陳群志,王逾涯,崔常京,張蕾

(北京航空工程技術(shù)研究中心,北京100076)

專題——飛機(jī)腐蝕防護(hù)與日歷壽命研究

老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕問題與對(duì)策

陳群志,王逾涯,崔常京,張蕾

(北京航空工程技術(shù)研究中心,北京100076)

摘.要:列舉了某型老齡飛機(jī)腐蝕故障案例,闡明了老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的共性問題及特點(diǎn),從使用壽命期指標(biāo)體系、結(jié)構(gòu)抗腐蝕品質(zhì)、服役環(huán)境、使用維護(hù)與腐蝕修理等方面較系統(tǒng)地分析了老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的主要原因和影響因素。重點(diǎn)闡述了老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)對(duì)策與措施,主要包括結(jié)構(gòu)腐蝕檢查評(píng)估、涂層體系改進(jìn)與結(jié)構(gòu)密封防水改進(jìn)、外場(chǎng)使用維護(hù)中腐蝕預(yù)防與控制措施。

老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu);腐蝕;服役環(huán)境;涂層體系;密封防水;使用維護(hù);腐蝕修理

1 腐蝕是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)面臨的共性問題

飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)要受到疲勞載荷和腐蝕環(huán)境等因素的作用,因而會(huì)產(chǎn)生疲勞、腐蝕等損傷,這是一個(gè)隨著服役時(shí)間增加而不斷發(fā)展和累積的不可逆損傷過程[1—9]。對(duì)于老齡飛機(jī)而言,結(jié)構(gòu)腐蝕和老化(以下統(tǒng)稱為腐蝕)問題普遍存在。筆者先后對(duì)多個(gè)機(jī)型開展了腐蝕檢查和評(píng)估,收集并整理了近年來我國(guó)飛機(jī)在使用維護(hù)和大修中發(fā)現(xiàn)的故障,獲得了大量結(jié)構(gòu)損傷故障信息。下面以某型飛機(jī)為例,闡述老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)面臨的共性腐蝕問題及特點(diǎn)。

1.1 某型飛機(jī)分解檢查發(fā)現(xiàn)的故障情況統(tǒng)計(jì)

某型飛機(jī)服役時(shí)間較長(zhǎng),其腐蝕問題在很大程度上可以反映老齡飛機(jī)腐蝕損傷的共性及特點(diǎn)。近年來,在該型飛機(jī)檢查過程中發(fā)現(xiàn),普遍存在較嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)腐蝕問題,為此專門抽取了1架飛機(jī)進(jìn)行分解檢查評(píng)估。為準(zhǔn)確摸清機(jī)體結(jié)構(gòu)的腐蝕程度,對(duì)典型部位采取分解蒙皮、切割桁條等方法截取了大量的實(shí)物樣本。

分解檢查共發(fā)現(xiàn)各類故障192條,其中:機(jī)體結(jié)構(gòu)102條(占53%),電纜13條(占7%),機(jī)械系統(tǒng)零組件11條(占6%),機(jī)械部附件13條(占7%),電氣系統(tǒng)部附件18條(占9%),電子設(shè)備35條(占18%)。這192條故障中,機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕93條(占48%)、部附件腐蝕及電纜老化39條(占20%)。

根據(jù)分解檢查發(fā)現(xiàn)的腐蝕問題,并結(jié)合大修和外場(chǎng)腐蝕檢查評(píng)估發(fā)現(xiàn)的腐蝕問題判斷,該型飛機(jī)已進(jìn)入腐蝕故障高發(fā)期和危險(xiǎn)期,機(jī)體結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷情況尤為嚴(yán)重。腐蝕損傷情況具有類型多、分布廣、面積大、危害性大等特點(diǎn)。

1.2 某型飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要腐蝕問題

1)機(jī)身、機(jī)翼、短艙、平尾、垂尾等機(jī)體結(jié)構(gòu)中85%以上的長(zhǎng)桁與蒙皮膠接點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)存在膠層嚴(yán)重老化、脫焊和腐蝕問題,導(dǎo)致多處脫焊、穿孔和結(jié)構(gòu)變形,部分桁條已腐蝕穿透,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅降低,如圖1和圖2所示。圖1和圖2分別為飛機(jī)分解前、后桁條與蒙皮膠接點(diǎn)焊部位的腐蝕情況。

圖1 桁條與蒙皮膠結(jié)點(diǎn)焊部位嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、脫焊和穿孔Fig.1 Serious corrosion occurred in purlin and skin cementation spot welding parts led to structural deformation, desoldering and perforation

圖2 桁條普遍存在嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致有些桁條腐蝕斷裂Fig.2 Serious corrosion commonly occurred in purlin led to corrosion cracking of some purlins

