老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的無損檢測技術(shù)分析研究

田云飛 曹宗杰 趙利杰，空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系飛機(jī)教研室，長春 300；，93846部隊(duì) 昌吉 8300

老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的無損檢測技術(shù)分析研究

田云飛1曹宗杰1趙利杰2
1，空軍航空大學(xué)航空機(jī)械工程系飛機(jī)教研室，長春 130022；2，93846部隊(duì) 昌吉 831100

本文針對老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從無損檢測技術(shù)使用分析入手，闡明了現(xiàn)階段無損檢測技術(shù)在老齡飛機(jī)維護(hù)方面存在的問題，同時(shí)對無損檢測技術(shù)的未來發(fā)展提出了一些看法和建議。

老齡飛機(jī)；無損檢測技術(shù)；飛機(jī)維護(hù)

引言

軍用飛機(jī)，尤其是處于沿海地區(qū)、重工業(yè)地區(qū)的腐蝕性環(huán)境下，在使用中發(fā)現(xiàn)由于腐蝕造成的破壞越來越多，如螺釘銹蝕，蒙皮脫漆、變薄，翼梁緣條發(fā)生剝蝕，緊固件及飛機(jī)結(jié)構(gòu)上一些重要承力構(gòu)件出現(xiàn)腐蝕疲勞裂紋等，如圖1。大量飛機(jī)的使用情況表明，隨著服役年限增加，其抗腐蝕性能越來越差。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的裂紋、腐蝕而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)故障是飛機(jī)使用過程中所暴露的主要故障形式，嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)故障會影響飛機(jī)的正常使用。

相比新機(jī)，老齡飛機(jī)由于腐蝕造成的危害要嚴(yán)重的多，其原因有以下幾點(diǎn)[1]：

（1）老齡飛機(jī)在型號設(shè)計(jì)上，其防腐的適航標(biāo)準(zhǔn)不如新型飛機(jī)考慮的全面周到；

（2）老齡飛機(jī)上的防腐涂層、腐蝕抑制劑、密封膠和密封膠帶等其防腐性能都不如現(xiàn)代新型飛機(jī)上進(jìn)過進(jìn)一步改進(jìn)的這些材料的性能優(yōu)越；

（3）老齡飛機(jī)一般都經(jīng)過多次定檢、大修，由于維修水平、設(shè)備設(shè)施、人員素質(zhì)等條件的限制，其結(jié)構(gòu)的防腐處理、防腐安裝、防腐加工達(dá)不到飛機(jī)出廠時(shí)的水平，從而造成老齡飛機(jī)的腐蝕問題日積月累，部分結(jié)構(gòu)部件得不到復(fù)原；

（4）老齡飛機(jī)在長期的使用中，材料的機(jī)械力學(xué)性能會發(fā)生衰變，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞損傷；

（5）老齡飛機(jī)服役期長，材料長期處在連續(xù)或間斷的腐蝕環(huán)境中，其腐蝕破壞程度要比年輕飛機(jī)嚴(yán)重得多，因?yàn)楦g的嚴(yán)重程度一般都與時(shí)間成正比。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷

因此，在結(jié)構(gòu)件裂紋、腐蝕發(fā)生的初期，比較準(zhǔn)確快速的檢測出發(fā)生的部位、損傷程度，可以有效的降低對老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損害，從而降低維護(hù)費(fèi)用，保障飛機(jī)的完好率。

1 無損檢測技術(shù)在航空維護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

無損檢測技術(shù)[2]（Nondestructive Inspection，NDI），就是利用聲、光、電、磁等與物質(zhì)的相互作用，在不改變或不影響被檢對象物理、化學(xué)及使用性能的前提下，檢測材料、機(jī)件和設(shè)備(被檢對象）的各種內(nèi)部和表面缺陷，并判斷其位置、大小、形狀和類型的技術(shù)。因此，又稱非破壞性試驗(yàn)或非破壞性檢測技術(shù)。目前用于無損檢測的方法很多。除了5種常規(guī)(射線、超聲、磁粉、滲透和渦流）方法外，還有紅外、激光、聲發(fā)射、微波，工業(yè)CT等檢測方法。

