林文欽，胡成江，朱 麗，鄭 洪，吳 旻

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091)

0 引言

導(dǎo)管是航空飛機(jī)上最關(guān)鍵的組成部件之一[1]。鋁合金導(dǎo)管由于比強(qiáng)度高，工藝性好，在航空產(chǎn)品中被廣泛采用[2-3]，在液壓、環(huán)控、燃油等系統(tǒng)中均有運(yùn)用。這些導(dǎo)管在各個系統(tǒng)中起著十分重要的作用，一旦破裂或斷裂失效，將直接影響到飛機(jī)各管路系統(tǒng)的正常工作，甚至可能危及飛行安全。引起導(dǎo)管失效的原因一般與振動、機(jī)械損傷和腐蝕有關(guān)[4-5]，與技術(shù)管理相關(guān)的比較少見。本研究中的導(dǎo)管斷裂案例中，技術(shù)管理問題是斷裂原因之一。

飛機(jī)飛行后顯示前組泵低壓信號，120 s后報前組泵故障，地面檢查低壓信號器油路油壓0.03 MPa，地面人員將前組油箱打開發(fā)現(xiàn)，前組油泵測壓管與左側(cè)油箱艙壁連接的燃油測壓管接頭根部整體斷脫。該測壓管出廠后未更換過。失效測壓導(dǎo)管規(guī)格JG6×1，材料牌號LF2-M。主要生產(chǎn)工藝流程為：下料→除油→氧化→端頭加工(擴(kuò)口)→中間檢驗(yàn)→氣密試驗(yàn)→清洗→包扎→檢驗(yàn)→交付。

通過斷口宏微觀檢查、痕跡分析和能譜檢測等方法，確定燃油測壓導(dǎo)管斷裂性質(zhì)，并對斷裂原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

據(jù)了解，該導(dǎo)管生產(chǎn)后狀態(tài)為直管，交付裝配時由操作人員根據(jù)導(dǎo)管周邊結(jié)構(gòu)自彎成形。送試導(dǎo)管宏觀形貌如圖1所示，因裝配或拆卸的原因，管身有多處彎曲。導(dǎo)管由管子、擴(kuò)口端平管嘴和外套螺母組成，斷裂位置在圖1中右側(cè)，即導(dǎo)管連接油箱側(cè)壁一端，距平管嘴端部約5 mm，距擴(kuò)口根部約10 mm；相比導(dǎo)管未斷裂一端(連接燃油泵)，斷裂位置導(dǎo)管可見明顯彎曲變形(圖2)。

圖1 導(dǎo)管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of pipe

圖2 導(dǎo)管斷裂處宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of pipe fracture location

將斷裂導(dǎo)管部分取下放置于水平面上，對斷面進(jìn)行宏觀檢查，可見導(dǎo)管管徑發(fā)生明顯變形，從圓形變成橢圓；側(cè)向觀察，彎曲內(nèi)側(cè)的斷面比較平整，屬裂紋起源和穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域，彎曲外側(cè)斷面粗糙，高低起伏較大，應(yīng)是裂紋快速擴(kuò)展區(qū)域；裂紋起源一側(cè)的導(dǎo)管表面上可見周向磨損擠壓痕跡，而彎曲外側(cè)則未見明顯的磨損痕跡(圖3、圖4)。

1.2 微觀檢查

將斷口經(jīng)丙酮超聲波清洗后放置在掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示?？梢姅嗫谀p嚴(yán)重，無法直接判斷裂紋起源位置，從斷面磨損程度可知靠近彎曲內(nèi)側(cè)的斷面磨損較嚴(yán)重，因此，裂紋應(yīng)是從彎曲內(nèi)側(cè)表面起源，未受磨損的斷口源區(qū)未見冶金缺陷；擴(kuò)展區(qū)斷口形貌細(xì)密，不具有典型特征，而宏觀上較粗糙的斷口區(qū)域其微觀形貌可見拉長的韌窩。從以上斷口特征可知，裂紋從彎曲內(nèi)側(cè)表面起源后向?qū)?cè)平穩(wěn)擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展至斷面1/2面積時發(fā)生瞬斷，較大的瞬斷區(qū)面積表明導(dǎo)管所受載荷較大。

