■ 王向輝/中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

0 引言

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guī)章33 部中的33.17 條款也對(duì)管路防火提出了明確要求，即“在發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)民用航空局確認(rèn)是耐火的或是防火的。上述部件必須有防護(hù)或正確安裝以防止點(diǎn)燃泄漏的易燃液體[2]?！眹?guó)內(nèi)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件防火方面開(kāi)展了很多工作，分析適航防火安全性要求，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件防火試驗(yàn)的適航符合性[3，4]。為提升防火試驗(yàn)仿真分析能力，國(guó)內(nèi)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中火焰燃燒器產(chǎn)生的火焰溫度、熱流密度開(kāi)展了仿真分析[5-10]。但目前在管路防火試驗(yàn)發(fā)生故障時(shí)，仍缺少對(duì)管路防火試驗(yàn)故障原因的分析以及排查故障原因的參考性文件。

本文對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油管路適航防火驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)生泄漏引發(fā)火情的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，深入研究適航防火試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。在提升對(duì)管路適航防火試驗(yàn)認(rèn)識(shí)和理解的基礎(chǔ)上，提出以故障樹(shù)的分析方法梳理可能的原因，從試驗(yàn)件加工過(guò)程復(fù)查、試驗(yàn)故障件檢測(cè)、模擬試驗(yàn)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(yàn)件表面的應(yīng)力狀態(tài)。

1 故障現(xiàn)象

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油管路在進(jìn)行適航防火能力測(cè)試時(shí)，按要求將管路組件的連接處置于標(biāo)準(zhǔn)火焰（火焰的溫度滿足1100℃±80℃，熱容量標(biāo)準(zhǔn)值W）中進(jìn)行15min 的防火試驗(yàn)[11，12]。開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，管路的連接處置于火焰中，管路中工作介質(zhì)的壓力和流量保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到接近15min時(shí)，試驗(yàn)件中較細(xì)管路靠近燃燒器火焰的部分發(fā)生泄漏，滑油介質(zhì)爆燃，引發(fā)火情。試驗(yàn)前后的試驗(yàn)件對(duì)比如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)件試驗(yàn)前后對(duì)比

2 故障分析

根據(jù)GJB/Z 768A-1998 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障樹(shù)分析指南[13]的分析方法，用“試驗(yàn)件故障”作為頂層事件開(kāi)展故障樹(shù)分析，如圖2 所示。通過(guò)故障樹(shù)分析得出可能導(dǎo)致試驗(yàn)件故障的基本事件如下：

圖2 故障樹(shù)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(nèi)壓增大；

5）熱應(yīng)力；

6）重力載荷。

考慮到需將試驗(yàn)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(yīng)力”“重力載荷”等屬于試驗(yàn)考核條件下需要承受的環(huán)境因素，無(wú)需進(jìn)行排查。重點(diǎn)需要對(duì)“原材料缺陷”“加工缺陷”“內(nèi)壓增大”等事件進(jìn)行核查。

3 故障排查

通過(guò)試驗(yàn)件加工過(guò)程復(fù)查、故障件檢測(cè)、模擬試驗(yàn)等措施排查故障原因，最終確認(rèn)工作介質(zhì)快速氣化導(dǎo)致試驗(yàn)件中內(nèi)壓增大是試驗(yàn)件破裂的直接原因。

3.1 試驗(yàn)件加工過(guò)程復(fù)查

通過(guò)審查試制加工過(guò)程的檢驗(yàn)和檢測(cè)記錄，同批次原材料檢測(cè)，排除試驗(yàn)件原材料缺陷或試驗(yàn)件加工缺陷的可能。

3.2 故障件檢測(cè)

通過(guò)對(duì)故障件材料端口進(jìn)行斷口形貌掃描電子顯微鏡（SEM）分析和對(duì)斷口進(jìn)行能譜（EDS）分析，發(fā)現(xiàn)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(wú)非金屬夾雜。

故障件檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)故障非“原材料缺陷”或“加工缺陷”，而是試驗(yàn)件中的內(nèi)壓增大，使管路表面產(chǎn)生撕裂。

