2

(1. 廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510470；2. 廣州飛安航空科技有限公司，廣州 510850)

腐蝕是運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要損傷型式，會(huì)影響甚至危及飛行安全。1981年8月22日，臺(tái)灣遠(yuǎn)東航空公司一架737客機(jī)在執(zhí)行航班途中，因機(jī)身貨艙底部蒙皮大面積腐蝕導(dǎo)致飛機(jī)空中解體。1988年4月28日，美國(guó)阿洛哈航空公司一架老齡737飛機(jī)從Hilo飛往Honolulu途中，前機(jī)身上部蒙皮壁板腐蝕疲勞撕裂、丟失。2007年2月21日，印尼Adam航空公司一架737客機(jī)由于龍骨梁嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致飛機(jī)降落時(shí)機(jī)身折斷，險(xiǎn)些釀成災(zāi)難性事故。三起重大飛行事故原因都是飛機(jī)服役期間未能及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕。

自2015年1月起，廣州飛安航空科技有限公司針對(duì)在典型腐蝕環(huán)境中服役的300多架某成熟機(jī)型飛機(jī)(累計(jì)服役時(shí)間超過1 200 a)的結(jié)構(gòu)腐蝕事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，共發(fā)現(xiàn)13 000多起結(jié)構(gòu)腐蝕事件。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，運(yùn)輸類飛機(jī)的結(jié)構(gòu)腐蝕非常普遍。服役時(shí)間14 a以上飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)(SSI)和重要結(jié)構(gòu)(PSE)的腐蝕非常嚴(yán)重。主要結(jié)構(gòu)失效將影響飛行安全，重要結(jié)構(gòu)失效則會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果[1]。

為了保證及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕、避免服役期間因結(jié)構(gòu)腐蝕引起飛機(jī)災(zāi)難性破壞，根據(jù)運(yùn)輸類飛機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-4]中“結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定”要求，飛機(jī)型號(hào)合格證申請(qǐng)人必須確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查的大綱。本工作針對(duì)目前國(guó)產(chǎn)運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查大綱面臨的適航審定基礎(chǔ)問題，在確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕影響因素和分布規(guī)律基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查要求的腐蝕檢查對(duì)象、腐蝕檢查方法、首次檢查期限和重復(fù)檢查間隔進(jìn)行了研究。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的影響因素和分布規(guī)律

電位差、電通路以及金屬直接接觸電解液是飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的充分必要條件[5]。運(yùn)輸類飛機(jī)服役期間的結(jié)構(gòu)腐蝕分析結(jié)果表明，腐蝕影響因素及其分布規(guī)律主要有以下幾個(gè)方面。

1.1 材料種類

運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)的材料主要為鋁合金，材料內(nèi)部存在電位不同的各種微觀組織[6-7]。材料內(nèi)部電位的不同為腐蝕提供了所需的電位差，不同電位的微觀組織相互接觸為腐蝕提供了所需的電通路，當(dāng)金屬直接接觸電解液后便會(huì)產(chǎn)生腐蝕。材料微觀組織的這一特點(diǎn)是運(yùn)輸類飛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)難以避免腐蝕的根本原因。飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)蝕和剝蝕等，如圖1所示。

圖1 選材不當(dāng)導(dǎo)致的機(jī)身龍骨梁剝蝕Fig. 1 Exfoliation corrosion on keel beam caused by unsuitable material selecting

1.2 表面保護(hù)

