飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置尾管組件的滲透和渦流檢測(cè)

趙志鵬，王 巍

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，沈陽(yáng) 110000；2.中國(guó)南方航空集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)維修基地，沈陽(yáng) 110000)

尾管組件是輔助動(dòng)力裝置(APU)排氣系統(tǒng)的主要組成部分，主要作用為排出引氣系統(tǒng)中多余的空氣，具有耐高溫、耐高壓、密閉性好等特點(diǎn)。APU尾管組件外觀如圖1所示。

圖1 APU尾管組件外觀

在APU運(yùn)行過程中，尾管組件在高溫、高壓環(huán)境中極易出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致密閉性變差，影響其正常運(yùn)行。在APU下發(fā)修理期間，有必要對(duì)尾管組件進(jìn)行無損檢測(cè)。

1 檢測(cè)方法的選擇

該型號(hào)APU的尾管組件為薄壁板鈦合金工件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，APU尾管組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 APU尾管組件結(jié)構(gòu)示意

尾管組件在運(yùn)行過程中受高溫、高壓的影響，產(chǎn)生的缺陷主要為表面開口缺陷和穿透性裂紋。可采用滲透檢測(cè)(PT)法和渦流檢測(cè)(ET)法檢查該工件所有非目視可見的缺陷。

2 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)是一種基于液體的毛細(xì)作用，用于檢測(cè)工件表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法，滲透檢測(cè)對(duì)非疏松性材料的表面開口缺陷比較敏感，可用于檢測(cè)尾管組件表面的開口疲勞裂紋。

尾管組件受工作環(huán)境的影響，其表面易存在積油、積碳和氧化皮，按滲透檢測(cè)要求去除表面污染物后，尾管組件表面仍存在一定粗糙度。結(jié)合檢測(cè)要求，筆者選擇T/CAMAC 0005-2020 《民用航空無損檢測(cè) 滲透檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中的三級(jí)水洗型熒光滲透檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 影響因素

在熒光滲透檢測(cè)的實(shí)際操作中，表面狀態(tài)、檢測(cè)工藝和操作環(huán)境等因素均會(huì)對(duì)檢測(cè)造成影響[1]。

2.1.1 表面狀態(tài)

進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)前，要先對(duì)尾管組件的檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行表面準(zhǔn)備和預(yù)清洗，確保去除工件表面的積油、氧化層、積碳等表面污染物。若表面處理不當(dāng)，則會(huì)造成缺陷堵塞、污染滲透液等后果，影響缺陷的顯示，造成誤判，同時(shí)，不能對(duì)工件表面進(jìn)行噴丸處理，因?yàn)閲娡杼幚頃?huì)導(dǎo)致表面開口缺陷閉合，造成缺陷漏檢[2]。清洗完成后，先進(jìn)行一般目視檢測(cè)，確認(rèn)表面無目視可見的裂紋或缺陷。

2.1.2 檢測(cè)工藝

檢測(cè)工藝主要包括表面處理與預(yù)清洗、滲透、去除滲透劑、干燥、顯像、檢驗(yàn)等6個(gè)部分。對(duì)于該薄壁尾管組件，其缺陷大部分為穿透性裂紋，除需遵守標(biāo)準(zhǔn)的工藝程序外，還需要適當(dāng)修改清洗步驟，即降低水槍壓力或加大清洗距離，保證穿透性裂紋部位不會(huì)發(fā)生過清洗現(xiàn)象[3]。

2.1.3 操作環(huán)境

在滲透與滴落過程中，應(yīng)注意環(huán)境溫度和滲透時(shí)間。溫度越低，滲透劑的潤(rùn)濕性越差，所需滲透時(shí)間越長(zhǎng)，在溫度低于4 ℃時(shí)，應(yīng)盡量轉(zhuǎn)移檢測(cè)環(huán)境，以確保滲透效果。尾管組件缺陷多為疲勞裂紋，一般開口比較緊密細(xì)小，為保證缺陷能全部被檢測(cè)出來，滲透時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。綜合而言，滲透時(shí)間應(yīng)從大于20 min延長(zhǎng)到大于30 min[4]。

清洗過程需在黑光燈下對(duì)試件進(jìn)行水洗，要求尾管組件表面黑光輻照度不低于300 μw·cm-2，可見光強(qiáng)度不大于150 lx，以保證工件表面多余滲透液已被去除，防止過清洗，并確保得到可接受的熒光背景。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

滲透檢測(cè)可直觀地顯示缺陷的位置、形狀和尺寸，且便于拍照存檔。圖36為實(shí)際滲透檢測(cè)過程中在尾管組件接口處、點(diǎn)焊處、焊縫處及卡箍連接處發(fā)現(xiàn)的典型缺陷。

圖3 尾管組件接口處缺陷顯示

圖4 點(diǎn)焊處缺陷顯示

圖5 焊縫處缺陷顯示

圖6 卡箍連接處缺陷顯示

3 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)對(duì)于金屬表面和近表面的疲勞裂紋比較敏感，可很好地檢測(cè)出該尾管組件的所有非目視可見裂紋。該工件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，渦流探頭的可達(dá)性較好，檢測(cè)方便。

