消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會的國家電傷監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表明，平均1190例燒傷牽涉到家庭醫(yī)療用氧。來自美國火災(zāi)管理局的國家火災(zāi)事故報(bào)告系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表明，2002-2005年間，每年估計(jì)平均有206例家庭火災(zāi)牽涉到氧氣設(shè)備著火[2]。美國空軍1978-1993年的飛機(jī)氧氣系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，氧氣系統(tǒng)著火事故率為0.77次/百萬飛行小時(shí)[3]。2008年我國西北航空公司的A319飛機(jī)、美國ABX航空公司波音767-200貨機(jī)和澳大利亞快達(dá)航空公司波音747-400飛機(jī)分別發(fā)生了氧氣系統(tǒng)著火事故[4]。美國P-3飛機(jī)分別在1984年、1998年和2003年發(fā)生氧氣系統(tǒng)著火事故[5]。在20世紀(jì)60年代中期，波音公司曾因氧氣管路的設(shè)計(jì)缺陷在連續(xù)兩年內(nèi)共發(fā)生18次氧氣系統(tǒng)著火事故[6]。根據(jù)美國空軍Norton安全辦公室的報(bào)告，1978-1990年共發(fā)生7例涉及飛機(jī)充氧車的著火事故閉。我國在近幾年也出現(xiàn)了數(shù)起飛機(jī)氧氣系統(tǒng)著火事故。

針對飛機(jī)氧氣系統(tǒng)來說，系統(tǒng)內(nèi)為高壓純氧，所采用的材料都可成為燃燒物質(zhì)，流動狀態(tài)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(fā)著火的能量，因此，著火三因素是必然存在的。一般通過系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)來減少或避免系統(tǒng)著火。了解著火因素或機(jī)理，可以為系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。本文統(tǒng)計(jì)分析了近幾十年部分飛機(jī)氧氣系統(tǒng)的著火案例，對導(dǎo)致著火的因素進(jìn)行了分析，為飛機(jī)氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)提供參考。

1 飛機(jī)氧氣系統(tǒng)

對于民用航空飛機(jī)來說，氧氣系統(tǒng)一般由三個(gè)分系統(tǒng)組成，即機(jī)組氧氣系統(tǒng)、旅客氧氣系統(tǒng)和便攜式氧氣。機(jī)組氧氣系統(tǒng)一般采用存儲在高壓氣瓶內(nèi)的高壓氣氧作為氧源;旅客氧氣系統(tǒng)則根據(jù)需要，既有采用高壓氣氧，也有采用化學(xué)氧作為氧源;便攜式氧氣一般包括防護(hù)性呼吸設(shè)備（PBE）和便攜式氧氣設(shè)備。PBE一般采用化學(xué)氧，便攜式氧氣設(shè)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(gè)人便攜式氧氣允許在飛機(jī)上使用。

對于軍用飛機(jī)，氧源主要有氣氧、液氧和機(jī)載分子篩制氧。機(jī)載分子篩制氧是目前軍用作戰(zhàn)飛機(jī)廣泛采用的氧源，部分運(yùn)輸類飛機(jī)也采用機(jī)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(chǎn)氧濃度最高只有95%，而且為了保證供氧安全性，采用機(jī)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(nèi)的高壓氣氧。

相對于液氧、化學(xué)氧和機(jī)載制氧，高壓氣氧的著火風(fēng)險(xiǎn)最高，大多數(shù)飛機(jī)氧氣系統(tǒng)的著火事故均是氧氣系統(tǒng)。

2 著火案例統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)公開的文獻(xiàn)資料和網(wǎng)上信息，1960年至今共收集統(tǒng)計(jì)了軍用、民用飛機(jī)氧氣系統(tǒng)50例著火事故，見表1[7～11]。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的50例著火事故，按年代事故次數(shù)分布如圖1所示。雖然圖1不能完全代表飛機(jī)氧氣系統(tǒng)著火事故分布概率，但大致能夠表明飛機(jī)氧氣系統(tǒng)著火事故呈逐漸減少的趨勢。說明隨著對氧氣系統(tǒng)著火機(jī)理認(rèn)識的加深，系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)水平也越來越高。

在統(tǒng)計(jì)的50例飛機(jī)氧氣系統(tǒng)事故中，有7例著火是由其他原因?qū)е卵鯕庀到y(tǒng)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(guān)。在50例氧氣系統(tǒng)事故中，僅有1例為物理事故，為2008年波音747-438飛機(jī)的氧氣瓶破裂導(dǎo)致飛機(jī)座艙失壓。在本次事故中，雖然氧氣瓶發(fā)生破裂，但并沒有導(dǎo)致著火。事故調(diào)查中沒有發(fā)現(xiàn)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(yǎng)及其他（包括未進(jìn)行任何操作以及其他情況）等著火時(shí)機(jī)的分類統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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(shù)的32%，其中充氧完成關(guān)閉閥門時(shí)發(fā)生著火5例，充氧期間著火11例，說明動態(tài)過程是導(dǎo)致氧氣系統(tǒng)著火的主要因素之一。使用時(shí)出現(xiàn)的7例著火都是利用便攜式氧氣瓶為乘客提供氧氣在調(diào)節(jié)流量時(shí)出現(xiàn)的。其他事件中，有7例是在飛行中出現(xiàn)的，有6例是在地面停機(jī)期間，1例是著陸滑行，1例是在起飛階段。