盡管長(zhǎng)桁與蒙皮膠接點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)腐蝕故障模式以往也不同程度存在,但該次這類腐蝕故障的分布范圍、面積及其損傷程度都是前所未有的。

2)由于一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的密封設(shè)計(jì)和防腐措施存在明顯缺陷,因此雨水等腐蝕介質(zhì)滲漏和積聚現(xiàn)象非常普遍。這些結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于惡劣的局部環(huán)境作用下,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。例如,機(jī)翼對(duì)接部位螺栓槽因結(jié)構(gòu)不密封,雨水很容易滲入螺栓槽后長(zhǎng)期積聚,導(dǎo)致油脂變質(zhì)、失效,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,有些螺栓孔還出現(xiàn)腐蝕穿孔,如圖3所示。

圖3 機(jī)翼對(duì)接部位螺栓槽普遍存在積水導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕Fig.3 Water widespread in wing docking site bolt groove led to serious corrosion

又如,機(jī)身蒙皮對(duì)接部位,雨水很容易從縫隙滲漏到飛機(jī)內(nèi)部夾層。由于通風(fēng)排水不暢,雨水或潮濕空氣長(zhǎng)期積存,導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)隔音墊霉變和結(jié)構(gòu)腐蝕。機(jī)艙底部隔音墊下面的地板梁與長(zhǎng)桁的腐蝕斷裂情況如圖4所示。

圖4 機(jī)艙下部積水、隔音墊霉變和結(jié)構(gòu)腐蝕Fig.4 The cabin bottom water,sound insulation pad mildew and structural corrosion were relatively common

3)結(jié)構(gòu)中緊固件連接區(qū)域?qū)儆诟g的薄弱部位,與非連接部位相比,緊固件周圍涂層的破壞及腐蝕情況要嚴(yán)重得多,特別是鋁合金連接部位最容易出現(xiàn)腐蝕活性點(diǎn)和開始膜下腐蝕。檢查發(fā)現(xiàn),中央翼上壁板、前梁與后梁緣條等螺釘、鉚釘以及搭鐵線連接區(qū)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的腐蝕損傷,如圖5所示。

圖5 機(jī)翼上壁板螺釘連接部位嚴(yán)重腐蝕Fig.5 Serious corrosion at the wing upper wall plate screw connection

以上只是列舉了一個(gè)老齡機(jī)種結(jié)構(gòu)的腐蝕故障案例,但具有典型性和代表性,其他老齡飛機(jī)同樣面臨較嚴(yán)重的腐蝕問題[1—9]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,老齡飛機(jī)因?yàn)閲?yán)重腐蝕而提前報(bào)廢、停飛緊急搶修,甚至導(dǎo)致重大安全事故的案例時(shí)有發(fā)生[1—24]。由此可見,腐蝕問題在老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)中普遍存在,已經(jīng)成為嚴(yán)重制約老齡飛機(jī)安全飛行和經(jīng)濟(jì)修理最主要的因素。

2 老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕原因分析

導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的原因很多,錯(cuò)綜復(fù)雜。就老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕而言,主要有如下4方面的原因及影響因素。

1)壽命指標(biāo)體系存在的問題是導(dǎo)致老齡飛機(jī)腐蝕的首要原因。我國(guó)飛機(jī)的使用壽命明確規(guī)定了疲勞壽命(包括飛行小時(shí)、起落數(shù))和日歷壽命兩項(xiàng)指標(biāo),以先到者為準(zhǔn)。從20世紀(jì)70—90年代,國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在飛機(jī)疲勞定壽和延壽方面開展了大量研究,建立了較為完善的飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)定技術(shù)體系,解決了多個(gè)機(jī)型的疲勞壽命問題。飛機(jī)的日歷壽命是與腐蝕密切相關(guān)的壽命指標(biāo)。我國(guó)在飛機(jī)日歷壽命與腐蝕防護(hù)方面的研究起步較晚,技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱,至今老齡飛機(jī)的日歷壽命問題還沒有得到很好的解決,一些典型飛機(jī)的日歷壽命的確定主要依靠領(lǐng)先飛行逐步給出。