3.1 影響因素

影響渦流檢測(cè)結(jié)果的主要影響因素有工件表面狀態(tài)、試塊、頻率和探頭的選擇等[5]。

3.1.1 表面狀態(tài)

為保護(hù)探頭并排除非相關(guān)信號(hào)，在渦流檢測(cè)中，要求工件表面的粗糙度不應(yīng)超過6.3 μm。進(jìn)行渦流檢測(cè)前，要對(duì)尾管組件的檢測(cè)表面進(jìn)行清潔，確保工件表面污染物已去除，若表面處理不當(dāng)，存留氧化皮和積碳，會(huì)造成工件表面電導(dǎo)率差異較大，出現(xiàn)偽信號(hào)，進(jìn)而影響缺陷判斷。

3.1.2 試塊選擇

通過進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和測(cè)試，筆者發(fā)現(xiàn)，在尾管組件的渦流檢測(cè)中，選用鈦合金標(biāo)準(zhǔn)高頻渦流試塊進(jìn)行儀器調(diào)試可得到良好的檢測(cè)結(jié)果，不必制作特定的對(duì)比試塊。

3.1.3 探頭和頻率選擇

由于尾管組件材料為鈦合金，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T/CAMAC 0002-2020 《民用航空無損檢測(cè) 渦流檢測(cè)》，選擇探頭頻率為500 kHz～3 MHz，其高通可選擇0 Hz，低通為100 Hz～300 Hz，高低通可根據(jù)不同設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。如羅曼公司的ELOTEST M3型渦流檢測(cè)設(shè)備，高低通一般為0 Hz和100 Hz，而奧林巴斯的NORTEC 600型渦流檢測(cè)設(shè)備，高低通一般為0 Hz和300 Hz。尾管組件為薄壁板，普通高頻渦流即可檢測(cè)出其所有裂紋(檢測(cè)設(shè)備能提供500 kHz～3 MHz的檢測(cè)頻率即可)。探頭采用非鐵磁性筆觸式屏蔽型直角探頭[6-7]，易于接近全部檢測(cè)區(qū)域。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

圖7為采用高頻渦流檢測(cè)尾管組件時(shí)非裂紋區(qū)域的掃查信號(hào)，由實(shí)際掃查可知，噪聲信號(hào)很小，信噪比遠(yuǎn)大于3 dB，能保證檢測(cè)時(shí)的靈敏度。圖8為焊點(diǎn)區(qū)域的裂紋掃查信號(hào)。

圖7 非裂紋區(qū)域的掃查信號(hào)

圖8 焊點(diǎn)區(qū)域的裂紋掃查信號(hào)

4 總結(jié)與對(duì)比

4.1 尾管組件的典型裂紋

筆者統(tǒng)計(jì)了近幾年數(shù)百臺(tái)該型號(hào)APU尾管組件的無損檢測(cè)結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)其裂紋主要出現(xiàn)在以下3個(gè)位置。

(1)卡箍連接處。該處既是形狀突變區(qū)域，又處于連接處，受卡箍的約束力，易產(chǎn)生裂紋，大多為穿透性裂紋。

(2)導(dǎo)管接口處。該處處于沖擊區(qū)域，且形狀垂直突變，與導(dǎo)管連接的方式為螺紋連接，易產(chǎn)生疲勞裂紋。

(3)焊縫/焊點(diǎn)區(qū)域。焊縫處受氣體沖擊載荷，易產(chǎn)生疲勞裂紋，且裂紋也多為穿透性裂紋。

4.2 滲透檢測(cè)與渦流檢測(cè)對(duì)比

(1)表面狀態(tài)。滲透檢測(cè)要求去除表面污染物，但不能采用噴丸方法處理工件表面；渦流檢測(cè)同樣要求去除表面污染物，同時(shí)粗糙度不超過6.3 μm。

(2)工作環(huán)境。滲透檢測(cè)要求在暗室黑光條件下進(jìn)行，并且溫度不得低于4℃；渦流檢測(cè)則無特殊環(huán)境要求。

(3)工作時(shí)長(zhǎng)。對(duì)尾管組件進(jìn)行滲透檢測(cè)至少需要70 min，但可以批量檢測(cè)；渦流檢測(cè)根據(jù)掃查速度要求和各人熟練度不同，平均時(shí)長(zhǎng)為10～15 min，只能單個(gè)檢測(cè)。

(4)環(huán)保方面。滲透檢測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生滲透劑廢液，需進(jìn)行污水處理；渦流檢測(cè)不存在污染環(huán)境問題。

(5)檢測(cè)結(jié)果。兩種檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果一致，但滲透檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果是可視化的，更加直觀、具體，且圖像易保存。

5 結(jié)語(yǔ)

采用滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)對(duì)飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置尾管進(jìn)行檢測(cè)，并從工作環(huán)境、工作準(zhǔn)備、工藝流程等方面對(duì)這兩種檢測(cè)方法進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種檢測(cè)方法均能檢測(cè)出該尾管組件的典型裂紋缺陷，渦流檢測(cè)對(duì)環(huán)境要求較低，較為環(huán)保，速度較快，但只能單個(gè)檢測(cè)；滲透檢測(cè)可批量檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果直觀可視，工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)綜合考慮進(jìn)行選擇。