高延達(dá),李健,李宗原,沈軍

(總參陸航研究所,北京101121)

淺析直升機的外場腐蝕防護

高延達(dá),李健,李宗原,沈軍

(總參陸航研究所,北京101121)

摘.要.目的為加強和改進(jìn)直升機腐蝕防護工作提供依據(jù)。方法通過X1和X2系列直升機的典型腐蝕案例,對直升機腐蝕原因及危害性進(jìn)行分析。結(jié)果由于使用環(huán)境惡劣等原因,現(xiàn)役X1和X2系列直升機普遍存在腐蝕問題,已成為嚴(yán)重影響直升機使用維護、經(jīng)濟修理和飛行安全的關(guān)鍵因素。結(jié)論從外場防腐改進(jìn)、腐蝕檢測、定期沖洗去除直升機表面腐蝕性污染物、防腐涂層的保護和修復(fù)、先進(jìn)的防腐技術(shù)的應(yīng)用、單機腐蝕監(jiān)控等方面提出了直升機外場腐蝕防護的措施。

直升機;腐蝕防護;使用維護;外場

腐蝕對飛機的危害很大,嚴(yán)重影響和制約著飛機的安全使用、正常維護與經(jīng)濟修理。國內(nèi)外發(fā)生過很多起因為腐蝕導(dǎo)致的飛行事故。例如,1988年阿羅哈(Aloha)航空公司一架波音737-200型客機在7300 m高空因機身上部蒙皮撕裂,造成1名機組人員墜海失蹤[1]。據(jù)調(diào)查,固定蒙皮的搭接頭的失效是導(dǎo)致該事故的原因。搭接頭的材質(zhì)為鋁合金,由鉚釘連接。由于搭接處存在狹縫,腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入其中,導(dǎo)致鋁合金發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)物的體積遠(yuǎn)大于原金屬體積,金屬由于“枕墊效應(yīng)”隆起,在巨大的應(yīng)力作用下,固定搭接頭的鉚釘發(fā)生斷裂。

2011年一架R44型直升機因旋翼失去動力而緊急自轉(zhuǎn)著陸[2]。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于直升機長期在澳大利亞北部的濕熱地區(qū)使用并且露天停放,主減速器內(nèi)部進(jìn)水,導(dǎo)致齒輪盤銹蝕,其表面出現(xiàn)了許多蝕坑,進(jìn)而發(fā)展為疲勞裂紋,隨著疲勞裂紋的擴展和蔓延,齒輪盤無法承受所傳遞的載荷而發(fā)生斷裂。

1 X1和X2系列直升機上發(fā)生的典型腐蝕問題

近年來,針對外場和直升機大修廠的大量調(diào)研表明,X1和X2系列直升機均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象,個別部位腐蝕嚴(yán)重,對飛行安全構(gòu)成了較嚴(yán)重的威脅。目前,這兩種直升機面臨的腐蝕問題主要有以下內(nèi)容。

1)X2系列直升機機體腐蝕嚴(yán)重。X2系列直升機大部分機體材料為鋁合金。由于漆層質(zhì)量問題及外場恢復(fù)漆層手段欠缺,在直升機大修時發(fā)現(xiàn)機體上存在大量由于腐蝕導(dǎo)致的小坑(如圖1a所示),表明機體鋁合金材料上發(fā)生了大面積的點蝕。點蝕是破壞性和隱患最大的腐蝕形式之一,一旦金屬構(gòu)件形成蝕坑,就會產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為腐蝕疲勞的裂紋源。在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下,裂紋急劇擴展直至失穩(wěn)斷裂,有可能導(dǎo)致直升機結(jié)構(gòu)的突發(fā)性事故發(fā)生。除此之外,產(chǎn)生于縫隙內(nèi)的點蝕的發(fā)展速度比表面的點蝕發(fā)展速度快,是導(dǎo)致疲勞斷裂的誘因。鋁合金對縫隙腐蝕非常敏感,當(dāng)存在縫隙時,鋁合金更易發(fā)生點蝕。在對一架第3次翻修的X2系列直升機進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn),左側(cè)機身第13與第14框蒙皮搭接區(qū)域的鉚釘已發(fā)生斷裂(如圖1b所示)。由于存在縫隙,腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入其中,縫隙內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。腐蝕產(chǎn)物遠(yuǎn)大于原金屬體積,蒙皮隆起,致使鉚釘發(fā)生斷裂。在海洋性大氣環(huán)境中,鋁合金更易發(fā)生點蝕。對于嚴(yán)重的點蝕,完全清除所有的蝕坑會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件強度的嚴(yán)重減弱,此時需要重點修理或換件。