歸納起來,大致有3種情況[1—3]:①日歷壽命與疲勞壽命不匹配,大多數(shù)機(jī)種飛行強(qiáng)度相對(duì)較低,日歷壽命往往先于疲勞壽命達(dá)到,日歷壽命已上升為決定飛機(jī)是否到壽或大修的控制指標(biāo),而當(dāng)前老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷控制與修理措施主要還是沿用疲勞損傷的做法。②某些機(jī)種至今沒有給出日歷壽命,盡管多數(shù)老齡機(jī)種憑經(jīng)驗(yàn)給出或“暫定”了日歷壽命,但是缺少較充分的理論依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證,其科學(xué)性和可靠性明顯不足。③一些機(jī)種在使用階段對(duì)日歷壽命指標(biāo)的控制隨意性較大。由于多數(shù)飛機(jī)年飛行時(shí)間很少,在到達(dá)日歷修理間隔期或中日歷壽命時(shí),疲勞壽命富裕量大。為了減少疲勞壽命的浪費(fèi),在日歷修理間隔控制方面并沒有嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行,通常采取特檢或外場(chǎng)檢查后,就將日歷修理間隔延長(zhǎng)。這就導(dǎo)致了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的腐蝕損傷或潛在的腐蝕問題不能及時(shí)得到有效的處理,因而給老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)埋下了產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕的隱患。

2)結(jié)構(gòu)抗腐蝕品質(zhì)“先天不足”是老齡飛機(jī)腐蝕的根本原因。老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)及防腐工藝缺陷,在結(jié)構(gòu)選材、防護(hù)涂層體系、結(jié)構(gòu)密封防水、結(jié)構(gòu)通風(fēng)排水設(shè)計(jì)等方面存在諸多問題,因而結(jié)構(gòu)抗腐蝕品質(zhì)存在“先天不足”,導(dǎo)致老齡飛機(jī)在使用壽命后期結(jié)構(gòu)腐蝕問題突顯,難以保證達(dá)到較長(zhǎng)的日歷壽命。

這主要體現(xiàn)在如下3方面:①結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層體系抗老化與防護(hù)性能較差。在沿海及內(nèi)陸濕熱環(huán)境服役的飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層在使用3～5年后就會(huì)出現(xiàn)明顯失光、粉化、起泡、龜裂、開裂和剝落等老化失效現(xiàn)象,因而喪失了對(duì)基體結(jié)構(gòu)的防護(hù)作用[1—6,27]。②結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)加工工藝存在明顯缺陷。例如,鋁合金結(jié)構(gòu)表面通常采用陽(yáng)極化后噴涂底漆,但裝配前會(huì)鉆連接孔,必然會(huì)破壞結(jié)構(gòu)表面防腐狀態(tài)的完整性。裝配時(shí)裸露狀態(tài)的連接孔通常又沒有經(jīng)過密封防護(hù)處理,因而緊固件連接部位成為了易腐蝕部位。有3方面的因素會(huì)加劇緊固件連接部位腐蝕損傷的發(fā)展[1—5,29],縫隙的存在,腐蝕介質(zhì)容易滲入并長(zhǎng)期滯留其中,局部環(huán)境惡劣;緊固件連接部位存在異種金屬材料接觸,構(gòu)成了一對(duì)宏觀上的腐蝕電偶,導(dǎo)致其腐蝕傾向性增加;連接處應(yīng)力集中使局部應(yīng)力增加,導(dǎo)致腐蝕速率加快。③結(jié)構(gòu)密封防水設(shè)計(jì)缺陷與措施不合理的問題普遍存在,是長(zhǎng)期影響飛機(jī)使用維護(hù)與修理的"老大難"問題。雖然有些結(jié)構(gòu)部位采用了密封防水處理,但其有效性和環(huán)境適應(yīng)性并沒有得到試驗(yàn)驗(yàn)證[1—3,28—30]。例如,多個(gè)機(jī)型機(jī)翼對(duì)接部位密封防水設(shè)計(jì)明顯不合理,盡管采用了密封膠條或膩?zhàn)硬济芊馓幚?且在螺栓槽充填了潤(rùn)滑脂,但這種密封防水措施效果并不理想。筆者在老齡飛機(jī)腐蝕檢查中發(fā)現(xiàn),機(jī)翼對(duì)接部位普遍存在嚴(yán)重的滲漏水、積水、潤(rùn)滑脂變質(zhì)和結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象。

3)嚴(yán)酷的服役環(huán)境是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的重要因素。飛機(jī)腐蝕和服役環(huán)境密切相關(guān),主要取決于機(jī)場(chǎng)環(huán)境[1—3,24]。就自然環(huán)境而言,與日本、俄羅斯等國(guó)家相比,我國(guó)飛機(jī)的服役環(huán)境更為嚴(yán)酷,結(jié)構(gòu)材料腐蝕速率更快。國(guó)防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)研究中心和日本自然環(huán)境試驗(yàn)中心對(duì)相同的鋁合金和鋼試樣在日本廣島和我國(guó)重慶聯(lián)合進(jìn)行的大氣暴露對(duì)比研究表明,鋁合金和鋼在我國(guó)重慶的大氣腐蝕速度遠(yuǎn)高于日本廣島。

