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        某型航空發(fā)動機(jī)燃油導(dǎo)管開裂失效分析

        2021-09-05 04:25:39王春雨吳雪猛趙靜王宏衛(wèi)張洋
        航空維修與工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:開裂失效分析疲勞

        王春雨 吳雪猛 趙靜 王宏衛(wèi) 張洋

        摘要:某型航空發(fā)動機(jī)試車后多次出現(xiàn)燃油導(dǎo)管開裂,裂紋位于導(dǎo)管接頭與管體焊接的熱影響區(qū)。通過對導(dǎo)管開裂裂紋及金相組織進(jìn)行檢查,結(jié)合導(dǎo)管的制造、修理工藝進(jìn)行綜合分析,確定了導(dǎo)管的失效模式為裝配殘余應(yīng)力過大造成的高周疲勞開裂,在發(fā)動機(jī)的振動作用下,導(dǎo)管外圓周向打磨處高的應(yīng)力集中加速了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,導(dǎo)致導(dǎo)管疲勞開裂。

        關(guān)鍵詞:航空發(fā)動機(jī);燃油導(dǎo)管;疲勞;開裂;失效分析

        Keywords:aero-engine;fuel pipe;fatigue;cracking;failure analysis

        0 引言

        發(fā)動機(jī)液壓燃油系統(tǒng)的功用是為發(fā)動機(jī)提供各種服役狀態(tài)所需的燃油,并使燃油呈霧狀噴入燃燒室。導(dǎo)管作為輸送燃油、液壓油等介質(zhì)的重要途徑,在飛行過程中一旦失效,會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,甚至釀成等級事故[1]。因此,燃油、液壓系統(tǒng)的正常工作是保障航空裝備飛行安全的重要條件[2]。

        發(fā)動機(jī)燃油導(dǎo)管服役時主要承受發(fā)動機(jī)振動產(chǎn)生的振動應(yīng)力、流體脈沖產(chǎn)生的沖擊力以及高溫部位產(chǎn)生的溫度載荷[3],此外,導(dǎo)管在安裝、校形過程中的殘余應(yīng)力也會顯著影響導(dǎo)管的可靠性和壽命[4]。從發(fā)動機(jī)導(dǎo)管失效的歷史故障來看,導(dǎo)管開裂是發(fā)動機(jī)常見故障[5-7],失效模式主要為高周疲勞斷裂,斷裂位置多位于焊接熱影響區(qū)。

        某型發(fā)動機(jī)大修檢驗(yàn)試車過程中,出現(xiàn)多臺發(fā)動機(jī)同一型號伺服燃油導(dǎo)管開裂漏油故障,開裂導(dǎo)管的宏觀形貌如圖1所示。開裂導(dǎo)管的規(guī)格為Φ8mm×1mm,材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,導(dǎo)管兩端接頭與管體采用手工火焰釬焊連接。開裂導(dǎo)管的服役時間均超過1000h,發(fā)動機(jī)大修時僅對導(dǎo)管進(jìn)行熒光探傷、校形和液壓試驗(yàn),均未發(fā)現(xiàn)異常,發(fā)動機(jī)試車過程也無異常振動。

        本文依據(jù)三臺發(fā)動機(jī)故障導(dǎo)管開裂的宏觀形貌、斷口微觀形貌及顯微組織特征,結(jié)合導(dǎo)管的修理、裝配工藝、發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài),確定了導(dǎo)管失效的模式,分析了導(dǎo)管開裂的原因,提出了有效的改進(jìn)措施,以避免此類故障的再次出現(xiàn)。

        1 導(dǎo)管宏觀檢查

        取1#、2#、3#三根故障燃油導(dǎo)管進(jìn)行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)燃油導(dǎo)管均從接頭與管體的焊接熱影響區(qū)開裂。將三根開裂導(dǎo)管在裂紋處打開,三根燃油導(dǎo)管的裂紋源位置基本相同,均位于與兩個安裝孔對稱線呈30°方向的外表面(見圖2)。

        1#導(dǎo)管裂紋長度占圓周長度的75%,2#導(dǎo)管裂紋長度占圓周長度的20%,3#導(dǎo)管裂紋長度占圓周長度的80%,三個導(dǎo)管裂紋斷口都較為平坦,與燃油導(dǎo)管基本垂直,斷口表面顏色均勻,均呈銀灰色,新鮮無氧化,裂紋處的管壁未見明顯的頸縮變形(見圖3~圖5)。三個導(dǎo)管裂紋處的外圓表面均可見周向打磨痕跡,未見明顯的壓傷、碰傷等痕跡(見圖6)。