圖1 X2系列直升機主減平臺及蒙皮搭接區(qū)域腐蝕Fig.1 MGB platform and skin overlap area corrosion of X2 helicopter

2)鋼件腐蝕普遍。鋼件表面一般鍍鎘,在大氣中使用一段時間后,鍍鎘層氧化,鋼件失去表面防護層而發(fā)生腐蝕。主槳轂、尾槳轂、變距拉桿、螺栓、定位銷等部位普遍存在腐蝕。X1系列直升機槳葉銷及槳轂固定螺栓的腐蝕如圖2所示。

圖2 X1系列直升機槳葉銷及槳轂固定螺栓腐蝕Fig.2 Blade pin and hub bolts corrosion of X1 helicopter

3)鎂合金機件腐蝕嚴(yán)重。直升機結(jié)構(gòu)中化學(xué)特性最活潑的金屬是鎂,最易受到腐蝕且最難維護。X2系列直升機中使用鎂合金或鋁鎂合金的機件有:左右活動觀察窗的艙口框、主減、中減及尾減齒輪機匣、輪轂、安裝在10框的操縱組合軸、空氣冷卻系統(tǒng)導(dǎo)向裝置殼體、操縱系統(tǒng)的搖臂支架、液壓助力器的安裝支架等。這些部位普遍存在腐蝕,有的機件上出現(xiàn)了很多由腐蝕導(dǎo)致的小坑。輪轂及尾減速器殼體固定螺栓孔腐蝕如圖3所示。滑油散熱風(fēng)扇圍框及操縱組合軸腐蝕如圖4所示。

4)高溫漆性能差,發(fā)動機殼體固定螺栓腐蝕嚴(yán)重。WZ-8(用于X1系列直升機)及TB3系列發(fā)動機(用于X2系列直升機)的固定螺栓腐蝕嚴(yán)重(如圖5所示),基本上每臺發(fā)動機都存在該問題。TB3系列發(fā)動機在大修后采用國產(chǎn)高溫漆,漆層耐高溫性能差。在發(fā)動機工作幾十個小時就開始脫漆,黑顏色的漆在高溫下會逐漸變成白色,失去防腐性能(如圖6所示)。

圖3 輪轂及尾減速器殼體固定螺栓孔腐蝕Fig.3 Wheel hub and bolt holes of TGB housing corrosion

圖4 滑油散熱風(fēng)扇圍框及操縱組合軸腐蝕Fig.5 Oil cooler and control shaft corrosion

圖5 WZ-8及TB3系列發(fā)動機殼體固定螺栓腐蝕Fig.5 Bolts of WZ-8 and TB3 turbo-shaft corrosion

圖6 TB3系列發(fā)動機的黑色高溫漆失效Fig.6 Black anti-heat coating failure of TB3 turbo-shaft

5)起落架上金屬件腐蝕嚴(yán)重。起落架受泥沙、雨水影響較多,腐蝕較嚴(yán)重。X1系列直升機前起落架驅(qū)動桿及螺紋套桿腐蝕普遍。驅(qū)動桿下方的旋轉(zhuǎn)裝置因腐蝕導(dǎo)致卡滯,在起落架收起時,搖臂與驅(qū)動桿之間干摩擦。長時間使用會使搖臂上產(chǎn)生凹槽,如果凹槽深度較大,會導(dǎo)致?lián)u臂不能觸碰到驅(qū)動桿,從而影響起落架正常收起。X1系列直升機前起落架驅(qū)動桿及螺紋套桿腐蝕如圖7所示。