目前我國(guó)環(huán)境污染不斷加劇的局面還沒有得到有效控制,工業(yè)廢氣、廢水等有害介質(zhì)大量排出,因而導(dǎo)致環(huán)境對(duì)飛機(jī)的腐蝕呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。特別是在沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū),飛機(jī)服役環(huán)境更為嚴(yán)酷,結(jié)構(gòu)腐蝕也更為嚴(yán)重[1—3]。

結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕需要一定的時(shí)間,我國(guó)典型材料長(zhǎng)期暴露腐蝕數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明,在沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū),典型材料進(jìn)入腐蝕快速發(fā)展階段的時(shí)間約為6年。這意味著在沿海及內(nèi)陸濕熱地區(qū)服役的老齡飛機(jī)已經(jīng)進(jìn)入腐蝕快速發(fā)展階段[3]。

4)腐蝕修理技術(shù)與使用維護(hù)措施不完善是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素。在老齡飛機(jī)腐蝕修理方面,至今沒有開展系統(tǒng)的研究工作,現(xiàn)有腐蝕修理技術(shù)比較陳舊,因而不能很好地解決老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕問題。即使針對(duì)腐蝕故障進(jìn)行了處理,也難以保證在服役期間不再出現(xiàn)重大腐蝕故障[3]。例如,某系列飛機(jī)機(jī)翼前梁腹板和機(jī)翼油箱下壁板等結(jié)構(gòu)部位曾發(fā)生過嚴(yán)重腐蝕,采取了緊急修理措施修復(fù),但不久之后又在原來腐蝕修理部位出現(xiàn)更為嚴(yán)重的腐蝕,如圖6所示,導(dǎo)致多架飛機(jī)提前返廠大修。

圖6 某系列飛機(jī)機(jī)翼油箱下壁板出現(xiàn)嚴(yán)重剝落腐蝕Fig.6 Serious spalling corrosion occurred in wing tank lower wall plate of a certain series of aircraft

又如,某型飛機(jī)在延長(zhǎng)首翻期特檢中發(fā)現(xiàn)機(jī)翼主梁腹板和下緣條存在較嚴(yán)重腐蝕,對(duì)腐蝕部位去除腐蝕后涂覆了底漆和面漆,但飛機(jī)修理不到1年時(shí)間在原腐蝕部位又出現(xiàn)了明顯的腐蝕現(xiàn)象。

就我國(guó)典型機(jī)型的使用情況而言,大多數(shù)老齡飛機(jī)仍處于一種“飛少停多”的局面[31]。大量事實(shí)表明,年飛行時(shí)間較多的飛機(jī),腐蝕問題也相對(duì)較少,地面停放時(shí)間越長(zhǎng),腐蝕情況越嚴(yán)重。因此,加強(qiáng)飛機(jī)使用維護(hù)中腐蝕的預(yù)防與控制極其重要。老齡飛機(jī)使用維護(hù)主要存在兩方面的問題[3,32]:一是,使用維護(hù)規(guī)程等技術(shù)文件中關(guān)于結(jié)構(gòu)腐蝕檢查、預(yù)防與控制方面內(nèi)容比較寬泛、針對(duì)性不強(qiáng)。例如,機(jī)翼對(duì)接螺栓槽等容易出現(xiàn)滲漏水、積水和腐蝕的結(jié)構(gòu)部位,一些有排水孔但容易堵塞的結(jié)構(gòu)部位,規(guī)定的檢查維護(hù)周期太長(zhǎng)、措施不具體,因而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除這些問題。二是,腐蝕預(yù)防與控制技術(shù)手段不完備。例如,目前還缺少適用于外場(chǎng)使用的通風(fēng)、除濕、干燥等相關(guān)設(shè)備,一些通風(fēng)排水不暢的部位,尤其可達(dá)性較差的內(nèi)部結(jié)構(gòu)“死角”,會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于“有水”的潮濕狀態(tài),從而形成了惡劣的局部環(huán)境,這就會(huì)大大增加腐蝕腐蝕的可能性。大量的事實(shí)表明,絕大多數(shù)飛機(jī)嚴(yán)重的腐蝕故障都發(fā)生在局部環(huán)境惡劣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家,在飛機(jī)使用維護(hù)中通常配備了干燥除濕設(shè)備,干燥除濕是飛機(jī)日常使用維護(hù)明確規(guī)定的一項(xiàng)經(jīng)常性的工作內(nèi)容,從而會(huì)顯著減少飛機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕的概率。

3 主要對(duì)策與措施

3.1 定期開展老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查評(píng)估

既然腐蝕是老齡飛機(jī)普遍面臨的主要問題,筆者認(rèn)為,首先應(yīng)定期開展全面的腐蝕檢查評(píng)估,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷情況,預(yù)判潛在的腐蝕問題或腐蝕苗頭,以便采取有針對(duì)性的修理和預(yù)防措施。實(shí)踐證明,這項(xiàng)工作極其重要,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