關(guān)于著火部位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，在氧氣瓶或瓶閥出現(xiàn)著火的次數(shù)占總樣本數(shù)的38%，調(diào)節(jié)器、減壓器或其他閥類出現(xiàn)著火的次數(shù)占26%，二者合計(jì)占64%，說明了氧氣瓶及閥是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是進(jìn)行氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析和材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的對象。

關(guān)于起火原因的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。其中外部原因?qū)е轮鸬恼?5%，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?yàn)槭褂昧瞬缓细窳慵?，氧氣泄漏?dǎo)致著火;因污染導(dǎo)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(rèn)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(shí)際上，最大可能因素等同于未確認(rèn)，二者合計(jì)占49%，說明了氧氣系統(tǒng)的著火原因除了一些明顯的如有污染物、外部因素等導(dǎo)致著火，其他的基本上都很難準(zhǔn)確確定，開展氧氣系統(tǒng)著火機(jī)理理論基礎(chǔ)研究將有助于著火原因的分析。

3 著火因素分析

導(dǎo)致氧氣系統(tǒng)著火的因素很多，目前已經(jīng)認(rèn)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(jī)械碰撞、著火鏈等。溫度和壓力是導(dǎo)致系統(tǒng)著火的主要因素。溫度是材料著火的必要條件，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，材料就會著火，即自燃。材料的著火溫度與系統(tǒng)構(gòu)型、壓力、材料的性質(zhì)、形狀、使用環(huán)境以及系統(tǒng)的動態(tài)流動情況有關(guān)。隨著系統(tǒng)壓力的增加，大多數(shù)材料的著火溫度降低，火焰的擴(kuò)展速率增加。

參考文獻(xiàn)[13]列出了下列氧氣系統(tǒng)著火源：（1）單次或重復(fù)劇烈壓力沖擊（來自絕熱壓縮的熱）;（2）管路或部件內(nèi)過高的氣流速度;（3）粒子碰撞;（4）運(yùn)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(jīng)證明，在氧氣系統(tǒng)中，絕熱壓縮、摩擦、機(jī)械沖擊和含有粒子的高速氣流曾引起系統(tǒng)著火。

實(shí)際上，對于氧氣系統(tǒng)來說，所謂的著火因素或著火源可統(tǒng)一歸結(jié)為能量，也即氧氣系統(tǒng)內(nèi)能夠產(chǎn)生能量的各種機(jī)理都可作為系統(tǒng)著火因素。因?yàn)?，在氧氣系統(tǒng)中，著火三要素中氧氣、可燃物是必然存在的，著火的發(fā)生主要取決于能量。不同機(jī)理產(chǎn)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(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量大小等也有一定的關(guān)系。如碳?xì)浠衔飪H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(jìn)燃燒、摩擦熱和粒子碰撞是導(dǎo)致金屬材料著火的三個(gè)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(jù)，在進(jìn)行氧氣系統(tǒng)著火因素分析時(shí)一般通過殘骸失效分析、故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)等手段，給出最大可能著火因素。但大多數(shù)事故并不能給出準(zhǔn)確的起火原因，這從統(tǒng)計(jì)的事故案例中也說明了這點(diǎn)。

4 系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)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(tǒng)著火和降低著火后的危害是氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的目的。材料選擇和氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析（OHFRA）是氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)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(tǒng)著火風(fēng)險(xiǎn)的重要措施，氧氣系統(tǒng)中使用的材料必須是與氧氣兼容的。應(yīng)針對耐久性進(jìn)行加速（時(shí)間一溫度一濃度）氧退化和氧降解試驗(yàn)，還應(yīng)進(jìn)行環(huán)境或構(gòu)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(xué)反應(yīng)的材料;（2）雖然在氧氣中不易反應(yīng)，但仍可燃的材料可以應(yīng)用，但應(yīng)進(jìn)行可燃性和火焰擴(kuò)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(jī)的材料的程序?yàn)椋?/p>

（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(yàn);

（5）材料在氣氧和液氧中的機(jī)械和氣動沖擊試驗(yàn);

（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(diǎn)較低，在氧氣系統(tǒng)中使用非金屬材料應(yīng)受到限制，使用量和暴露于氧氣的量應(yīng)最小。非金屬材料的選用原則為[15]：