圖7 X1系列直升機前起落架驅(qū)動桿及螺紋套桿腐蝕Fig.7 Nose landing gear corrosion of Z-9 helicopter

6)漆層脫落非常普遍。X1和X2系列直升機的漆層脫落非常普遍。漆層脫落不只是影響外觀,金屬表面的漆層脫落后,基體金屬就會發(fā)生腐蝕。雖然短時間內(nèi)對飛行安全構(gòu)不成威脅,但隨著直升機服役年限的增加,腐蝕程度不斷加劇,最終可能由表面腐蝕發(fā)展為點蝕。對于結(jié)構(gòu)承力部件,這種情況很危險,有可能發(fā)生疲勞斷裂事故。當(dāng)腐蝕損傷加劇時,修復(fù)工作是很困難的,有時只能將腐蝕件報廢處理,造成了經(jīng)濟上的浪費。

2 直升機腐蝕原因及其危害性分析

導(dǎo)致直升機腐蝕頻繁發(fā)生的主要原因有以下幾點。

1)設(shè)計直升機時對腐蝕問題關(guān)注不足。例如:直升機積水與排水問題;異種金屬之間沒有有效絕緣;防護涂層質(zhì)量問題;有些易腐蝕部位可達(dá)性較差,外場維護困難等。

2)外場缺乏有效的腐蝕檢測、預(yù)防、修理手段,對腐蝕危害性認(rèn)識不足。對于直升機內(nèi)部腐蝕問題,外場缺乏有效的腐蝕檢測手段;外場“人少裝備多”的矛盾突出,可用于腐蝕防護、修理的時間很少,很多小的腐蝕問題(如漆層破損)都沒有得到及時處理,只能在大修時解決;裝備管理及維護人員對腐蝕問題重視不夠;外場維護過程中,存在一些誤操作,人為因素造成對直升機防護層或材料表面損傷;一些先進(jìn)的腐蝕防護與修理技術(shù)沒有引入外場,現(xiàn)有腐蝕防護與修理工作效率低,效果不好。

3)直升機使用環(huán)境惡劣,使用率較民航飛機低很多。

腐蝕對直升機的危害主要為:對飛行安全構(gòu)成威脅,嚴(yán)重的腐蝕可導(dǎo)致機毀人亡,這樣的例子并不鮮見;影響直升機壽命,嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)腐蝕可導(dǎo)致直升機提前退役,造成經(jīng)濟上的浪費。外場腐蝕防護、修理占用大量維修工時,機群性的腐蝕問題將產(chǎn)生高昂的修理費用。

3 直升機外場防腐的主要措施

1)積極開展多種形式的腐蝕防護知識培訓(xùn)。機務(wù)人員缺乏系統(tǒng)的腐蝕防護知識培訓(xùn),很多防腐知識仍主要依靠一些老機械師口頭傳授。應(yīng)將陸航直升機所發(fā)生的腐蝕問題進(jìn)行匯總,分析腐蝕原因,給出腐蝕措施,指導(dǎo)機務(wù)人員開展腐蝕防護工作。另外,應(yīng)在院校開展直升機腐蝕防護課程,定期邀請技術(shù)人員到部隊授課或定期組織機務(wù)人員進(jìn)行腐蝕防護知識培訓(xùn),在提高腐蝕預(yù)防與腐蝕修理技術(shù)上下功夫。

2)定期沖洗去除直升機表面腐蝕性污染物。保持直升機的表面清潔對預(yù)防腐蝕非常關(guān)鍵,定期沖洗直升機表面,去除各種腐蝕性污染物是一種簡單、有效的外場腐蝕防護措施,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。目前,外場配發(fā)的清洗劑無法有效去除油脂,為達(dá)到清洗效果,只能用洗潔精或肥皂水來清洗直升機,這容易損壞直升機表面漆層,甚至造成金屬(起落架等區(qū)域的高強度鋼)發(fā)生氫脆。應(yīng)開展新型清洗劑的研發(fā)并及早為外場配備。另外,直升機的清潔基本靠手工,效率很低。對于中型或大型直升機,很難在有限的時間內(nèi)將直升機擦拭一遍,這就造成了很多部位長時間無法清潔,為電化學(xué)腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件。因此,很有必要推廣高效清洗設(shè)備的使用。