1)飛機(jī)在總使用壽命期內(nèi)一般要經(jīng)過2～4次大修,但由于大修周期相對(duì)較長(zhǎng),有些損傷或故障往往在大修后才暴露出來。對(duì)于老齡飛機(jī)而言,一些嚴(yán)重的腐蝕問題大多出現(xiàn)在使用壽命后期。由于目前老齡飛機(jī)還缺少有效的健康狀態(tài)監(jiān)控手段,外場(chǎng)條件下定期開展腐蝕檢查評(píng)估在一定程度上可彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)控的不足。根據(jù)筆者對(duì)老齡飛機(jī)故障情況的了解和多年積累的經(jīng)驗(yàn),定期組織專家在外場(chǎng)條件下開展老齡飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)檢查評(píng)估非常必要。這是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)重大安全事故由事后處理到事前預(yù)防轉(zhuǎn)變的有效技術(shù)途徑,可使一些嚴(yán)重影響老齡飛機(jī)正常使用和危及飛行安全的腐蝕故障及時(shí)得到處理或修復(fù),大幅降低飛機(jī)后續(xù)修理工作的難度和修理費(fèi)用,對(duì)保證飛行安全非常重要。

2)外場(chǎng)條件下飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)檢查可及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)中存在的潛在腐蝕問題或苗頭,以及飛機(jī)防腐設(shè)計(jì)和大修中存在的缺陷,有利于采取有效的預(yù)防措施將其消除在萌芽狀態(tài)。例如,在老齡飛機(jī)檢查中先后發(fā)現(xiàn)多個(gè)機(jī)型飛機(jī)在機(jī)翼對(duì)接部位螺栓槽普遍存在嚴(yán)重的積水問題,并制定了針對(duì)性的處理措施。機(jī)翼對(duì)接部位是飛機(jī)的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu),采用超高強(qiáng)度鋁合金制造,對(duì)環(huán)境腐蝕非常敏感。螺栓槽長(zhǎng)期積水容易引起結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,會(huì)導(dǎo)致使用壽命縮短,增加飛行安全隱患。

3)飛機(jī)設(shè)計(jì)定型階段雖然通過全機(jī)疲勞試驗(yàn)確定了飛機(jī)使用壽命、疲勞損傷類型和裂紋位置,但疲勞試驗(yàn)基本上沒有考慮環(huán)境腐蝕以及腐蝕與載荷交替/交互作用的影響。因此,飛機(jī)在使用壽命期內(nèi)損傷和故障情況與疲勞試驗(yàn)暴露出來的問題必然會(huì)有較大差別。例如,某系列飛機(jī)42框是關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu),全機(jī)疲勞試驗(yàn)確定的疲勞危險(xiǎn)位置在42框橫梁下耳片根部三角區(qū)鉚釘孔處。2001年該系列飛機(jī)42框發(fā)生的重大故障為下半框腹嚴(yán)重腐蝕或腐蝕引起的裂紋。42框下腹板的損傷類型、機(jī)理、原因和位置與疲勞試驗(yàn)情況完全不同。

3.2 結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層體系改進(jìn)

表面防護(hù)涂層對(duì)抵抗環(huán)境因素對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕至關(guān)重要。我國(guó)多型老齡飛機(jī)由于設(shè)計(jì)時(shí)間較早,表面涂層體系多采用20世紀(jì)七、八十年代的環(huán)氧底漆和聚氨酯面漆,防腐效果較差。因此,研發(fā)抗腐蝕品質(zhì)優(yōu)良的防護(hù)涂層,并將其應(yīng)用于防護(hù)涂層體系改進(jìn)是解決老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕問題的重要舉措。

近年來,中科院金屬所和北京航空工程技術(shù)研究中心針對(duì)我國(guó)飛機(jī)的使用情況、服役環(huán)境和腐蝕特點(diǎn),開展了納米復(fù)合涂層研發(fā)及其應(yīng)用研究,解決了納米粉體材料團(tuán)聚性、分散穩(wěn)定性兩大難題[25—26]。在此基礎(chǔ)上,研發(fā)成功的IMR21納米復(fù)合涂層具有良好的附著力、抗劃傷、抗?jié)B透性和抗紫外線老化性能。為解決IMR21納米復(fù)合聚氨酯涂料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題,北京航空工程技術(shù)研究中心對(duì)IMR21納米復(fù)合涂層進(jìn)行了紫外線輻照、鹽霧、周期浸潤(rùn)、濕熱、高溫沖擊和低溫疲勞等環(huán)境考核或試驗(yàn)評(píng)定。結(jié)果表明,將IMR21納米復(fù)合聚氨酯涂料應(yīng)用于飛機(jī)中可提高涂層的使用壽命或維修周期,提高結(jié)構(gòu)抗腐蝕品質(zhì)[3]。目前該涂層已推廣應(yīng)用于多個(gè)型飛機(jī)整機(jī)或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)表面防護(hù),效果良好。