圖3 導(dǎo)管斷裂處宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of pipe fracture location

圖4 導(dǎo)管外表面宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of pipe outer surface

圖5 斷口微觀形貌Fig.5 Morphology of fracture

對斷口源區(qū)進(jìn)行能譜分析，其主要元素為導(dǎo)管材料名義成分，未見外來金屬滲入，且元素含量與導(dǎo)管材料LF2基本相符(圖6)。

圖6 源區(qū)能譜分析結(jié)果Fig.6 Energy spectrum analysis results of fracture source region

1.3 痕跡分析

距離導(dǎo)管斷裂位置250 mm處的管身存在一處嚴(yán)重擠壓磨損痕跡，最大長度10 mm，磨損方向沿導(dǎo)管軸向，且磨損已在導(dǎo)管表面形成一定深度的凹坑，磨損面光亮平滑，分析認(rèn)為這些痕跡是導(dǎo)管與其他零件平面磨損造成的[6](圖7)。

圖7 導(dǎo)管表面磨損形貌Fig.7 Wear morphology of pipe surface

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)

結(jié)合送試燃油測壓導(dǎo)管斷口宏微觀形貌及導(dǎo)管服役情況，可判斷其斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，斷裂位置在導(dǎo)管連接油箱側(cè)壁一端彎曲變形處，疲勞裂紋起源于彎曲內(nèi)側(cè)外表面，源區(qū)未見材料冶金缺陷，表明失效與材質(zhì)無關(guān)。零件疲勞斷裂不僅取決于材質(zhì)，而且對零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等非常敏感[7-8]；雖在源區(qū)附近的導(dǎo)管表面存在周向損傷痕跡，但源區(qū)對應(yīng)導(dǎo)管表面未見類似痕跡，說明導(dǎo)管斷裂與損傷痕跡無關(guān)，該痕跡可能是導(dǎo)管裝配彎曲時平管嘴與管身相互擠壓造成的。

2.2 應(yīng)力分析

導(dǎo)管疲勞斷裂說明其受交變應(yīng)力作用，疲勞裂紋起源位置和擴(kuò)展方向顯示該交變應(yīng)力屬彎曲振動應(yīng)力，且應(yīng)力水平較高。據(jù)宏觀檢查可知，失效導(dǎo)管外表面離斷裂位置約250 mm處存在一定深度的嚴(yán)重磨損痕跡，查閱導(dǎo)管安裝圖紙可知磨損部位為卡箍固定導(dǎo)管安裝處，磨損現(xiàn)象表明卡箍與導(dǎo)管間存在沿軸向的位移，說明卡箍未起到固定減振作用，使得油泵工作時振動載荷大幅傳導(dǎo)至導(dǎo)管固定一端(油箱側(cè)壁)，磨損程度進(jìn)一步驗(yàn)證了該振動載荷比較大，這是造成導(dǎo)管疲勞斷裂的應(yīng)力來源。

從裝配廠獲悉，因同圖號導(dǎo)管與固定卡箍之間存在較大間隙(導(dǎo)管公稱外徑為6 mm，卡箍內(nèi)徑為8 mm)，使卡箍未起到固定作用，導(dǎo)致兩者之間磨損，為此工藝部門曾發(fā)布了針對同圖號導(dǎo)管的臨時更改單，明確將固定卡箍圖號由HB 3-16LB8更改為HB 3-16LB6，即改用內(nèi)徑為6 mm的卡箍。但該斷裂導(dǎo)管尚未執(zhí)行工藝更改，說明了更改單未得到及時和全面的執(zhí)行，反應(yīng)了裝配過中程的技術(shù)管理方面存在不足。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

