飛機結構強度試驗中的油箱泄漏檢測

(1.中國飛機強度研究所，西安 710065；2.上海慧程航空科技有限公司，上海 200241；3.昆山祺邁測控設備有限公司，昆山 215300)

飛機在飛行的過程中，其油箱長期受到各種載荷的作用，在應力集中區(qū)或原始缺陷處會產(chǎn)生裂紋；連接油箱結構的各種緊固件會出現(xiàn)松動、接縫處會產(chǎn)生縫隙；密封材料不僅會變形，甚至會發(fā)生相對蠕動而剝離，還會因老化變質而發(fā)生密封失效。以上幾種情況的發(fā)生，都會導致燃油泄漏。泄漏的燃油不僅給運營商造成損失，同時污染環(huán)境，而且還會威脅飛行安全，甚至導致嚴重的飛行事故[1]。

因此，油箱結構的設計不僅要滿足剛度和強度的要求，對其密封性能的要求也至關重要，目前分析油箱結構設計性能主要依靠的是試驗手段，試驗件完全按照結構的真實情況建造，結構載荷來自于風洞試驗或有關規(guī)范，并通過精心設計合適的加載方法施加到考核結構上，用于模擬飛行過程中的實際外部環(huán)境條件以及外載荷[2-3]。

油箱靜強度試驗的增壓載荷采用充水與充氣結合的加壓方式，充水能夠縮短充放壓時間，并方便在試驗過程中通過漏水區(qū)域查找油箱漏點，驗證油箱的密封性能，這與外場通過漏油區(qū)域判定漏點的方法類似。但試驗機油箱內部有提前布置的用于監(jiān)測結構載荷或應力變化的系統(tǒng)(如應變片、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和光纖光柵傳感器等)，靜力試驗周期不長，對這些監(jiān)測系統(tǒng)不會產(chǎn)生太大影響，當進入疲勞強度試驗階段，監(jiān)測傳感器會被長期浸泡而失效，且有些位置的傳感器是在結構組裝前布置的，一旦損壞將無法重新修補，最終導致試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整。因此，油箱疲勞試驗的增壓載荷僅采用充氣的加壓方式，但此種加載方式在試驗中不易直觀發(fā)現(xiàn)油箱的漏點，而需要借助泄漏的檢測手段，盡早發(fā)現(xiàn)并密切關注泄漏點，為油箱的結構設計驗證和外場服役的飛機檢修工作提供技術支持。

1 飛機油箱結構特點及漏油高發(fā)部位

飛機燃油箱按其構造形式的不同分為3種：軟油箱、硬油箱和整體油箱。

現(xiàn)代飛機幾乎都采用機翼整體油箱，其由上下蒙皮、翼肋、翼梁通過緊固件連接，并進行密封及防腐處理后組合形成，一般分布在飛機兩側的機翼上。其優(yōu)點是充分利用機體內的容積，在增大儲油量的同時，保證飛機的質量不增加。目前，軍、民用飛機越來越多采用復合材料機翼整體油箱的結構，替代了鋁合金或鈦合金制作的整體加強壁板和骨架[4-5]。此種油箱結構漏油的高發(fā)部位集中在密封膠存在的地方，即油箱結構內各部件的接縫和用于連接的緊固件附近，對這些部位的密切關注是查找泄漏點，進行下一步修理工作的關鍵[1]。

2 油箱泄漏點的查找方法

飛機油箱接縫是在油箱內部實現(xiàn)密封的，接縫處的連接形式不僅有搭接，還有夾層等，因此內部密封膠損壞的位置(稱為內漏點)不會與從油箱外部看見的泄漏位置(稱為外漏點)存在對稱關系，甚至會偏離很遠，比如外場帶油查漏和靜力試驗中的漏水法，都是查找外漏點，但內漏點才是油箱的真正泄漏源，是修補工作的關鍵[1]。

在生產(chǎn)和使用過程中，油箱外漏點的查找方法主要有帶油和增壓法兩種檢查方法。帶油查漏需要保持油箱滿油狀態(tài)，才能把所有漏點查找出來。增壓法查漏嚴格遵守維修手冊的數(shù)值增壓，并通過皂膜氣泡法進行漏源定位。

強度試驗中的油箱泄漏檢測，首先不能往油箱內加液體，所以帶油查外漏點的方法不適用，增壓法在強度試驗中實施方便，但通過涂抹肥皂泡尋找外漏點的方式效率低下，嚴重影響試驗進度。

常用的內漏點查找方法有：目視檢查法、吹氣法(反吹法)、外部增壓法、抽真空法等。

(1)目視檢查法需要借助防爆燈、反光鏡等工具，此法很大程度上取決于檢查者的態(tài)度、經(jīng)驗和對結構的熟悉程度。

(2)吹氣法是在確定外漏點后，通過氣槍嘴對著外漏點向結構內部吹進40100 psi(1 psi=0.006 895 MPs)的壓縮空氣，檢查人員在油箱內部相應區(qū)域涂肥皂水，有連續(xù)起泡出現(xiàn)的地方為內漏點。

(3)外部增壓法是在外漏點周圍罩上一個小的壓力罩盒，通入氣體，在壓力作用下檢漏氣體沿著泄漏縫隙進入油箱，此時檢修人員進入油箱內部涂抹肥皂水，哪里連續(xù)起泡就說明哪里是內漏點，也可以在壓力罩內部通以檢漏液體，檢漏液體漏出的位置就是內漏點的準確位置。