（1）當(dāng)進(jìn)行機(jī)械沖擊時(shí)應(yīng)不反應(yīng);

（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(jù)應(yīng)用，應(yīng)選擇具有較高的氧指數(shù)（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(kuò)展率。

4.2 氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析

氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)可用氧氣兼容性來描述。一般來說，如果一個(gè)系統(tǒng)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(chǎn)生的危害能夠接受，那么這個(gè)系統(tǒng)就是氧氣兼容的。當(dāng)氣氧設(shè)備的應(yīng)用壓力為0.345MPa或更高，就應(yīng)進(jìn)行氧氣兼容性評估。對于液氧，其氧氣兼容性分析與應(yīng)用壓力為3.45MPa的氣氧設(shè)備類似。氧氣兼容性的一般評估過程為[16]：

（1）確定最嚴(yán)酷的工作條件;

（2）評估系統(tǒng)所用材料的可燃性;

（3）評估存在的著火機(jī)理及概率;

（4）確定著火鏈;

（5）分析反應(yīng)效果;

（6）鑒別應(yīng)用歷史;

（7）輸出分析結(jié)果報(bào)告。

在進(jìn)行氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析過程中，一般將著火機(jī)理出現(xiàn)的概率分為5類，用0～4數(shù)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(fā)生的概率及其微小;2代表不太可能（Unlikely），即發(fā)生的概率較小;3代表很可能（Probable）;4代表極大可能（Highly Probable）。系統(tǒng)著火后的反應(yīng)程度分為4級，用字母A～D表示，A表示無關(guān)緊要的（negligible）：個(gè)人沒有受傷，產(chǎn)品、存儲、分配或其他應(yīng)用無不可接受的影響，系統(tǒng)功能性能沒有不可接受的損壞;B表示次要的（Marginal）：個(gè)人受傷害可控，產(chǎn)品、存儲、分配或其他應(yīng)用是可能的，不超過一個(gè)部件或子系統(tǒng)損壞，在事發(fā)點(diǎn)可接受的時(shí)間內(nèi)可更換;C表示嚴(yán)重的（Critical）：人員受傷，產(chǎn)品、存儲、分配或其他應(yīng)用嚴(yán)重被損壞，兩個(gè)或多個(gè)部件、子系統(tǒng)被損壞，需要較大的維修;D表示災(zāi)難的（Catastrophic）：有人死亡或多人受傷，產(chǎn)品、存儲、分配或其他應(yīng)用的修復(fù)是不可能的，主要元件丟失，系統(tǒng)任何部分都不能補(bǔ)救，完全損失。一個(gè)典型的氧氣兼容性或氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)（OHFRA）分析見表2。

表中第1列為應(yīng)用項(xiàng)，可以是選用的材料，也可以是系統(tǒng)部件或子系統(tǒng)。工作條件主要是溫度和壓力，如果有特殊的工況也進(jìn)行評估。潛在的著火機(jī)理主要是根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)型、使用環(huán)境，從已知的著火機(jī)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(fā)生的可能性，填寫數(shù)字0～4。著火影響則是根據(jù)使用環(huán)境和潛在的著火鏈，分析出現(xiàn)著火后可能產(chǎn)生的影響，填寫字母A～D。應(yīng)用歷史主要是填寫所選材料或部件在應(yīng)用歷史上是否出現(xiàn)過著火現(xiàn)象。接受的標(biāo)準(zhǔn)一欄則根據(jù)具體的應(yīng)用項(xiàng)進(jìn)行填寫，如果是材料，可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)填寫自燃溫度、氧指數(shù)、安全閾值壓力、墜撞沖擊著火能量等;如果是部件或子系統(tǒng)，則應(yīng)填寫使用溫度、壓力、氣流速度等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況填寫。評估結(jié)果則是根據(jù)前述各項(xiàng)進(jìn)行綜合評估，填寫著火風(fēng)險(xiǎn)可能性大小，用數(shù)字0～4表示。一般來說，評估結(jié)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(jié)論

本文通過公開的文獻(xiàn)資料和網(wǎng)絡(luò)信息，對飛機(jī)氧氣系統(tǒng)著火案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。雖然統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)量有限，但分析結(jié)果基本上能夠反映氧氣系統(tǒng)著火特性。地面充氧、打開和關(guān)閉閥門的瞬間最易引起著火，說明動態(tài)過程分析是系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。氧氣瓶及其閥體、調(diào)節(jié)器、關(guān)斷閥、止回閥等部件是氧氣系統(tǒng)最易著火的部位，對這些部件的氧氣危險(xiǎn)及著火風(fēng)險(xiǎn)分析是系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

此外，本文對氧氣系統(tǒng)的著火因素、材料選擇一般原則、氧氣危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析方法進(jìn)行了簡要描述，可供氧氣系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)參考。

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