A321飛機大翼一處連接梁斷裂失效分析

摘要：應(yīng)力腐蝕是飛機金屬結(jié)構(gòu)腐蝕中危害最大的腐蝕之一，往往造成直接或間接的經(jīng)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(yīng)力腐蝕斷裂失效原因，并制定了預(yù)防性工程措施。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力腐蝕;連接梁;預(yù)緊力

0 引言

民航飛機的應(yīng)力腐蝕指飛機的結(jié)構(gòu)件在拉伸應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下出現(xiàn)的一種破壞形式，是一種經(jīng)常發(fā)生的局部腐蝕，不僅造成航空公司直接或間接的經(jīng)濟損失，還易導(dǎo)致重大飛行事故。隨著規(guī)章CCAR-121R5《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》和咨詢通告AC-121-FS-2018-65-R1《航空器結(jié)構(gòu)持續(xù)完整性大綱》的頒發(fā)，航空運營人在持續(xù)適航與維修工程管理工作領(lǐng)域越來越關(guān)注飛機結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的預(yù)緊力導(dǎo)致的典型的應(yīng)力腐蝕斷裂故障。

1 斷裂故障

航線檢查發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(jù)前文所述，從環(huán)境因素、力學(xué)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(huán)境因素

環(huán)境因素對產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂非常重要，在一定合金和特定環(huán)境的組合情況下才可能發(fā)生此類腐蝕斷裂。 一般來說，飛機所處環(huán)境溫度的變化區(qū)間為-60℃～70℃，該機常年在上海地區(qū)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(chǎn)生腐蝕斷裂。

通過查詢維修信息管理系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在近300架A320系列飛機中僅發(fā)生這么一起故障，屬于偶發(fā)故障，不屬于常年在上海地區(qū)運行的A320系列飛機的機隊性故障。因此，排除環(huán)境因素影響。

2.2 力學(xué)因素

金屬材料在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)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(fā)產(chǎn)生裂紋或蝕坑，通常將這一階段所經(jīng)歷的時間稱為孕育期或誘導(dǎo)期。

2）裂紋的擴展階段，在上一階段中產(chǎn)生的裂紋源或蝕坑達到極限應(yīng)力值的階段。

3）裂紋的失穩(wěn)斷裂階段。

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

民航飛機如果在生產(chǎn)制造或服役維修過程中，由于不當(dāng)操作導(dǎo)致應(yīng)力集中或產(chǎn)生裂紋的條件下，應(yīng)力腐蝕斷裂過程僅包括兩個階段，即擴展和失穩(wěn)斷裂。因此，應(yīng)力腐蝕斷裂的時間就會表現(xiàn)出很大的不確定性，有可能在很短的時間內(nèi)就發(fā)生。本案例中飛機在1C檢中依據(jù)維修方案區(qū)域檢查項目ZL-575-01-1執(zhí)行檢查時，曾拆除固定在該連接梁上的575AT蓋板，有可能恢復(fù)安裝過程中未嚴(yán)格按照AMM手冊要求調(diào)節(jié)蓋板四周的間隙值至標(biāo)準(zhǔn)范圍，導(dǎo)致在1C檢完成后不到兩年時間就出現(xiàn)連接梁應(yīng)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(jù)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(yīng)力腐蝕能力。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空客公司在該連接梁的加工和熱處理過程中均未發(fā)現(xiàn)異常，該連接梁在冶金因素方面對應(yīng)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(tài)（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(yīng)力腐蝕而造成的破壞。根據(jù)上述分析，排除環(huán)境因素和冶金因素影響，判斷該連接梁的斷裂與力學(xué)因素有關(guān)，即在安裝575AT蓋板時存在預(yù)緊力，導(dǎo)致在后續(xù)的飛機運行中，該連接梁由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生疲勞斷裂。

3 工程措施

經(jīng)與空客公司進行技術(shù)確認，本案例的應(yīng)力腐蝕斷裂并非設(shè)計和選材原因所致，主要是安裝575AT蓋板時產(chǎn)生的預(yù)緊力導(dǎo)致連接梁斷裂。

因此，在安裝575AT蓋板時，必須參考AMM手冊，調(diào)節(jié)蓋板四周的間隙值至標(biāo)準(zhǔn)范圍，然后將螺栓擰緊至標(biāo)準(zhǔn)力矩范圍內(nèi)，確保沒有任何安裝預(yù)緊力。

在維修方案中，區(qū)域檢查項目ZL-590-01-1（檢查門檻48個月，重復(fù)檢查周期48個月）和ZL-575-01-1（檢查門檻24個月，重復(fù)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(jīng)與空客公司進行技術(shù)確認，本案例的應(yīng)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(yīng)力腐蝕斷裂的預(yù)防和控制

當(dāng)某個部件受到腐蝕，加上該區(qū)域的應(yīng)力集中，很可能形成疲勞裂紋。一旦出現(xiàn)裂紋，必須關(guān)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常大的危害。

由于應(yīng)力腐蝕涉及環(huán)境、應(yīng)力和材料三個方面，因此應(yīng)從這三個方面入手采取相應(yīng)的措施。

1） 控制環(huán)境

加入緩蝕劑，增加保護涂層，使用電化學(xué)保護等，防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

2） 降低或消除應(yīng)力

避免或減少局部應(yīng)力集中。研究表明，由于殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力腐蝕事故比例最大。因此，在加工、制造、安裝中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生不當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力。

3） 改善材料材質(zhì)

使用耐應(yīng)力腐蝕的新材料。

另外，嚴(yán)格按照AMM手冊規(guī)范安裝，可避免出現(xiàn)本案例故障。根據(jù)現(xiàn)行有效的維修方案執(zhí)行相關(guān)檢查，完全可以發(fā)現(xiàn)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(zhì)量，可確保及時發(fā)現(xiàn)蓋板翹起或螺栓松動的情況，可避免飛行過程中發(fā)生蓋板脫落的不安全事件。

參考文獻

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[3] Airbus A321 Structure Repair Manual[Z]. Revision 125.

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

[5] Airbus A321 Repair Drawing[Z].

作者簡介

劉淵，結(jié)構(gòu)工程主管，中國民航維修協(xié)會老齡飛機工作組專家，主要從事民航飛機結(jié)構(gòu)工程管理和老齡飛機維修工程管理工作。