例如,某型飛機(jī)長(zhǎng)期在海南地區(qū)服役,要經(jīng)受高溫、高濕、高鹽霧和高強(qiáng)度紫外線輻照“4高環(huán)境”的作用,服役環(huán)境十分嚴(yán)酷。飛機(jī)原來所采用的防護(hù)涂層抗老化性能差,服役2年左右就會(huì)出現(xiàn)明顯粉化、龜裂、起泡、剝落等失效現(xiàn)象,因而喪失其防腐效果。該型飛機(jī)在第1次大修時(shí)發(fā)現(xiàn)中翼和中外翼上壁板等部位存在較嚴(yán)重的腐蝕,修理時(shí)僅進(jìn)行了除腐防腐處理,防護(hù)涂層體系并沒有改進(jìn)。第2次大修時(shí)中翼和中外翼上壁板等部位仍然產(chǎn)生了嚴(yán)重腐蝕。為此,在第2次大修中整機(jī)采用IMR21納米復(fù)合涂層涂裝后,整機(jī)表面防腐狀態(tài)得到了明顯改善。第3次大修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn),整機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷得到了有效抑制,沒有發(fā)現(xiàn)大的腐蝕問題。

又如,某型飛機(jī)曾經(jīng)由于平尾大軸內(nèi)腔防護(hù)涂層存在嚴(yán)重缺陷,導(dǎo)致服役期間出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕問題,是當(dāng)時(shí)嚴(yán)重影響和制約該型飛機(jī)安全使用和特檢延壽的關(guān)鍵技術(shù)難題。通過采用SLF-2重防護(hù)涂層(底漆)+IMR21納米復(fù)合涂層(面漆)涂裝后,大幅度提高了平尾大軸的抗腐蝕品質(zhì)。該型飛機(jī)在后續(xù)大修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn),防護(hù)涂層體系改進(jìn)后的平尾大軸沒有再出現(xiàn)腐蝕問題。

3.3 結(jié)構(gòu)密封防水改進(jìn)

飛機(jī)是一個(gè)由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng),有許多大小不等、形狀各異的窗口、口蓋,各零部件連接界面不可避免地會(huì)存在縫隙。如果這些窗口、口蓋、結(jié)構(gòu)縫隙沒有良好的密封,就會(huì)成為進(jìn)水的重要通道。密封防水及腐蝕防護(hù)是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和修理的薄弱環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)滲漏水、積水現(xiàn)象非常普遍,前面提到的機(jī)翼對(duì)接部位螺栓槽積水腐蝕就是一個(gè)代表性的例子。因此,對(duì)老舊飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封防水改進(jìn)十分必要。

北京航空工程技術(shù)研究中心在全面梳理我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封防水存在的主要問題的基礎(chǔ)上,開展了飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封防水新技術(shù)研究,研發(fā)出JMF膠體密封劑。在此基礎(chǔ)上,對(duì)JMF膠體密封劑的基本性能和應(yīng)用性能進(jìn)行了測(cè)試,并通過典型飛機(jī)對(duì)接部位螺栓槽與口蓋模擬件實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境的考核試驗(yàn)與戶外自然環(huán)境大氣暴露試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明[28—30],該密封劑具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐介質(zhì)性強(qiáng)、兼具密封防水與防腐效果的雙重功效、可在-55～120℃溫度范圍使用、操作簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。目前已領(lǐng)先應(yīng)用于典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封防水改進(jìn),效果良好。這說明新型的膠體密封劑技術(shù)可用于解決老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封防水問題。

下面再列舉一個(gè)成功案例,說明結(jié)構(gòu)密封防水改進(jìn)的重要性。

某型飛機(jī)機(jī)翼壁板等結(jié)構(gòu)在螺釘、螺栓、鉚釘?shù)冗B接部位腐蝕突出的問題,在第2次大修中,采取的修理與密封改進(jìn)措施如下。

1)對(duì)腐蝕部位去除腐蝕產(chǎn)物后,表面重新進(jìn)行電化學(xué)氧化處理。

2)在更換連接件時(shí),先在連接件和連接孔涂刷XM-33密封膠進(jìn)行絕緣隔離,使隔離層有足夠的厚度和覆蓋面,盡可能避免在不同金屬之間形成縫隙。

3)對(duì)于腐蝕較輕的連接部位在緊固件周圍也涂刷XM-33密封膠等方式進(jìn)行密封處理。

采取了這些腐蝕修理與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)密封改進(jìn)措后,結(jié)構(gòu)的抗腐蝕品質(zhì)得到明顯改善,第3次大修時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕。

