淺析直升機(jī)的外場(chǎng)腐蝕防護(hù)

高延達(dá),李健,李宗原,沈軍

(總參陸航研究所,北京101121)

淺析直升機(jī)的外場(chǎng)腐蝕防護(hù)

高延達(dá),李健,李宗原,沈軍

(總參陸航研究所,北京101121)

摘.要.目的為加強(qiáng)和改進(jìn)直升機(jī)腐蝕防護(hù)工作提供依據(jù)。方法通過X1和X2系列直升機(jī)的典型腐蝕案例,對(duì)直升機(jī)腐蝕原因及危害性進(jìn)行分析。結(jié)果由于使用環(huán)境惡劣等原因,現(xiàn)役X1和X2系列直升機(jī)普遍存在腐蝕問題,已成為嚴(yán)重影響直升機(jī)使用維護(hù)、經(jīng)濟(jì)修理和飛行安全的關(guān)鍵因素。結(jié)論從外場(chǎng)防腐改進(jìn)、腐蝕檢測(cè)、定期沖洗去除直升機(jī)表面腐蝕性污染物、防腐涂層的保護(hù)和修復(fù)、先進(jìn)的防腐技術(shù)的應(yīng)用、單機(jī)腐蝕監(jiān)控等方面提出了直升機(jī)外場(chǎng)腐蝕防護(hù)的措施。

直升機(jī);腐蝕防護(hù);使用維護(hù);外場(chǎng)

腐蝕對(duì)飛機(jī)的危害很大,嚴(yán)重影響和制約著飛機(jī)的安全使用、正常維護(hù)與經(jīng)濟(jì)修理。國內(nèi)外發(fā)生過很多起因?yàn)楦g導(dǎo)致的飛行事故。例如,1988年阿羅哈(Aloha)航空公司一架波音737-200型客機(jī)在7300 m高空因機(jī)身上部蒙皮撕裂,造成1名機(jī)組人員墜海失蹤[1]。據(jù)調(diào)查,固定蒙皮的搭接頭的失效是導(dǎo)致該事故的原因。搭接頭的材質(zhì)為鋁合金,由鉚釘連接。由于搭接處存在狹縫,腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入其中,導(dǎo)致鋁合金發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)物的體積遠(yuǎn)大于原金屬體積,金屬由于“枕墊效應(yīng)”隆起,在巨大的應(yīng)力作用下,固定搭接頭的鉚釘發(fā)生斷裂。

2011年一架R44型直升機(jī)因旋翼失去動(dòng)力而緊急自轉(zhuǎn)著陸[2]。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于直升機(jī)長期在澳大利亞北部的濕熱地區(qū)使用并且露天停放,主減速器內(nèi)部進(jìn)水,導(dǎo)致齒輪盤銹蝕,其表面出現(xiàn)了許多蝕坑,進(jìn)而發(fā)展為疲勞裂紋,隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展和蔓延,齒輪盤無法承受所傳遞的載荷而發(fā)生斷裂。

1 X1和X2系列直升機(jī)上發(fā)生的典型腐蝕問題

近年來,針對(duì)外場(chǎng)和直升機(jī)大修廠的大量調(diào)研表明,X1和X2系列直升機(jī)均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象,個(gè)別部位腐蝕嚴(yán)重,對(duì)飛行安全構(gòu)成了較嚴(yán)重的威脅。目前,這兩種直升機(jī)面臨的腐蝕問題主要有以下內(nèi)容。

1)X2系列直升機(jī)機(jī)體腐蝕嚴(yán)重。X2系列直升機(jī)大部分機(jī)體材料為鋁合金。由于漆層質(zhì)量問題及外場(chǎng)恢復(fù)漆層手段欠缺,在直升機(jī)大修時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)體上存在大量由于腐蝕導(dǎo)致的小坑(如圖1a所示),表明機(jī)體鋁合金材料上發(fā)生了大面積的點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕是破壞性和隱患最大的腐蝕形式之一,一旦金屬構(gòu)件形成蝕坑,就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,成為腐蝕疲勞的裂紋源。在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下,裂紋急劇擴(kuò)展直至失穩(wěn)斷裂,有可能導(dǎo)致直升機(jī)結(jié)構(gòu)的突發(fā)性事故發(fā)生。除此之外,產(chǎn)生于縫隙內(nèi)的點(diǎn)蝕的發(fā)展速度比表面的點(diǎn)蝕發(fā)展速度快,是導(dǎo)致疲勞斷裂的誘因。鋁合金對(duì)縫隙腐蝕非常敏感,當(dāng)存在縫隙時(shí),鋁合金更易發(fā)生點(diǎn)蝕。在對(duì)一架第3次翻修的X2系列直升機(jī)進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),左側(cè)機(jī)身第13與第14框蒙皮搭接區(qū)域的鉚釘已發(fā)生斷裂(如圖1b所示)。由于存在縫隙,腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入其中,縫隙內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。腐蝕產(chǎn)物遠(yuǎn)大于原金屬體積,蒙皮隆起,致使鉚釘發(fā)生斷裂。在海洋性大氣環(huán)境中,鋁合金更易發(fā)生點(diǎn)蝕。對(duì)于嚴(yán)重的點(diǎn)蝕,完全清除所有的蝕坑會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的嚴(yán)重減弱,此時(shí)需要重點(diǎn)修理或換件。