無損檢測技術(shù)對保證老齡飛機(jī)的飛行安全和結(jié)構(gòu)壽命具有非常重要的意義。通過對結(jié)構(gòu)件的無損監(jiān)測，能使我們掌握結(jié)構(gòu)件腐蝕損傷發(fā)展的規(guī)律，可以預(yù)防腐蝕損傷的進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對老齡飛機(jī)的腐蝕防護(hù)與控制。對于并未參照損傷容限思想設(shè)計(jì)的老齡飛機(jī)來說，廣泛應(yīng)用無損檢測技術(shù)可以有效提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)完好性，為完成作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)提供保障。

在航空維修領(lǐng)域，無損檢測技術(shù)的作用，主要表現(xiàn)在：提高了對腐蝕損傷、裂紋的檢測能力。應(yīng)用無損檢測技術(shù)，可以降低檢測到的損傷、裂紋初始尺寸，并能隨時(shí)跟蹤檢測損傷的發(fā)展，減少了損傷帶來的危害，這等于是增加了使用壽命；無損檢測技術(shù)在原位和不破壞被檢對象的基礎(chǔ)上，可以直接在現(xiàn)場進(jìn)行檢測，降低了工作量，提高了工作效率；同時(shí)，還促進(jìn)了維修思想的發(fā)展，由定時(shí)維修轉(zhuǎn)變?yōu)橐暻榫S修，提高了飛機(jī)的腐蝕防護(hù)與控制能力。

2 無損檢測技術(shù)應(yīng)用分析

選擇無損檢測方法首先要明確對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件使用無損檢測的原因。針對老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕特點(diǎn)，以及其執(zhí)行飛行訓(xùn)練、執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面考慮：

確定受檢結(jié)構(gòu)件滿足當(dāng)前飛行訓(xùn)練或執(zhí)行任務(wù)所需的技術(shù)條件；

確定受檢結(jié)構(gòu)件在未來使用中腐蝕損害程度不會影響任務(wù)的執(zhí)行；

估算已產(chǎn)生腐蝕的結(jié)構(gòu)件的修復(fù)費(fèi)用應(yīng)低于更換新結(jié)構(gòu)件的費(fèi)用。

應(yīng)用無損檢測的原因確定后，選擇無損檢測方法要考慮的主要因素是腐蝕類型、位置以及結(jié)構(gòu)件的尺寸、形狀和材質(zhì)等。同時(shí)，如果要在外場維護(hù)中使用，要考慮到無損檢測設(shè)備的便攜程度以及現(xiàn)場環(huán)境對無損檢測設(shè)備的影響等因素。

下面以飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)為例，來進(jìn)行無損檢測方法的選擇。老齡飛機(jī)通常使用鋁合金板作為制造蒙皮的主要材料，鋁合金具有塑性好的特點(diǎn)，但是其對腐蝕非常敏感，容易發(fā)生孔蝕、晶間腐蝕、剝蝕和應(yīng)力腐蝕。特別是在蒙皮搭接件，由于老齡飛機(jī)制造工藝落后，防腐蝕性能差，密封不嚴(yán)，間隙大，極易產(chǎn)生縫隙腐蝕和孔蝕。在對部隊(duì)飛機(jī)進(jìn)行普查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分飛機(jī)都存在此類問題，其危險(xiǎn)性高，發(fā)生部位隱蔽，通常的目視無法檢測，傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)檢測效果不理想。通過幾種無損檢測技術(shù)的比較優(yōu)選，可選用紅外無損檢測技術(shù)[3、4]對飛機(jī)蒙皮內(nèi)部的腐蝕進(jìn)行檢測。

紅外檢測（Infrared T esting，IR）是基于輻射原理，通過掃描紀(jì)錄或觀察被檢測工件表面上由于缺陷所引起的溫度變化來檢測表面和近表面缺陷的無損檢測方法。該方法主要適用于檢查飛機(jī)蒙皮內(nèi)表面、蒙皮下梁等處隱藏腐蝕和大面積腐蝕的檢測。美國在十多年前就已經(jīng)開始了對紅外成像技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)無損檢測方面的研究，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢測，取得了非常理想的效果。圖2為美軍利用紅外成像技術(shù)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)中發(fā)生的腐蝕進(jìn)行檢測，圖2（a）是發(fā)現(xiàn)到的剝蝕現(xiàn)象，圖2（b）是檢測到的積水。我國在這方面研究的比較少，只是在近幾年開始了對紅外檢測技術(shù)的研究，雖然取得了一定的成果，但是在航空維修領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用還需要一段時(shí)間。