3)加快推進(jìn)腐蝕檢測技術(shù)的應(yīng)用。隨著直升機沿海飛行及參加海訓(xùn)時間的逐步增加,直升機面臨的腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)峻。一旦內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕,有可能產(chǎn)生疲勞裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂。目前,外場缺乏方便有效的無損檢測手段,只能靠目視,也缺乏對內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕的檢查手段,無法發(fā)現(xiàn)早期腐蝕,造成安全隱患。

4)完善防腐涂層的保護和修復(fù)技術(shù)。目前,外場缺乏必要的漆及修理工具。當(dāng)機務(wù)人員發(fā)現(xiàn)有漆層破損時,只能自己調(diào)漆,用刷子或毛筆補漆。調(diào)漆不僅耗時,而且顏色很難保證與原漆層一致。另外,由于沒有噴漆工具,漆層的附著力有限,在使用很短的一段時間后就會脫落。若沒有時間進(jìn)行調(diào)漆,只能在腐蝕部位涂抹932潤滑脂作為暫時防護,但作用十分有限。應(yīng)將現(xiàn)有直升機的漆進(jìn)行統(tǒng)計并統(tǒng)一配備一套,同時配備噴漆工具,以提高外場工作效率。為提高工作效率,應(yīng)盡快為外場配備一套專用腐蝕修理工具箱,包括腐蝕打磨工具、噴漆工具等(如圖8、圖9所示)。

圖8 電動打磨工具及金屬表面溫度測量儀Fig.8 Motor-drive polishing and temperature measuring instrument

圖9 腐蝕修理工具箱Fig.9 Corrosion repair box

5)改善直升機大修工藝。X2系列直升機大修后,出現(xiàn)了批次性的漆層脫落現(xiàn)象。經(jīng)分析,應(yīng)為漆層質(zhì)量及噴漆工藝問題,直升機表面的漆層厚度較以前要薄。另外,槳轂鍍鎘層、各鋼件表面的鍍鎘層在大氣環(huán)境下很快被氧化,防護時間很有限。陸航某旅發(fā)生了百余起發(fā)動機殼體固定螺栓斷裂事故,有的螺栓在發(fā)動機大修后50余小時就發(fā)生斷裂。另外,發(fā)動機高溫漆層質(zhì)量不達(dá)標(biāo),使用1年左右即發(fā)生變色、粉化。接縫區(qū)域缺乏有效的密封,潮氣容易進(jìn)入,導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的縫隙腐蝕。對于雙金屬接觸區(qū)域,缺乏有效的絕緣防護,導(dǎo)致發(fā)生電偶腐蝕。因此,應(yīng)改善噴漆、電鍍等直升機大修工藝。

6)加快推進(jìn)先進(jìn)的防腐技術(shù)在直升機防腐中的應(yīng)用。腐蝕防護是一個系統(tǒng)工程,單純的依靠清洗、通風(fēng)晾曬、加強潤滑等通用防護措施無法完全杜絕腐蝕的發(fā)生。對于存在縫隙、不經(jīng)常拆卸的區(qū)域可以使用密封膠密封,防止積水,從而預(yù)防腐蝕發(fā)生。同時,對于拆卸的螺釘螺帽重新安裝時,應(yīng)視情采用濕裝配。應(yīng)推廣臨時性防護產(chǎn)品(如緩蝕劑、硬膜脫水劑等)的應(yīng)用。