圖1 X2系列直升機(jī)主減平臺(tái)及蒙皮搭接區(qū)域腐蝕Fig.1 MGB platform and skin overlap area corrosion of X2 helicopter

2)鋼件腐蝕普遍。鋼件表面一般鍍鎘,在大氣中使用一段時(shí)間后,鍍鎘層氧化,鋼件失去表面防護(hù)層而發(fā)生腐蝕。主槳轂、尾槳轂、變距拉桿、螺栓、定位銷等部位普遍存在腐蝕。X1系列直升機(jī)槳葉銷及槳轂固定螺栓的腐蝕如圖2所示。

圖2 X1系列直升機(jī)槳葉銷及槳轂固定螺栓腐蝕Fig.2 Blade pin and hub bolts corrosion of X1 helicopter

3)鎂合金機(jī)件腐蝕嚴(yán)重。直升機(jī)結(jié)構(gòu)中化學(xué)特性最活潑的金屬是鎂,最易受到腐蝕且最難維護(hù)。X2系列直升機(jī)中使用鎂合金或鋁鎂合金的機(jī)件有:左右活動(dòng)觀察窗的艙口框、主減、中減及尾減齒輪機(jī)匣、輪轂、安裝在10框的操縱組合軸、空氣冷卻系統(tǒng)導(dǎo)向裝置殼體、操縱系統(tǒng)的搖臂支架、液壓助力器的安裝支架等。這些部位普遍存在腐蝕,有的機(jī)件上出現(xiàn)了很多由腐蝕導(dǎo)致的小坑。輪轂及尾減速器殼體固定螺栓孔腐蝕如圖3所示?；蜕犸L(fēng)扇圍框及操縱組合軸腐蝕如圖4所示。

4)高溫漆性能差,發(fā)動(dòng)機(jī)殼體固定螺栓腐蝕嚴(yán)重。WZ-8(用于X1系列直升機(jī))及TB3系列發(fā)動(dòng)機(jī)(用于X2系列直升機(jī))的固定螺栓腐蝕嚴(yán)重(如圖5所示),基本上每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都存在該問題。TB3系列發(fā)動(dòng)機(jī)在大修后采用國產(chǎn)高溫漆,漆層耐高溫性能差。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作幾十個(gè)小時(shí)就開始脫漆,黑顏色的漆在高溫下會(huì)逐漸變成白色,失去防腐性能(如圖6所示)。

圖3 輪轂及尾減速器殼體固定螺栓孔腐蝕Fig.3 Wheel hub and bolt holes of TGB housing corrosion

圖4 滑油散熱風(fēng)扇圍框及操縱組合軸腐蝕Fig.5 Oil cooler and control shaft corrosion

圖5 WZ-8及TB3系列發(fā)動(dòng)機(jī)殼體固定螺栓腐蝕Fig.5 Bolts of WZ-8 and TB3 turbo-shaft corrosion

圖6 TB3系列發(fā)動(dòng)機(jī)的黑色高溫漆失效Fig.6 Black anti-heat coating failure of TB3 turbo-shaft

5)起落架上金屬件腐蝕嚴(yán)重。起落架受泥沙、雨水影響較多,腐蝕較嚴(yán)重。X1系列直升機(jī)前起落架驅(qū)動(dòng)桿及螺紋套桿腐蝕普遍。驅(qū)動(dòng)桿下方的旋轉(zhuǎn)裝置因腐蝕導(dǎo)致卡滯,在起落架收起時(shí),搖臂與驅(qū)動(dòng)桿之間干摩擦。長時(shí)間使用會(huì)使搖臂上產(chǎn)生凹槽,如果凹槽深度較大,會(huì)導(dǎo)致?lián)u臂不能觸碰到驅(qū)動(dòng)桿,從而影響起落架正常收起。X1系列直升機(jī)前起落架驅(qū)動(dòng)桿及螺紋套桿腐蝕如圖7所示。