3 當(dāng)前應(yīng)用無損檢測技術(shù)存在的問題

在無損檢測技術(shù)的應(yīng)用上，美軍處在世界的前列位置。美國[5]于1993年2月成立了世界上第一個(gè)老齡飛機(jī)無損檢測認(rèn)證中心，專門從事針對老齡飛機(jī)的無損檢測技術(shù)可靠性和腐蝕損傷概率等方面的研究。美國空軍已將無損檢測技術(shù)列為一項(xiàng)長期發(fā)展的課題，對無損檢測技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的發(fā)展制訂了長期明確的目標(biāo)。相比較，我國在軍用飛機(jī)領(lǐng)域，還存在很多不足，人員能力水平偏低、檢測技術(shù)手段單一等問題制約著無損檢測技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的發(fā)展。

作為老齡飛機(jī)腐蝕防護(hù)與控制工作中的重要環(huán)節(jié)，無損檢測技術(shù)可以發(fā)揮巨大的作用，但在航空兵部隊(duì)一線維護(hù)工作中的發(fā)展和應(yīng)用水平仍存在不足。出于歷史原因，老齡飛機(jī)在設(shè)計(jì)上存在缺陷，對無損檢測技術(shù)存在更高的技術(shù)要求；在裝備的使用方面，對無損檢測技術(shù)的推廣與國際還存在比較大的差距。現(xiàn)階段無損檢測技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)方面的問題：

一是對無損檢測人員業(yè)務(wù)技術(shù)的培訓(xùn)體制不夠完善。無損檢測技術(shù)是一項(xiàng)對操作人員技術(shù)能力要求較高的技術(shù)，為了能夠正確實(shí)施以保證被檢對象質(zhì)量，國際上和我國都規(guī)定了從事無損檢測技術(shù)工作的人員必須具備一定的學(xué)歷和無損檢測工作實(shí)踐經(jīng)歷以及一定的身體條件。我國頒布實(shí)施的《GB/ T 9445-2008無損檢測 人員資格鑒定與認(rèn)證》，就對無損檢測人員能力有了明確的規(guī)范。要求無損檢測人員必須經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)，取得無損檢測資格等級證書后，方可進(jìn)行無損檢測工作。但是，通過部隊(duì)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，還有部分人員沒有取得資格證書，或是經(jīng)過系統(tǒng)的培訓(xùn)，仍然是以老帶新的傳授模式。雖然成立了短訓(xùn)班，但是不能滿足部隊(duì)現(xiàn)實(shí)的需要。這樣就難以保證對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測的質(zhì)量，甚至可能引起錯(cuò)判、誤判的問題發(fā)生。

二是無損檢測設(shè)備的列裝使用略顯滯后。老齡飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對可維護(hù)性考慮較少，結(jié)構(gòu)件構(gòu)造復(fù)雜，不便于維護(hù)工作的開展。通過對部隊(duì)的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，相比新機(jī)，老齡飛機(jī)受到的腐蝕損傷更為嚴(yán)重，其隱蔽性更強(qiáng)。因此對老齡飛機(jī)進(jìn)行檢測更應(yīng)引起重視。但是從現(xiàn)階段的情況來看，普遍存在檢測手段單一，檢測設(shè)備落后的情況，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的檢測，停留在比較初級的階段。對發(fā)生在內(nèi)部的腐蝕，維護(hù)人員仍然僅僅依靠目視檢測結(jié)合內(nèi)視鏡的方式，檢測效果不理想，延誤了腐蝕損傷處置的最佳時(shí)期，可能引發(fā)嚴(yán)重的后果。

三是信息的溝通與交流不足。上級機(jī)關(guān)對于無損檢測設(shè)備器材的采購綜合考慮部隊(duì)的實(shí)際需要不夠，缺乏同部隊(duì)的交流；院校及科研單位存在著與部隊(duì)信息溝通與交流不足的弊病，導(dǎo)致的后果是剛剛畢業(yè)的學(xué)員無法直接進(jìn)行工作，需要重新帶教，直接影響了部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力；部隊(duì)從事無損檢測技術(shù)的人員只會按照一本手冊從事固定部位的檢測，在具體的特殊被檢對象、適宜采用的無損檢測技術(shù)方法和工藝方案的選擇上缺乏同兄弟部隊(duì)的交流，不了解國外無損檢測技術(shù)的新發(fā)展、新動(dòng)態(tài)。

