A321飛機大翼一處連接梁斷裂失效分析

摘要：應力腐蝕是飛機金屬結構腐蝕中危害最大的腐蝕之一，往往造成直接或間接的經濟損失。本文通過對一架A321飛機大翼一處連接梁斷裂失效故障的研究，分析了應力腐蝕斷裂失效原因，并制定了預防性工程措施。

關鍵詞：應力腐蝕;連接梁;預緊力

0 引言

民航飛機的應力腐蝕指飛機的結構件在拉伸應力和腐蝕環境共同作用下出現的一種破壞形式，是一種經常發生的局部腐蝕，不僅造成航空公司直接或間接的經濟損失，還易導致重大飛行事故。隨著規章CCAR-121R5《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》和咨詢通告AC-121-FS-2018-65-R1《航空器結構持續完整性大綱》的頒發，航空運營人在持續適航與維修工程管理工作領域越來越關注飛機結構腐蝕和疲勞等問題。本文介紹的連接梁斷裂故障是由安裝過程產生的預緊力導致的典型的應力腐蝕斷裂故障。

1 斷裂故障

航線檢查發現，一架A321飛機左大翼上表面靠近副翼處575AT蓋板下部一處連接梁斷裂，如圖1所示。該架飛機機齡3.7年，飛行循環和飛行小時為5558FC/10630FH。

查詢A321飛機IPC手冊、SRM手冊和空客圖紙D57550102，得到連接梁的件號為D5755010200600，制造材料為超硬鋁合金7050T7651，連接梁斷裂部位厚度為8mm，如圖2所示。

2 失效分析

根據前文所述，從環境因素、力學因素、冶金因素三個方面進行連接梁斷裂的失效分析。

2.1 環境因素

環境因素對產生應力腐蝕斷裂非常重要，在一定合金和特定環境的組合情況下才可能發生此類腐蝕斷裂。 一般來說，飛機所處環境溫度的變化區間為-60℃～70℃，該機常年在上海地區運行，沿海停放機場的氯離子體積濃度可達到0.02～0.2ppm，所以該機可能受到溫度和濕度的影響而產生腐蝕斷裂。

通過查詢維修信息管理系統，發現在近300架A320系列飛機中僅發生這么一起故障，屬于偶發故障，不屬于常年在上海地區運行的A320系列飛機的機隊性故障。因此，排除環境因素影響。

2.2 力學因素

金屬材料在拉伸應力和腐蝕介質的共同作用下，斷裂過程可以劃分成三個階段：

1）裂紋的萌生階段，由腐蝕引發產生裂紋或蝕坑，通常將這一階段所經歷的時間稱為孕育期或誘導期。

2）裂紋的擴展階段，在上一階段中產生的裂紋源或蝕坑達到極限應力值的階段。

3）裂紋的失穩斷裂階段。

萌生階段受到應力作用小但經歷時間長，大約占整個斷裂時間的90%;擴展和失穩斷裂階段經歷時間短，大約占整個斷裂時間的10%。

民航飛機如果在生產制造或服役維修過程中，由于不當操作導致應力集中或產生裂紋的條件下，應力腐蝕斷裂過程僅包括兩個階段，即擴展和失穩斷裂。因此，應力腐蝕斷裂的時間就會表現出很大的不確定性，有可能在很短的時間內就發生。本案例中飛機在1C檢中依據維修方案區域檢查項目ZL-575-01-1執行檢查時，曾拆除固定在該連接梁上的575AT蓋板，有可能恢復安裝過程中未嚴格按照AMM手冊要求調節蓋板四周的間隙值至標準范圍，導致在1C檢完成后不到兩年時間就出現連接梁應力腐蝕斷裂。

2.3 冶金因素

連接梁材料為超硬鋁合金7050T7651，屬鋁、鋅、鎂、銅系新型高強度鋁合金，具有較高強度、較高韌性、較好的塑性和抗腐蝕性等性能。材料性能見表1。

根據表1所列的材料特性，在正常情況下，該連接梁選材具有良好的抗應力腐蝕能力。調查發現，空客公司在該連接梁的加工和熱處理過程中均未發現異常，該連接梁在冶金因素方面對應力腐蝕敏感性不高。因此排除冶金因素影響。

從連接梁斷裂面的形態（見圖3）來看，斷面為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形跡象，屬于典型的由于應力腐蝕而造成的破壞。根據上述分析，排除環境因素和冶金因素影響，判斷該連接梁的斷裂與力學因素有關，即在安裝575AT蓋板時存在預緊力，導致在后續的飛機運行中，該連接梁由于應力腐蝕而產生疲勞斷裂。

3 工程措施

經與空客公司進行技術確認，本案例的應力腐蝕斷裂并非設計和選材原因所致，主要是安裝575AT蓋板時產生的預緊力導致連接梁斷裂。

因此，在安裝575AT蓋板時，必須參考AMM手冊，調節蓋板四周的間隙值至標準范圍，然后將螺栓擰緊至標準力矩范圍內，確保沒有任何安裝預緊力。

在維修方案中，區域檢查項目ZL-590-01-1（檢查門檻48個月，重復檢查周期48個月）和ZL-575-01-1（檢查門檻24個月，重復檢查周期24個月）足以檢查出該連接梁任何潛在的失效情況。

經與空客公司進行技術確認，本案例的應力腐蝕斷裂不屬于機隊性問題，無需擴大至機隊性普查或采取其他工程措施。

4 應力腐蝕斷裂的預防和控制

當某個部件受到腐蝕，加上該區域的應力集中，很可能形成疲勞裂紋。一旦出現裂紋，必須關注該部件的損傷容限，損傷容限依賴于裂紋件的剩余強度。裂紋在腐蝕部件上的生長比在非腐蝕部件上快得多，腐蝕與疲勞的交互作用將對飛機結構產生非常大的危害。

由于應力腐蝕涉及環境、應力和材料三個方面，因此應從這三個方面入手采取相應的措施。

1） 控制環境

加入緩蝕劑，增加保護涂層，使用電化學保護等，防止應力腐蝕的發生。

2） 降低或消除應力

避免或減少局部應力集中。研究表明，由于殘余應力引起的應力腐蝕事故比例最大。因此，在加工、制造、安裝中應盡量避免產生不當的殘余應力。

3） 改善材料材質

使用耐應力腐蝕的新材料。

另外，嚴格按照AMM手冊規范安裝，可避免出現本案例故障。根據現行有效的維修方案執行相關檢查，完全可以發現此類故障。本案例說明，一線維修人員提高航前航后飛機大翼上表面檢查工作質量，可確保及時發現蓋板翹起或螺栓松動的情況，可避免飛行過程中發生蓋板脫落的不安全事件。

參考文獻

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[2] 丁尚文. 新型鋁合金7050-T7651的機加工藝[J]. 技術改造. 1997（6）：35-36.

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[4] Airbus A321 Illustrated Parts Catallog[Z]. Revision 83.

[5] Airbus A321 Repair Drawing[Z].

作者簡介

劉淵，結構工程主管，中國民航維修協會老齡飛機工作組專家，主要從事民航飛機結構工程管理和老齡飛機維修工程管理工作。