3.4 加強(qiáng)和改進(jìn)老齡飛機(jī)使用維護(hù)中結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)防與控制

應(yīng)重視飛機(jī)使用維護(hù)中的腐蝕預(yù)防與控制,主要包括預(yù)防性和補(bǔ)救性控制措施兩個(gè)方面,需要加強(qiáng)以下幾項(xiàng)工作[32]。

1)加強(qiáng)日常維護(hù)中的腐蝕檢查,應(yīng)依據(jù)具體的服役環(huán)境和使用情況,有針對(duì)性制定腐蝕檢查大綱和周期。在沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū)服役的飛機(jī),腐蝕檢查周期10～15天為宜;在比較干燥的內(nèi)陸地區(qū),腐蝕檢查周期10～15天。

2)定期沖洗飛機(jī)表面,去除各種腐蝕性污染物。這是一種簡(jiǎn)單、有效的外場(chǎng)腐蝕防護(hù)措施,能有效減少腐蝕產(chǎn)生的外在因素,起到抑制或減緩腐蝕的作用。要注意的是:要采用飛機(jī)維護(hù)修理手冊(cè)中規(guī)定的專用清洗劑對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行清洗,并要嚴(yán)格掌握使用濃度;沖洗過程中會(huì)沖洗掉部分潤(rùn)滑油、機(jī)油、密封劑和腐蝕抑制化合物,因此,沖洗后應(yīng)重新加填潤(rùn)滑油、脂和涂敷緩蝕劑,并要特別注意縫隙和搭接區(qū)域的徹底清洗和干燥;由使用環(huán)境和污染程度確定飛機(jī)的清洗周期,建議輕微腐蝕地區(qū)的沖洗周期為90天,中等腐蝕地區(qū)為45天,嚴(yán)重腐蝕地區(qū)為15天。

3)加強(qiáng)通風(fēng)、排水和除濕工作。應(yīng)定期檢查飛機(jī)的排水孔(口)、排水裝置是否暢通、完好。如發(fā)現(xiàn)排水管堵塞應(yīng)及時(shí)予以清除,排水閥門或損壞時(shí),應(yīng)及時(shí)修理或更換。為防止雨水、潮濕空氣等進(jìn)入并長(zhǎng)期滯留在飛機(jī)內(nèi)部,應(yīng)及時(shí)打開艙門、口蓋進(jìn)行通風(fēng),并排除積液。通風(fēng)可以驅(qū)散飛機(jī)內(nèi)部的潮濕空氣,促進(jìn)結(jié)構(gòu)部件上沾附水分的蒸發(fā)。對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的溝和凹槽、底艙區(qū)域以及結(jié)構(gòu)部件搭接縫等易積水區(qū)域要予以特別重視,發(fā)現(xiàn)水分存留應(yīng)及時(shí)排除并進(jìn)行通風(fēng)干燥處理。與海綿橡膠、隔音材料和絕緣材料等有機(jī)吸濕材料相接觸的金屬遭受腐蝕的可能性較大,要經(jīng)常檢查并保持隔離層的干燥。

4)加強(qiáng)飛機(jī)涂層體系、結(jié)構(gòu)密封和潤(rùn)滑狀態(tài)的保護(hù)和保養(yǎng)。對(duì)于飛機(jī)表面防護(hù)涂層而言,由于比較薄且硬度較小,受到碰撞、摩擦?xí)r極易損壞;外場(chǎng)維護(hù)中應(yīng)避免堅(jiān)硬物體損傷涂層;若涂層已遭破壞,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或噴涂脫水防銹劑作暫時(shí)性保護(hù)。對(duì)于密封材料,如果發(fā)現(xiàn)填充于機(jī)體結(jié)構(gòu)中的密封劑、密封帶等密封材料出現(xiàn)自然老化、機(jī)械損傷、缺失等現(xiàn)象時(shí),要及時(shí)進(jìn)行更換和填充。對(duì)于涂覆潤(rùn)滑脂的動(dòng)部件而言,潤(rùn)滑油脂能有效地防止或減緩功能接頭和摩擦表面等活動(dòng)部位的腐蝕。因此,要定期檢查活動(dòng)接頭、摩擦表面、軸承和操縱鋼索等的潤(rùn)滑狀態(tài)是否良好。