        2 導(dǎo)管斷口微觀形貌觀察

        采用掃描電鏡對3根導(dǎo)管斷口進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)裂紋源為線源,源區(qū)位于外圓表面的橫向打磨痕跡處,斷口上可見由源區(qū)沿圓周兩側(cè)向內(nèi)擴(kuò)展的撕裂棱,源區(qū)微觀可見細(xì)密的疲勞條帶(見圖7)。

        斷口圓周兩側(cè)的擴(kuò)展區(qū)也可見細(xì)密的疲勞條帶,導(dǎo)管擴(kuò)展區(qū)前期的疲勞條帶較細(xì)密,隨著裂紋的擴(kuò)展,疲勞條帶相對逐漸稀疏,燃油導(dǎo)管斷口疲勞特征顯著(見圖8)。

        3 導(dǎo)管顯微組織金相檢查

        對導(dǎo)管接頭、管體焊縫及焊接熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行檢查,可看出導(dǎo)管焊縫區(qū)顯微組織為奧氏體和呈枝晶分布的鐵素體,焊接熱影響區(qū)及母材顯微組織為孿晶奧氏體和黑色袋裝的鐵素體,焊縫存在少量的疏松和氣孔缺陷(見圖9、圖10)。

        4 綜合分析

        根據(jù)以上檢查,1#、2#和3#燃油導(dǎo)管只是開裂擴(kuò)展程度不同,裂紋打開后的斷口特征相似:斷口新鮮無氧化,裂紋源為線源,位于外圓表面的橫向打磨痕跡處,斷口上可見由源區(qū)沿圓周兩側(cè)向內(nèi)擴(kuò)展的撕裂棱,源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)微觀均可見細(xì)密的疲勞條帶,隨著裂紋的擴(kuò)展疲勞條帶相對逐漸稀疏。燃油導(dǎo)管裂紋打開后斷口有顯著的疲勞特征,為高周彎曲疲勞開裂。

        疲勞斷裂是導(dǎo)管失效的主要形式,主要原因有材料缺陷、焊接缺陷、發(fā)動機(jī)振動、裝配應(yīng)力和柱塞泵燃油脈沖作用力等[4,5,9],應(yīng)力集中的存在會加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。三根燃油導(dǎo)管開裂裂紋均位于接頭焊接熱影響區(qū),原因是焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度較低,疲勞性能差,是導(dǎo)管的薄弱區(qū)[4]。三根導(dǎo)管開裂前的工作時間均超過1000h,且大修無損檢測和液壓試驗(yàn)時均未發(fā)現(xiàn)裂紋,說明燃油導(dǎo)管的設(shè)計(jì)、材料組織和表面質(zhì)量不是開裂的主要因素。但三根燃油導(dǎo)管的裂紋均起源于外圓表面的橫向打磨痕跡處,說明此處有較大的應(yīng)力集中,促進(jìn)了燃油導(dǎo)管的疲勞開裂[5,10,11]。導(dǎo)管均為線源起裂,且源區(qū)均位于同一方向,斷口上有明顯的撕裂棱,說明三根燃油導(dǎo)管接頭處受到了較大的彎曲應(yīng)力,且應(yīng)力的方向一致,受燃油導(dǎo)管形狀和裝配位置限制,燃油導(dǎo)管接頭處在裝配后受到彎曲應(yīng)力作用。發(fā)動機(jī)在工作過程中存在振動,在燃油導(dǎo)管接頭部位會產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力,燃油導(dǎo)管裝配不當(dāng)使燃油導(dǎo)管接頭處在某個固定方向上受到較大的彎曲應(yīng)力作用,兩者疊加,使燃油導(dǎo)管接頭處受到的交變彎曲應(yīng)力幅值增大,且燃油導(dǎo)管表面周向打磨痕跡的應(yīng)力集中作用使燃油導(dǎo)管受到的交變彎曲應(yīng)力進(jìn)一步增大,當(dāng)超過燃油導(dǎo)管的疲勞極限時,加速了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,導(dǎo)致導(dǎo)管疲勞開裂。

        5 結(jié)論

        1)三根發(fā)動機(jī)燃油導(dǎo)管失效模式均為高周彎曲疲勞開裂。

        2)三個燃油導(dǎo)管高周彎曲疲勞開裂都是燃油導(dǎo)管受到較大的彎曲應(yīng)力造成的。

        3)燃油導(dǎo)管裝配不當(dāng)使其在固定方向上受到了較大的彎曲應(yīng)力作用,在周向打磨痕跡處較高的應(yīng)力集中作用下,加速了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,導(dǎo)致導(dǎo)管疲勞開裂。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介

        王春雨,助理工程師,碩士,主要從事航空裝備理化檢測與失效分析等研究。

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