飛行過程中，運(yùn)輸類飛機(jī)需要通過發(fā)動(dòng)機(jī)引氣對(duì)客艙、駕駛艙等區(qū)域進(jìn)行增壓并維持增壓區(qū)域溫度在25 ℃左右，飛機(jī)蒙皮外表面溫度為-30 ℃左右，內(nèi)外溫差大。因此，飛行過程中飛機(jī)蒙皮內(nèi)表面不可避免地產(chǎn)生大量冷凝水。此外，凝露，潮氣，雨水以及貨物、廚房、廁所等處產(chǎn)生的滲漏液也會(huì)成為腐蝕電解液。由此可見，運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)不可避免地和腐蝕電解液接觸。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面增加保護(hù)層、避免電解液與金屬結(jié)構(gòu)直接接觸是運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要的防腐蝕方法。飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面保護(hù)層一旦破損失效，電解液將直接接觸金屬并導(dǎo)致腐蝕。根據(jù)表面保護(hù)層破損失效原因，可以將飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕分為非偶然型腐蝕和偶然型腐蝕兩大類。結(jié)構(gòu)表面保護(hù)層在非偶然性因素如電解液、高/低溫、鹽霧、紫外線、濕熱、微生物等環(huán)境因素以及結(jié)構(gòu)載荷作用下逐漸老化、破損失效導(dǎo)致的腐蝕稱為非偶然型腐蝕。非偶然型腐蝕產(chǎn)生的主要原因是結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)缺陷，且與飛機(jī)服役時(shí)間密切相關(guān)。偶然型腐蝕是指飛機(jī)制造和服役期間各種偶然因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)表面保護(hù)層破損失效引起的腐蝕，如表面保護(hù)缺陷導(dǎo)致的腐蝕，見圖2。

圖2 鍍層缺陷引起的登機(jī)門扭力管點(diǎn)蝕Fig. 2 Pitting corrosion on the torque tube of entry door caused by plating defects

1.3 連接部位防腐蝕缺陷

按運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕形式，可分為結(jié)構(gòu)連接部位的貼合面腐蝕和連接部位之外的非貼合面腐蝕。83%以上結(jié)構(gòu)腐蝕為貼合面腐蝕。貼合面腐蝕具有隱蔽、擴(kuò)展速度快等特點(diǎn)，是影響飛機(jī)適航的主要腐蝕形式。貼合面腐蝕的主要原因是結(jié)構(gòu)連接部位貼合面存在微動(dòng)、縫隙或者電位不同材料直接接觸等防腐蝕缺陷，從而加快結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力腐蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)蝕和剝蝕的形成和擴(kuò)展。貼合面腐蝕包括電偶腐蝕、縫隙腐蝕、微動(dòng)腐蝕。圖3為縫隙導(dǎo)致的機(jī)身蒙皮縫隙腐蝕。

圖3 機(jī)身蒙皮的縫隙腐蝕Fig. 3 Crevice corrosion on fuselage skin

1.4 環(huán)境因素

引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的環(huán)境因素包括電解液、高/低溫、鹽霧、紫外線、濕熱、微生物等。環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕的影響包括導(dǎo)致保護(hù)層老化失效和金屬腐蝕兩個(gè)方面。結(jié)構(gòu)表面保護(hù)層在環(huán)境因素作用下會(huì)逐漸老化失效，保護(hù)層失效后，金屬結(jié)構(gòu)材料在電解液、鹽霧、載荷等作用下產(chǎn)生腐蝕。與飛機(jī)結(jié)構(gòu)接觸的腐蝕介質(zhì)和接觸時(shí)間是影響結(jié)構(gòu)腐蝕形成和擴(kuò)展速度的主要環(huán)境因素。

2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的適航要求

2.1 強(qiáng)度和變形要求

根據(jù)《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.305條的強(qiáng)度和變形規(guī)定：結(jié)構(gòu)必須能夠承受限制載荷而無有害的永久變形，即結(jié)構(gòu)所受載荷小于限制載荷時(shí)，其變形不得妨害安全運(yùn)行；結(jié)構(gòu)必須能夠承受極限載荷至少3s而不破壞。限制載荷指飛機(jī)服役期間內(nèi)結(jié)構(gòu)預(yù)期的最大載荷。極限載荷等于限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù)(1.5)。

根據(jù)《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.305條的結(jié)構(gòu)承載能力規(guī)定，結(jié)構(gòu)的承載能力必須滿足適航要求。如果腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降到極限載荷以下水平時(shí)，結(jié)構(gòu)在限制載荷作用下可能會(huì)產(chǎn)生有害的永久變形。這意味著腐蝕已經(jīng)影響了結(jié)構(gòu)的持續(xù)適航性。因此，需要及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)承載能力下降至極限載荷以下的結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)或者更換恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力。如果腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降到限制載荷以下水平時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)在限制載荷作用下斷裂破壞。這意味著腐蝕已經(jīng)危及了結(jié)構(gòu)的持續(xù)適航性。