7)開展單機腐蝕監(jiān)控技術(shù)研究。單機腐蝕監(jiān)控是未來發(fā)展的一個重要趨勢,腐蝕傳感器是實現(xiàn)單機監(jiān)控的核心。美國海軍開發(fā)了無線薄膜式雙金屬流電傳感器(智能傳感器,簡稱ICS),主要由雙金屬薄膜傳感器(陽極金屬為鎘,陰極金屬為金)、電子模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射及接受終端等組成(如圖10所示)。目前該傳感器已在P-3C飛機及H-60直升機上展開飛行測試工作,并計劃在F/A-18及C-130飛機上安裝該傳感器。

圖10 智能傳感器(ICS)及其在直升機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用Fig.10 Intelligence corrosion sensor(ICS)and its application in helicopter structure

4 結(jié)語

介紹了發(fā)生在X1和X2系列直升機上的典型腐蝕問題,并進(jìn)行了危害性分析。提出了積極開展多種形式的腐蝕防護知識培訓(xùn),定期沖洗去除直升機表面腐蝕性污染物,加快推進(jìn)腐蝕檢測技術(shù)的應(yīng)用,完善防腐涂層的保護和修復(fù)技術(shù),改善直升機大修工藝,加快推進(jìn)先進(jìn)的防腐技術(shù)在直升機防腐中的應(yīng)用等措施,對有效開展直升機外場腐蝕防護工作具有一定指導(dǎo)意義。

[1] PIERRE R R.Handbook of Corrosion Engineering[M]. New York:McGraw-Hill,2000.

[2] Australian Transport Safety Bureau.Loss of main rotor drive-Robinson Helicopter Company R44[R].VHZWC,2012.

[3] GJB 2635A—2008,軍用飛機腐蝕防護設(shè)計和控制要求[S]. GJB 2635A—2008,Corrosion Prevention and Control Requirements for Military Aircraft Design[S].

[4] GJB/Z 138—2004,海軍航空裝備腐蝕控制要求指南[S]. GJB/Z 138—2004,Guide of Corrosion Control Requirements for Naval Aircraft Equipment[S].

[5] HJB 411—2008,海軍飛機結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制通用設(shè)計要求[S]. HJB 411—2008,Common requirements of Navy Aircraft Structure Design of Corrosion Prevention and Control[S].

[6] HJB 412—2008,海軍飛機結(jié)構(gòu)防腐蝕密封通用設(shè)計要求[S]. HJB 412—2008,General Design Requirements for Naval Aircraft Structure Corrosion-proof Seal[S].

[7] GJB 1720—93,異種金屬的腐蝕與防護[S]. GJB 1720—93,Corrosion and Protection of Dissimilar Metals[S].

[8] HB 7671—2000,飛機結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計要求[S]. HB 7671—2000,Anti-corrosion Design of Aircraft Structural Requirements[S].

Brief Analysis of Helicopter Field Corrosion Prevention

GAO Yan-da,LI Jian,LI Zong-yuan,SHEN Jun
(Army Aviation Research Institute,Beijing 101121,China)

Objective To provide the basis for strengthening and improving the helicopter corrosion prevention efforts. Methods Corrosion reasons and hazard were analyzed through the X1 and X2 helicopter typical corrosion cases.Results Due to bad operation environments and other reasons,corrosion problems were prevalent among in-service X1 and X2 helicopters.Corrosion has become the key factor which seriously affects the operation,maintenance,economic repair and flight safety of X1 and X2 helicopters.Conclusion Some corrosion prevention measures for helicopter were given,which included:improving field corrosion prevention methods,corrosion detection,flushing corrosive pollutants of helicopter surface regularly,anti-corrosion coating protection and repair,the application of advanced coating technologies,corrosion monitoring technology etc.

helicopter;corrosion prevention;operation and maintenance;field

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.023

TS206

:A

1672-9242(2014)06-0135-05

2014-09-09;

2014-10-27

Received:2014-09-09;Revised:2014-10-27

高延達(dá)(1984—)男,河北沙河人,工程師,主要研究方向為直升機腐蝕防護、適航、直升機空氣動力學(xué)。

Biography:GAO Yan-da(1984—),Male,from Shahe,Hebei,Engineer,Research focus:helicopter corrosion prevention,helicopter airworthiness,helicopter aerodynamics.