圖7 X1系列直升機(jī)前起落架驅(qū)動(dòng)桿及螺紋套桿腐蝕Fig.7 Nose landing gear corrosion of Z-9 helicopter

6)漆層脫落非常普遍。X1和X2系列直升機(jī)的漆層脫落非常普遍。漆層脫落不只是影響外觀,金屬表面的漆層脫落后,基體金屬就會(huì)發(fā)生腐蝕。雖然短時(shí)間內(nèi)對(duì)飛行安全構(gòu)不成威脅,但隨著直升機(jī)服役年限的增加,腐蝕程度不斷加劇,最終可能由表面腐蝕發(fā)展為點(diǎn)蝕。對(duì)于結(jié)構(gòu)承力部件,這種情況很危險(xiǎn),有可能發(fā)生疲勞斷裂事故。當(dāng)腐蝕損傷加劇時(shí),修復(fù)工作是很困難的,有時(shí)只能將腐蝕件報(bào)廢處理,造成了經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

2 直升機(jī)腐蝕原因及其危害性分析

導(dǎo)致直升機(jī)腐蝕頻繁發(fā)生的主要原因有以下幾點(diǎn)。

1)設(shè)計(jì)直升機(jī)時(shí)對(duì)腐蝕問題關(guān)注不足。例如:直升機(jī)積水與排水問題;異種金屬之間沒有有效絕緣;防護(hù)涂層質(zhì)量問題;有些易腐蝕部位可達(dá)性較差,外場(chǎng)維護(hù)困難等。

2)外場(chǎng)缺乏有效的腐蝕檢測(cè)、預(yù)防、修理手段,對(duì)腐蝕危害性認(rèn)識(shí)不足。對(duì)于直升機(jī)內(nèi)部腐蝕問題,外場(chǎng)缺乏有效的腐蝕檢測(cè)手段;外場(chǎng)“人少裝備多”的矛盾突出,可用于腐蝕防護(hù)、修理的時(shí)間很少,很多小的腐蝕問題(如漆層破損)都沒有得到及時(shí)處理,只能在大修時(shí)解決;裝備管理及維護(hù)人員對(duì)腐蝕問題重視不夠;外場(chǎng)維護(hù)過程中,存在一些誤操作,人為因素造成對(duì)直升機(jī)防護(hù)層或材料表面損傷;一些先進(jìn)的腐蝕防護(hù)與修理技術(shù)沒有引入外場(chǎng),現(xiàn)有腐蝕防護(hù)與修理工作效率低,效果不好。

3)直升機(jī)使用環(huán)境惡劣,使用率較民航飛機(jī)低很多。

腐蝕對(duì)直升機(jī)的危害主要為:對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅,嚴(yán)重的腐蝕可導(dǎo)致機(jī)毀人亡,這樣的例子并不鮮見;影響直升機(jī)壽命,嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)腐蝕可導(dǎo)致直升機(jī)提前退役,造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。外場(chǎng)腐蝕防護(hù)、修理占用大量維修工時(shí),機(jī)群性的腐蝕問題將產(chǎn)生高昂的修理費(fèi)用。

3 直升機(jī)外場(chǎng)防腐的主要措施

1)積極開展多種形式的腐蝕防護(hù)知識(shí)培訓(xùn)。機(jī)務(wù)人員缺乏系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)知識(shí)培訓(xùn),很多防腐知識(shí)仍主要依靠一些老機(jī)械師口頭傳授。應(yīng)將陸航直升機(jī)所發(fā)生的腐蝕問題進(jìn)行匯總,分析腐蝕原因,給出腐蝕措施,指導(dǎo)機(jī)務(wù)人員開展腐蝕防護(hù)工作。另外,應(yīng)在院校開展直升機(jī)腐蝕防護(hù)課程,定期邀請(qǐng)技術(shù)人員到部隊(duì)授課或定期組織機(jī)務(wù)人員進(jìn)行腐蝕防護(hù)知識(shí)培訓(xùn),在提高腐蝕預(yù)防與腐蝕修理技術(shù)上下功夫。