由于飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造以及服役期間不可避免地存在腐蝕預(yù)防和控制缺陷，因此飛機(jī)投入使用后結(jié)構(gòu)腐蝕不可避免。如果結(jié)構(gòu)承載能力僅滿足適航要求，這意味著結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微腐蝕也需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)甚至換件。這不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失，還大大降低了飛機(jī)利用率。因此，飛機(jī)用戶是不會(huì)接受這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)承載能力必須有一定的裕度，才能保證結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的腐蝕等輕微損傷后，其承載能力也不會(huì)下降到極限載荷之下，避免修理或者換件，如圖4所示。與結(jié)構(gòu)承載裕度對(duì)應(yīng)的輕微損傷限制稱為允許損傷限制(ADL)。ADL范圍內(nèi)的損傷稱為允許損傷。ADL一般用結(jié)構(gòu)厚度的百分比表示。

圖4 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕擴(kuò)展及承載要求Fig. 4 Corrosion development and load requirement for aircraft structure

2.2 腐蝕損傷容限評(píng)定要求

根據(jù)《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.571條中“結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定”的規(guī)定，飛機(jī)型號(hào)合格證申請(qǐng)人必須根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計(jì)方法，預(yù)測(cè)飛機(jī)服役期間結(jié)構(gòu)腐蝕的部位、腐蝕形式并評(píng)定腐蝕檢查要求，以避免飛機(jī)在服役期間由于結(jié)構(gòu)腐蝕引起災(zāi)難性破壞。因此，腐蝕損傷容限評(píng)定包含以下要求：

①可能導(dǎo)致飛機(jī)災(zāi)難性破壞的重要結(jié)構(gòu)必須完成腐蝕評(píng)定。

②腐蝕評(píng)定結(jié)果必須包括飛機(jī)服役期間結(jié)構(gòu)預(yù)期的腐蝕部位和腐蝕形式。

③根據(jù)腐蝕評(píng)定結(jié)果制定的腐蝕檢查要求，必須能夠避免飛機(jī)災(zāi)難性破壞。這就要求腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降到限制載荷之前必須被檢查發(fā)現(xiàn)。

2.3 腐蝕預(yù)防和控制要求

根據(jù)CCAR-121-R5標(biāo)準(zhǔn)《大型飛機(jī)公共航空運(yùn)輸承運(yùn)人運(yùn)行合格審定規(guī)則》[8]第121.363條及附錄J，中國(guó)民用航空局頒布了咨詢通告AC-121-FS-2018-65-R1標(biāo)準(zhǔn)《航空器結(jié)構(gòu)持續(xù)完整性大綱》[9]，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)防和控制提出了如下要求：航空運(yùn)營(yíng)人需要根據(jù)型號(hào)合格證持有人或者補(bǔ)充型號(hào)合格證持有人提供的腐蝕預(yù)防和控制基準(zhǔn)大綱，或者相同或類似機(jī)型的使用經(jīng)歷和數(shù)據(jù)，制定并執(zhí)行腐蝕預(yù)防和控制大綱，將飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)的腐蝕控制在1級(jí)或者更好水平，避免出現(xiàn)2級(jí)腐蝕甚至3級(jí)腐蝕。腐蝕預(yù)防和控制基準(zhǔn)大綱的基本內(nèi)容就是按照《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.571條要求確定的飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查要求。圖5為飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕級(jí)別評(píng)定基本流程。

根據(jù)AC-121-FS-2018-65-R1標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)防和控制要求和腐蝕級(jí)別定義，主要結(jié)構(gòu)的腐蝕應(yīng)在超出ADL之前被及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，不允許出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)災(zāi)難性破壞的3級(jí)腐蝕。與《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.571條的腐蝕損傷容限評(píng)定要求相比，AC-121-FS-2018-65-R1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腐蝕預(yù)防和控制要求存在以下區(qū)別：

①腐蝕檢查對(duì)象，由重要結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到了主要結(jié)構(gòu)。

②腐蝕檢查期限，由必須在結(jié)構(gòu)承載能力下降到限制載荷之前檢查發(fā)現(xiàn)，提前到需要在超出ADL之前檢查發(fā)現(xiàn)。

圖5 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕級(jí)別評(píng)定基本流程Fig. 5 Basic flow chart of corrosion level evaluation for aircraft structure