1）掃描電子顯微鏡檢查

利用電子顯微鏡檢測(cè)管路的斷口，如圖3、圖4 所示，管路的斷口特點(diǎn)如下：

圖3 管路斷口上側(cè)檢測(cè)結(jié)果

圖4 管路斷口下側(cè)檢測(cè)結(jié)果

a. 管路的斷口以韌窩斷裂為主，其中韌窩受力為切應(yīng)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(qū)域平行導(dǎo)管軸向的二次裂紋數(shù)量較多，裂紋較寬。在離斷口較遠(yuǎn)的區(qū)域，裂紋數(shù)量減少，同時(shí)裂紋變得細(xì)??；

c. 從斷口及其周圍形貌分析來(lái)看，材料組織不存在異常缺陷及明顯夾雜物。

2）能譜檢測(cè)分析

利用能譜儀對(duì)滑油管路的斷口進(jìn)行成分能譜分析，發(fā)現(xiàn)成分主要為鐵的氧化物、硫化物，無(wú)明顯夾雜。因此，管路在防火試驗(yàn)中發(fā)生破裂，不是材料的異?，F(xiàn)象引起的。能譜分析的選取區(qū)域如圖5、圖6 所示。

圖5 管路裂口能譜分析區(qū)域

圖6 管路裂口內(nèi)壁能譜分析區(qū)域

3.3 模擬試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)條件，與潤(rùn)滑油公司進(jìn)行專項(xiàng)研討分析開(kāi)展了模擬試驗(yàn)“滑油介質(zhì)歧管著火試驗(yàn)”“氮?dú)獬涵h(huán)境滑油介質(zhì)加溫試驗(yàn)”和“0.3MPa 氮?dú)猸h(huán)境滑油介質(zhì)加溫試驗(yàn)”。通過(guò)模擬試驗(yàn)分析，明確主要是因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)氣化導(dǎo)致試驗(yàn)件中內(nèi)壓快速增大。

1）滑油介質(zhì)歧管著火試驗(yàn)

將管壁厚度為1mm，材料為不銹鋼的歧管加溫到試驗(yàn)指定溫度，將“試驗(yàn)用滑油”滴落到歧管表面后，滑油介質(zhì)迅速氣化，并無(wú)火焰產(chǎn)生，試驗(yàn)過(guò)程如圖7 所示。

圖7 滑油介質(zhì)歧管著火試驗(yàn)過(guò)程示意圖

2）氮?dú)猸h(huán)境滑油介質(zhì)加溫試驗(yàn)

即在氮?dú)猸h(huán)境下，使用“試驗(yàn)用滑油”3 ～5mg 放置托盤內(nèi)，在密閉的試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行滑油介質(zhì)的加溫試驗(yàn)，測(cè)試滑油介質(zhì)的質(zhì)量變化速率和單位質(zhì)量滑油介質(zhì)吸熱率隨著溫度變化的過(guò)程，試驗(yàn)托盤和設(shè)備如圖8 所示。

圖8 托盤和試驗(yàn)設(shè)備

圖9 所示氮?dú)獬涵h(huán)境滑油吸熱率隨溫度變化曲線說(shuō)明如下：

a. 藍(lán)色曲線為試驗(yàn)用滑油特性，黑色曲線為對(duì)比分析用滑油特性；

b. 平滑下降為托盤內(nèi)滑油介質(zhì)的質(zhì)量變化速率隨溫度變化的曲線，橫坐標(biāo)溫度℃，縱坐標(biāo)mL/min；

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

圖9 所示試驗(yàn)現(xiàn)象分析如下：

圖9 氮?dú)獬涵h(huán)境滑油吸熱率隨溫度變化曲線

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

b. 單位質(zhì)量介質(zhì)吸熱速率隨溫度變化的曲線初步可以判斷，介質(zhì)沒(méi)有發(fā)生熱分解反應(yīng)；因熱分解反應(yīng)為快速吸熱的化學(xué)變化，如發(fā)生則曲線會(huì)出現(xiàn)尖銳的波谷；

c. 從單位質(zhì)量介質(zhì)吸熱速率隨溫度變化的曲線可以看出，在350℃時(shí)介質(zhì)的吸熱效率最高，此時(shí)介質(zhì)迅速氣化。