2)定期沖洗去除直升機(jī)表面腐蝕性污染物。保持直升機(jī)的表面清潔對(duì)預(yù)防腐蝕非常關(guān)鍵,定期沖洗直升機(jī)表面,去除各種腐蝕性污染物是一種簡單、有效的外場(chǎng)腐蝕防護(hù)措施,能有效減少腐蝕產(chǎn)生的外在因素,起到抑制或減緩腐蝕的作用。目前,外場(chǎng)配發(fā)的清洗劑無法有效去除油脂,為達(dá)到清洗效果,只能用洗潔精或肥皂水來清洗直升機(jī),這容易損壞直升機(jī)表面漆層,甚至造成金屬(起落架等區(qū)域的高強(qiáng)度鋼)發(fā)生氫脆。應(yīng)開展新型清洗劑的研發(fā)并及早為外場(chǎng)配備。另外,直升機(jī)的清潔基本靠手工,效率很低。對(duì)于中型或大型直升機(jī),很難在有限的時(shí)間內(nèi)將直升機(jī)擦拭一遍,這就造成了很多部位長時(shí)間無法清潔,為電化學(xué)腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件。因此,很有必要推廣高效清洗設(shè)備的使用。

3)加快推進(jìn)腐蝕檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。隨著直升機(jī)沿海飛行及參加海訓(xùn)時(shí)間的逐步增加,直升機(jī)面臨的腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)峻。一旦內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕,有可能產(chǎn)生疲勞裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致疲勞斷裂。目前,外場(chǎng)缺乏方便有效的無損檢測(cè)手段,只能靠目視,也缺乏對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕的檢查手段,無法發(fā)現(xiàn)早期腐蝕,造成安全隱患。

4)完善防腐涂層的保護(hù)和修復(fù)技術(shù)。目前,外場(chǎng)缺乏必要的漆及修理工具。當(dāng)機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)有漆層破損時(shí),只能自己調(diào)漆,用刷子或毛筆補(bǔ)漆。調(diào)漆不僅耗時(shí),而且顏色很難保證與原漆層一致。另外,由于沒有噴漆工具,漆層的附著力有限,在使用很短的一段時(shí)間后就會(huì)脫落。若沒有時(shí)間進(jìn)行調(diào)漆,只能在腐蝕部位涂抹932潤滑脂作為暫時(shí)防護(hù),但作用十分有限。應(yīng)將現(xiàn)有直升機(jī)的漆進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并統(tǒng)一配備一套,同時(shí)配備噴漆工具,以提高外場(chǎng)工作效率。為提高工作效率,應(yīng)盡快為外場(chǎng)配備一套專用腐蝕修理工具箱,包括腐蝕打磨工具、噴漆工具等(如圖8、圖9所示)。

圖8 電動(dòng)打磨工具及金屬表面溫度測(cè)量儀Fig.8 Motor-drive polishing and temperature measuring instrument

圖9 腐蝕修理工具箱Fig.9 Corrosion repair box

5)改善直升機(jī)大修工藝。X2系列直升機(jī)大修后,出現(xiàn)了批次性的漆層脫落現(xiàn)象。經(jīng)分析,應(yīng)為漆層質(zhì)量及噴漆工藝問題,直升機(jī)表面的漆層厚度較以前要薄。另外,槳轂鍍鎘層、各鋼件表面的鍍鎘層在大氣環(huán)境下很快被氧化,防護(hù)時(shí)間很有限。陸航某旅發(fā)生了百余起發(fā)動(dòng)機(jī)殼體固定螺栓斷裂事故,有的螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)大修后50余小時(shí)就發(fā)生斷裂。另外,發(fā)動(dòng)機(jī)高溫漆層質(zhì)量不達(dá)標(biāo),使用1年左右即發(fā)生變色、粉化。接縫區(qū)域缺乏有效的密封,潮氣容易進(jìn)入,導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的縫隙腐蝕。對(duì)于雙金屬接觸區(qū)域,缺乏有效的絕緣防護(hù),導(dǎo)致發(fā)生電偶腐蝕。因此,應(yīng)改善噴漆、電鍍等直升機(jī)大修工藝。

6)加快推進(jìn)先進(jìn)的防腐技術(shù)在直升機(jī)防腐中的應(yīng)用。腐蝕防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程,單純的依靠清洗、通風(fēng)晾曬、加強(qiáng)潤滑等通用防護(hù)措施無法完全杜絕腐蝕的發(fā)生。對(duì)于存在縫隙、不經(jīng)常拆卸的區(qū)域可以使用密封膠密封,防止積水,從而預(yù)防腐蝕發(fā)生。同時(shí),對(duì)于拆卸的螺釘螺帽重新安裝時(shí),應(yīng)視情采用濕裝配。應(yīng)推廣臨時(shí)性防護(hù)產(chǎn)品(如緩蝕劑、硬膜脫水劑等)的應(yīng)用。