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查要求

運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查要求包括腐蝕檢查對(duì)象、腐蝕檢查期限和腐蝕檢查要求。根據(jù)《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.305條的強(qiáng)度和變形要求、第25.571 條的腐蝕損傷容限評(píng)定要求以及AC-121-RS-2018-65-R1標(biāo)準(zhǔn)的腐蝕預(yù)防和控制要求，運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查要求如下：

①腐蝕檢查對(duì)象為飛機(jī)服役期間所有主要結(jié)構(gòu)預(yù)期的腐蝕部位和腐蝕形式。

②腐蝕檢查期限為腐蝕需要在超出ADL之前被檢查發(fā)現(xiàn)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕擴(kuò)展過程包括腐蝕可檢之前的腐蝕潛伏期以及腐蝕可檢至ADL的腐蝕擴(kuò)展期[10]，如圖6所示。腐蝕潛伏期主要取決于結(jié)構(gòu)表面保護(hù)層和結(jié)構(gòu)所在區(qū)域的環(huán)境因素。腐蝕擴(kuò)展期主要取決于結(jié)構(gòu)材料的腐蝕性能、結(jié)構(gòu)連接部位貼合面防腐蝕設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)接觸的腐蝕介質(zhì)及接觸時(shí)間。

由于腐蝕應(yīng)在超出ADL之前被及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)服役后結(jié)構(gòu)腐蝕的首次檢查期限由腐蝕潛伏期和腐蝕擴(kuò)展期決定。飛機(jī)服役時(shí)間超過首次檢查期限后，飛機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)過腐蝕潛伏期。為了將結(jié)構(gòu)腐蝕控制在1級(jí)腐蝕范圍，需要在假定結(jié)構(gòu)表面保護(hù)層已經(jīng)失效的前提下，根據(jù)腐蝕擴(kuò)展期確定重復(fù)檢查間隔。非偶然型腐蝕潛伏期一般較長(zhǎng)，首次檢查期限比重復(fù)檢查間隔長(zhǎng)。偶然型腐蝕潛伏期較短，一般認(rèn)為首次檢查期限等于重復(fù)檢查間隔。

根據(jù)《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.611條，腐蝕檢查方法應(yīng)優(yōu)先采用目視檢查。結(jié)構(gòu)目視檢查包括一般目視(GVI)和詳細(xì)目視(DVI)兩種。運(yùn)輸類飛機(jī)服役期間結(jié)構(gòu)常見的腐蝕形式包括應(yīng)力腐蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、剝蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、微動(dòng)腐蝕、絲狀腐蝕以及微生物腐蝕。不同目視檢查方法對(duì)于不同腐蝕形式的可檢性不同。需要根據(jù)飛機(jī)服役期間結(jié)構(gòu)腐蝕形式評(píng)定結(jié)果及整機(jī)大修間隔，確定合適的腐蝕檢查方法。

圖6 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕潛伏期和腐蝕擴(kuò)展期Fig. 6 Latent period and development period of corrosion for aircraft structure

4 結(jié)論

飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接部位的貼合面腐蝕形式包括電偶腐蝕、縫隙腐蝕和微動(dòng)腐蝕，連接部位之外的非貼合面腐蝕形式包括應(yīng)力腐蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、剝蝕、絲狀腐蝕和微生物腐蝕。材料種類、表面保護(hù)、連接部位防腐蝕缺陷和環(huán)境因素是運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的主要影響因素。運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕檢查要求包括主要結(jié)構(gòu)的腐蝕位置和腐蝕形式、腐蝕檢查方法、首次檢查期限和重復(fù)檢查間隔。腐蝕檢查方法決定于飛機(jī)服役期間預(yù)期的腐蝕形式。首次檢查期限決定于結(jié)構(gòu)的腐蝕潛伏期和擴(kuò)展期，重復(fù)檢查間隔決定于腐蝕擴(kuò)展期。腐蝕潛伏期和腐蝕擴(kuò)展期決定于腐蝕影響因素、腐蝕檢查方法和結(jié)構(gòu)允許損傷限制。