(4)抽真空法是在外漏點處噴紅色滲透染色劑，然后對油箱進行抽真空處理，形成內外壓差后，染色劑就會沿著滲漏路徑被吸入，從內漏點流出，并在相關規(guī)定允許的真空度下靜置一段時間后，檢測人員進入油箱內部，查找有紅色液體流出的部位，該部位即為內漏點[5-8]。

目視檢測法和吹氣法受操作員的主觀因素影響較大，當內外漏點相距較遠時不易成功。強度試驗中外部環(huán)境缺少有支撐點的地方，外部增壓法實施受到限制，真空法工作比較繁瑣，且負壓對結構密封膠有潛在的破壞作用，一般在用其他方法無效時最后采用此法。

3 強度試驗中泄漏方案的制定

強度試驗中的查漏方案不僅要涵蓋內外漏點的檢測，同時還要滿足泄漏率的檢出要求，目前油箱強度試驗中，對泄漏率檢出的要求不能低于對外場帶油查漏法的要求。通過調研發(fā)現(xiàn)：采用超聲泄漏和氦質譜檢漏技術不僅能滿足油箱泄漏率的檢出要求，而且適合在充氣加載方式下的試驗環(huán)境中執(zhí)行。

3.1 超聲泄漏檢測

從物理學可知，氣體總是由高氣壓側流向低氣壓側，當壓差只出現(xiàn)于小孔時，氣體產(chǎn)生的紊流將在小孔處產(chǎn)生超聲波。超聲泄漏檢測基于此原理，利用超聲波外部檢測裝置，接收來自密閉結構漏孔位置產(chǎn)生的超聲波信號，并通過比較顯示數(shù)值大小判斷密封狀況，精確定位泄漏點[9-10]。

圖1 超聲泄漏檢測儀對某飛機后機身實時檢測現(xiàn)場

圖2 釘孔邊裂紋(滲透顯示特征)

油箱在充氣加載試驗的過程中，內部壓強大于外部壓強，一旦產(chǎn)生漏孔，氣體就會從漏孔處沖出，并產(chǎn)生超聲波。圖1為利用超聲泄漏檢測儀對疲勞試驗中某飛機后機身進行實時檢測的現(xiàn)場，機身釘孔邊存在裂紋(參考圖2裂紋滲透顯示特征)，圖3為儀器顯示完好區(qū)與裂紋區(qū)的超聲泄漏檢測結果，可以看出裂紋處泄漏的超聲信號強度遠大于完好區(qū)的。試驗結果表明：超聲泄漏檢測不僅現(xiàn)場可操作性強，而且在不停機的狀態(tài)下可實現(xiàn)外漏點的實時查找，大大縮短了試驗停機的檢查時間，靈敏度比油密檢測靈敏度略高。

3.2 氦質譜檢漏技術

氦氣無毒、無味，是一種不與其他元素發(fā)生化學反應的惰性氣體。氦氣相對分子質量較小，具有很強的穿過微小裂縫的能力；同時氦氣在空氣中的濃度很低，因此氦氣在空氣中的含量有微小增加也可以用儀器檢測到。氦質譜檢漏技術就是基于氦氣的特點，在漏點處人工形成了一個壓力空間，氦氣在壓力差的作用下可以穿過滲漏通道，并通過探測氦氣濃度的變化確定漏點的位置[11-12]。

圖4為氦質譜技術應用于油箱肋板的滲漏檢測現(xiàn)場，根據(jù)外漏點選擇不同的局部充氣接頭，并對準外漏點注入氦氣，在注入氦氣位置對應的油箱內側使用便攜式氦探測儀在可疑區(qū)域移動，當局部氦氣濃度達到規(guī)定值時，檢漏儀報警，根據(jù)此時的探測器位置，可以準確定位油箱內部的泄漏源，即燃油滲漏的內漏點。

圖4 氦質譜技術應用于油箱肋板的滲漏檢測現(xiàn)場

在強度試驗中，對泄漏點修補完成后，可以通過氦氣整體氣密試驗進行修補工作的驗證：將油箱內部充入一定氦氣，使容器內氣體內部壓力高于外部大氣壓，若無氦氣泄漏，表明修補工作成功；若吸槍仍能檢測到氦氣泄漏，就要對內漏點進行重新檢測和修補(見圖5)。在國外，通常采用該方式對外場飛機油箱修補品質進行檢驗，可以做到和加注燃油同樣的檢漏效果。其檢測靈敏度大大高于油密檢測的。

圖5 氦氣免油質檢系統(tǒng)應用現(xiàn)場

3.3 方案

圖6為基于以上理論分析和試驗結果，針對油箱充壓加載試驗制定的油箱強度試驗中的漏點檢修方案。首先在試驗不停機的狀態(tài)下，利用超聲泄漏儀對油箱外部進行不定期的實時檢測，一旦儀器顯示的數(shù)值超出設定的安全閾值，確認為外漏點，并進行試驗停機，采用氦質譜檢漏確認內漏點，接著進行油箱修理，最后通過氦氣整體氣密試驗進行修補品質評估。

圖6 強度試驗中的油箱檢查及修理方案流程圖

4 結語

通過調研國內外關于泄漏檢測技術的應用成果，結合強度試驗中油箱檢漏特點，制定出強度試驗中油箱泄漏的檢查方案，較以往方法，該方案不僅能實現(xiàn)實時查找漏點位置的功能，而且檢測靈敏度完全符合航空產(chǎn)品對泄漏率檢出的要求。對保證飛機油箱結構設計和強度試驗的成功，避免結構發(fā)生非預期的災難性破壞起到關鍵作用。