7)開展單機(jī)腐蝕監(jiān)控技術(shù)研究。單機(jī)腐蝕監(jiān)控是未來發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),腐蝕傳感器是實(shí)現(xiàn)單機(jī)監(jiān)控的核心。美國海軍開發(fā)了無線薄膜式雙金屬流電傳感器(智能傳感器,簡稱ICS),主要由雙金屬薄膜傳感器(陽極金屬為鎘,陰極金屬為金)、電子模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射及接受終端等組成(如圖10所示)。目前該傳感器已在P-3C飛機(jī)及H-60直升機(jī)上展開飛行測(cè)試工作,并計(jì)劃在F/A-18及C-130飛機(jī)上安裝該傳感器。

圖10 智能傳感器(ICS)及其在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用Fig.10 Intelligence corrosion sensor(ICS)and its application in helicopter structure

4 結(jié)語

介紹了發(fā)生在X1和X2系列直升機(jī)上的典型腐蝕問題,并進(jìn)行了危害性分析。提出了積極開展多種形式的腐蝕防護(hù)知識(shí)培訓(xùn),定期沖洗去除直升機(jī)表面腐蝕性污染物,加快推進(jìn)腐蝕檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,完善防腐涂層的保護(hù)和修復(fù)技術(shù),改善直升機(jī)大修工藝,加快推進(jìn)先進(jìn)的防腐技術(shù)在直升機(jī)防腐中的應(yīng)用等措施,對(duì)有效開展直升機(jī)外場(chǎng)腐蝕防護(hù)工作具有一定指導(dǎo)意義。

[1] PIERRE R R.Handbook of Corrosion Engineering[M]. New York:McGraw-Hill,2000.

[2] Australian Transport Safety Bureau.Loss of main rotor drive-Robinson Helicopter Company R44[R].VHZWC,2012.

[3] GJB 2635A—2008,軍用飛機(jī)腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)和控制要求[S]. GJB 2635A—2008,Corrosion Prevention and Control Requirements for Military Aircraft Design[S].

[4] GJB/Z 138—2004,海軍航空裝備腐蝕控制要求指南[S]. GJB/Z 138—2004,Guide of Corrosion Control Requirements for Naval Aircraft Equipment[S].

[5] HJB 411—2008,海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制通用設(shè)計(jì)要求[S]. HJB 411—2008,Common requirements of Navy Aircraft Structure Design of Corrosion Prevention and Control[S].

[6] HJB 412—2008,海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐蝕密封通用設(shè)計(jì)要求[S]. HJB 412—2008,General Design Requirements for Naval Aircraft Structure Corrosion-proof Seal[S].

[7] GJB 1720—93,異種金屬的腐蝕與防護(hù)[S]. GJB 1720—93,Corrosion and Protection of Dissimilar Metals[S].

[8] HB 7671—2000,飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)要求[S]. HB 7671—2000,Anti-corrosion Design of Aircraft Structural Requirements[S].

Brief Analysis of Helicopter Field Corrosion Prevention

GAO Yan-da,LI Jian,LI Zong-yuan,SHEN Jun
(Army Aviation Research Institute,Beijing 101121,China)

Objective To provide the basis for strengthening and improving the helicopter corrosion prevention efforts. Methods Corrosion reasons and hazard were analyzed through the X1 and X2 helicopter typical corrosion cases.Results Due to bad operation environments and other reasons,corrosion problems were prevalent among in-service X1 and X2 helicopters.Corrosion has become the key factor which seriously affects the operation,maintenance,economic repair and flight safety of X1 and X2 helicopters.Conclusion Some corrosion prevention measures for helicopter were given,which included:improving field corrosion prevention methods,corrosion detection,flushing corrosive pollutants of helicopter surface regularly,anti-corrosion coating protection and repair,the application of advanced coating technologies,corrosion monitoring technology etc.

helicopter;corrosion prevention;operation and maintenance;field

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.023

TS206

:A

1672-9242(2014)06-0135-05

2014-09-09;

2014-10-27

Received:2014-09-09;Revised:2014-10-27

高延達(dá)(1984—)男,河北沙河人,工程師,主要研究方向?yàn)橹鄙龣C(jī)腐蝕防護(hù)、適航、直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)。

Biography:GAO Yan-da(1984—),Male,from Shahe,Hebei,Engineer,Research focus:helicopter corrosion prevention,helicopter airworthiness,helicopter aerodynamics.