4 無損檢測技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的發(fā)展

近年來，空軍裝備迅速發(fā)展，大量新機(jī)投入現(xiàn)役，但是，應(yīng)該清醒的認(rèn)識到：飛機(jī)的老化是個(gè)不能回避的問題。同時(shí)，我軍仍然有大量老齡飛機(jī)執(zhí)行一線訓(xùn)練作戰(zhàn)任務(wù)，保證老齡飛機(jī)的完好率對提升部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力具有決定性的作用，而無損檢測技術(shù)又是保證老齡飛機(jī)完好率的重要途徑。為了與空軍裝備現(xiàn)狀和未來發(fā)展相適應(yīng)，全面提高無損檢測水平和維修保障能力，必須重點(diǎn)關(guān)注以下發(fā)展方向。

4.1 積極開展無損檢測技術(shù)研究。掌握先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，需要大量人力、物力的投人和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累。首先應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展數(shù)字化、智能化的無損檢測設(shè)備，考慮便攜性，減少外界環(huán)境的影響，以適應(yīng)外場維護(hù)部隊(duì)的需要；其次要加強(qiáng)同計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的融合，檢測對象通過計(jì)算機(jī)成像，使檢測效果更直觀、更可靠、更快捷。

4.2 建立無損檢測指標(biāo)保障體系。我國空軍雖然在航空無損檢測方面投入了不少經(jīng)費(fèi)，但迄今為止還沒有明確的無損檢測保障體系。當(dāng)一線維護(hù)部隊(duì)遇到無損檢測難題和需求時(shí)，沒有明確的技術(shù)指導(dǎo)，只能憑借經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行粗獷式的檢測、維修，這樣被動(dòng)的工作狀態(tài)很難達(dá)到使用無損檢測的目的和意義。因此，需要明確的設(shè)計(jì)一套無損檢測技術(shù)的保障體系，包括人員的培訓(xùn)、儀器設(shè)備的購置、消耗器材的補(bǔ)充、探傷方法和探傷設(shè)備的研究、探傷規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定等。

4.4 進(jìn)一步規(guī)范無損檢測人員的培訓(xùn)體制。無損檢測人員的培養(yǎng)是無損檢測技術(shù)的核心問題。雖然研制并推廣使用無損檢測技術(shù)的一個(gè)主要目的就是盡量減少人為因素的影響，但無論如何操作人員本身的技術(shù)水平和檢測經(jīng)驗(yàn)的積累仍對檢測結(jié)果的可靠性起到?jīng)Q定作用。因此，在現(xiàn)有無損檢測人員資格標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，必須加強(qiáng)對人員培訓(xùn)體制的正規(guī)化建設(shè)，堅(jiān)持實(shí)行持證上崗制度。在對人員的培養(yǎng)上，院校應(yīng)加強(qiáng)同部隊(duì)的溝通交流，明確部隊(duì)的需求，盡可能地減少二次培訓(xùn)。

5 結(jié)語

同新型飛機(jī)相比，老齡飛機(jī)由于設(shè)計(jì)的缺陷，以及制作工藝、材料的限制，必然更容易受到腐蝕的侵蝕。毫不夸張地說，老齡飛機(jī)的安危系于無損檢測技術(shù)。無損檢測技術(shù)的持續(xù)發(fā)展對提高老齡飛機(jī)完好率可以起到關(guān)鍵作用，為完成我軍作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]肖坤周.老齡飛機(jī)的腐蝕與控制[J].全面腐蝕控制,2004,18（5）：12～14

[2]林典雄.無損檢測技術(shù)的發(fā)展及其在航空維修領(lǐng)域應(yīng)用探討[J].海軍航空工程技術(shù)，2007(3）:25～27

[3]N.P.Avdelidis. Transient thermography in the assessment of aircraft composites[J]. NDT of E International, 2003, 36(9）

[4]Gaetano. Low-Cost Non-Destructive Inspection by Simplified Digital Speckle Interferometry[J]. J Nondestruct Eval, 2008, 27:135～142

[5]National Research Council. Final Report: Aging of U.S. Air Force Aircraft. Washinton D.C.: National Academy Press,1997

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.085

田云飛，碩士研究生，研究方向：航空裝備失效分析。