5)加強(qiáng)微生物沉積的預(yù)防與去除工作。微生物在水/油交界處繁殖,迅速在整體油箱中形成粘質(zhì)物或纏結(jié)的滋生物。油箱表面涂層在微生物及其排泄物的連續(xù)作用下就會(huì)破裂,進(jìn)而腐蝕鋁合金,穿透機(jī)翼蒙皮時(shí)就會(huì)造成漏油。因此,在外場(chǎng)維護(hù)中,要特別加強(qiáng)油箱結(jié)構(gòu)部位微生物沉積的預(yù)防與去除工作。

6)一旦發(fā)現(xiàn)腐蝕損傷,應(yīng)采取臨時(shí)防護(hù)和有效的補(bǔ)救性措施及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。補(bǔ)救性外場(chǎng)腐蝕損傷修復(fù)主要是指通過檢查,在確認(rèn)腐蝕損傷后,采取外場(chǎng)可實(shí)施的技術(shù)手段對(duì)腐蝕結(jié)構(gòu)部位實(shí)施有效的維護(hù)和修理?？筛鶕?jù)腐蝕深度和面積,可分為3種情況:輕微可允許腐蝕損傷,腐蝕沒有超過飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)中規(guī)定的容許極限,一般只需按飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)單防護(hù)處理;中等腐蝕損傷,腐蝕損傷剛好接近容許極限,需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù),修復(fù)后應(yīng)縮短檢查間隔,加強(qiáng)監(jiān)控;嚴(yán)重腐蝕損傷,腐蝕損傷已影響到飛機(jī)正常使用和飛行安全,已不能局部補(bǔ)強(qiáng)修復(fù),必須進(jìn)行部件更換。當(dāng)外場(chǎng)維護(hù)中發(fā)現(xiàn)這類腐蝕損傷時(shí),應(yīng)進(jìn)行專題研究解決。

4 結(jié)論

針對(duì)老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的主要原因與影響因素進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析。重點(diǎn)闡述了老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的對(duì)策與措施,主要結(jié)論如下。

1)腐蝕是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)的共性問題,不僅普遍存在,而且已經(jīng)成為嚴(yán)重制約老齡飛機(jī)安全飛行和經(jīng)濟(jì)修理最主要的因素。

2)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的原因很多,錯(cuò)綜復(fù)雜。壽命指標(biāo)體系的問題、結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)及防腐工藝缺陷、嚴(yán)酷的服役環(huán)境、腐蝕修理技術(shù)與使用維護(hù)措施不完善是影響老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素。

3)對(duì)老齡飛機(jī)定期開展全面的腐蝕檢查評(píng)估是一項(xiàng)極其重要的工作,有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷情況,預(yù)判潛在的腐蝕問題或腐蝕苗頭,以便采取針對(duì)性修理和預(yù)防措施。

4)進(jìn)行防護(hù)涂層體系和結(jié)構(gòu)密封防水改進(jìn)可大幅提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕品質(zhì),是解決老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕問題的重要舉措。

5)應(yīng)重視飛機(jī)使用維護(hù)中的腐蝕預(yù)防與控制,針對(duì)老齡飛機(jī)要加強(qiáng)4方面的工作:定期沖洗去除表面腐蝕性污染物;通風(fēng)、排水和除濕;涂層體系、結(jié)構(gòu)密封和潤(rùn)滑狀態(tài)保護(hù)和保養(yǎng);對(duì)發(fā)現(xiàn)的腐蝕損傷采取有效的補(bǔ)救性措施及時(shí)進(jìn)行修復(fù)等。

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Corrosion Problems and Countermeasures of the Aging Aircraft

CHEN Qun-zhi,WANG Yu-ya,CUI Chang-jing,ZHANG Lei

(Beijing Aeronautical Technology Research Center,Beijing 100076,China)

Corrosion failure cases were listed for a certain type of aging aircraft structure.The common corrosion problems and theirs characteristics of the aging aircraft structure were clarified.The main causes and impact factors of the aging aircraft structure corrosion were systematically analyzed from the index system of service life period,structure corrosion characteristics,service environment,corrosion maintenance during service and corrosion repair,etc.The aging aircraft structure corrosion protection countermeasures were emphatically elaborated,mainly including corrosion inspection evaluation,coating system improvement,waterproof sealing structure improvement,corrosion prevention and control measures during field use maintenance.

the aging aircraft structure;corrosion;service environment;coating system;sealed waterproof;use maintenance;corrosion repair

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.001

TG171;V216.5

:A

1672-9242(2014)06-0001-09

2014-09-25;

2014-10-24

Received:2014-09-25;Revised:2014-10-24

陳群志(1963—),男,湖南人,博士/博士后,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命、日歷壽命及腐蝕防護(hù)等。

Biography:CHEN Qun-zhi(1963—),Male,from Hunan,Ph.D./Postdoc,Senior engineer,Research focus:the fatigue life,calendar life and corrosion protection of aircraft structure.