圖10 所示氮?dú)?.3 MPa 條件下滑油吸熱率隨溫度變化曲線說(shuō)明如下：

圖10 氮?dú)?.3MPa條件下滑油吸熱率隨溫度變化曲線

a. 藍(lán)色曲線為試驗(yàn)用滑油特性，黑色曲線為對(duì)比分析用滑油特性；

b. 單位質(zhì)量介質(zhì)吸熱速率隨溫度變化的曲線，橫坐標(biāo)溫度℃，縱坐標(biāo)mW/mg。

圖10 所示試驗(yàn)現(xiàn)象分析如下：

a. 從單位質(zhì)量介質(zhì)吸熱速率隨溫度變化的曲線初步可以判斷，介質(zhì)沒(méi)有發(fā)生熱分解反應(yīng)；因熱分解反應(yīng)為快速吸熱的化學(xué)變化，如發(fā)生熱分解則曲線會(huì)出現(xiàn)脈沖式尖銳的波谷；

b. 從單位質(zhì)量介質(zhì)吸熱速率隨溫度變化的曲線可以看出，在350℃時(shí)介質(zhì)的吸熱效率最高，此時(shí)介質(zhì)迅速氣化。

3）模擬試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)模擬試驗(yàn)分析得出“試驗(yàn)用滑油”的兩個(gè)特點(diǎn)：

a. 試驗(yàn)用滑油高溫條件下在沒(méi)有氧氣或氧化劑的情況下（即氮?dú)猸h(huán)境或無(wú)氧化劑）不會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，熱分解是一個(gè)需要有氧化劑（如氧氣）的吸熱過(guò)程；

b. 試驗(yàn)用滑油的溫度上升到270℃以上后，介質(zhì)開(kāi)始快速氣化，溫度達(dá)到350℃以上后，氣化速率快速上升。

綜上，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)模擬試驗(yàn)過(guò)程中“試驗(yàn)用滑油”的參數(shù)曲線，呈現(xiàn)“試驗(yàn)用滑油”的氣化過(guò)程曲線，還原試驗(yàn)中工作介質(zhì)變化過(guò)程，明確主要是因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)氣化導(dǎo)致管路內(nèi)壓增大。

4 仿真分析

以試驗(yàn)件故障瞬間的參數(shù)為依據(jù)，以管壁溫度載荷、管路內(nèi)壁上的壓力載荷、試驗(yàn)件重力載荷作為有限元的輸入載荷，開(kāi)展有限元分析工作。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，試驗(yàn)件故障處的最大應(yīng)力大于此溫度下材料的極限強(qiáng)度，如圖11 所示。如單獨(dú)考慮試驗(yàn)件中的內(nèi)部壓力載荷，管路裂口處的最大應(yīng)力與故障處的最大應(yīng)力比值為90%，僅內(nèi)壓產(chǎn)生應(yīng)力值就接近此溫度材料的極限強(qiáng)度。三種載荷作用對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與故障處的三種載荷共同作用下最大應(yīng)力比值如表1 所示。

表1 試驗(yàn)件故障瞬間在三種載荷下的應(yīng)力與故障處最大應(yīng)力的比值

圖11 試驗(yàn)件有限元分析的應(yīng)力云圖

試驗(yàn)件中內(nèi)壓載荷對(duì)試驗(yàn)件表面應(yīng)力有重要的影響，是試驗(yàn)件遭破壞的重要因素。

5 結(jié)論

針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油管路適航防火試驗(yàn)中發(fā)生泄漏引發(fā)火情這一故障現(xiàn)象，利用故障樹(shù)分析可能的故障原因，通過(guò)試驗(yàn)件加工過(guò)程復(fù)查、故障件檢測(cè)、模擬試驗(yàn)等措施進(jìn)行逐項(xiàng)排除，明確是由于內(nèi)壓增大導(dǎo)致的試驗(yàn)故障。最后，利用有限元仿真分析的方法，呈現(xiàn)試驗(yàn)件破壞瞬間試驗(yàn)件所受三種載荷導(dǎo)致試驗(yàn)件表面的應(yīng)力狀態(tài)。

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