導(dǎo)管斷裂位置在連接油箱側(cè)壁附近，由于端頭固定約束作用，使該處應(yīng)力水平較高；同時斷裂位置導(dǎo)管彎曲變形明顯，如管子截面從圓形變?yōu)闄E圓形，結(jié)構(gòu)上屬薄弱區(qū)，在彎曲振動載荷下易在彎曲部位表面產(chǎn)生疲勞裂紋。結(jié)合導(dǎo)管生產(chǎn)、裝配及使用情況，導(dǎo)管彎曲變形主要發(fā)生在裝配環(huán)節(jié)或疲勞斷裂過程中。疲勞斷裂時，最高應(yīng)力一般遠(yuǎn)低于靜載荷下材料的強(qiáng)度極限(有時遠(yuǎn)低于屈服極限)，甚至低于彈性極限[9-10]，因此導(dǎo)管疲勞斷裂過程無法使斷裂位置產(chǎn)生明顯彎曲變形，因此導(dǎo)管彎曲來源于裝配環(huán)節(jié)。

據(jù)了解，導(dǎo)管裝配時將直管交付狀態(tài)的零件由工人根據(jù)導(dǎo)管周邊情況自行彎曲成形，裝配大綱對導(dǎo)管彎曲后的尺寸有相關(guān)的要求，如彎曲半徑、橢圓度、直線段長度等。從導(dǎo)管斷裂位置宏觀形貌可見端頭直線段比較小，根據(jù)導(dǎo)管安裝規(guī)范，要求裝配過程中“檢查導(dǎo)管端頭直線段長度，彎曲后管套端頭有效直線段L≥1.5d(d為導(dǎo)管公稱外徑)”，如圖8所示，對照圖示可知，送試導(dǎo)管端頭有效直線段L應(yīng)不小于1.5×6=9 mm，而失效導(dǎo)管測得L=5 mm，不符合裝配文件的要求。較小的直線段增加了導(dǎo)管裝配應(yīng)力，對導(dǎo)管斷裂具有促進(jìn)作用。

然而實(shí)踐中，飛機(jī)某些部位受制于導(dǎo)管端頭附近機(jī)體結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)管裝配彎曲后端頭直線段長度無法滿足裝配要求，裝配單位采取了保留處理的措施。據(jù)悉，該裝配要求來自于國外民機(jī)公司的裝配工藝規(guī)范，民機(jī)較大的機(jī)體結(jié)構(gòu)空間可能易于滿足要求，其他較小的飛機(jī)存在適應(yīng)性問題，且工藝人員也未完全清楚該工藝要求的作用，文獻(xiàn)資料上也未見相關(guān)記載。從結(jié)構(gòu)上分析，導(dǎo)管彎曲后保留較長直線段對減小裝配應(yīng)力是有益處的[11-12]，但對LF2這種塑性非常好的材料，其降低裝配應(yīng)力幅度還有待后續(xù)試驗(yàn)的開展。

圖8 導(dǎo)管彎曲直線段Fig.8 Straight section of pipe after bend

綜上所述，燃油測壓導(dǎo)管疲勞斷裂與受到較大彎曲振動載荷有關(guān)，主要原因是卡箍未有效固定導(dǎo)管，反映了執(zhí)行工藝更改不及時和不全面。另外，導(dǎo)管裝配彎曲時端頭直線段較小也促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。

3 整改措施

全面地對同機(jī)型相同圖號導(dǎo)管實(shí)施更改工藝要求，并鑒于安裝服役的導(dǎo)管可能已萌生疲勞裂紋，應(yīng)對導(dǎo)管進(jìn)行復(fù)查，對表面存在磨損痕跡和端頭有裂紋的導(dǎo)管進(jìn)行更換。

4 結(jié)論

1)燃油測壓導(dǎo)管為較大應(yīng)力下的彎曲疲勞斷裂；

2)斷裂原因與卡箍未有效固定導(dǎo)管有關(guān)，燃油測壓管端頭直線段長度不符合裝配要求，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。