某型教练机机翼整体油箱上壁板腐蚀原因分析和防腐处理措施

2013-10-11王学强彭志军朱亲强

教练机 2013年4期

王学强，彭志军，叶彬，朱亲强

（中航工业洪都，江西南昌 330024）

0 引言

外场检查发现，在某地使用的一架某型教练机，其右机翼整体油箱上壁板在对缝处上表面出现腐蚀，同时壁板外形起鼓。该架飞机投入使用约3年，从目视检查结果来看，壁板对缝处腐蚀情况相对较轻，设计部门虽然发文要求对该部位的腐蚀情况进行处理，但由于不具备外场工作条件，现场工作人员只是对该部位的腐蚀扩展情况进行了检查，在之后15个月内腐蚀均保持缓慢的扩展趋势，经现场工作人员与用户商议，暂时不执行腐蚀处理，待飞机做500飞行小时定检时再对该部位进行腐蚀处理。18个月后，当再次检查整体油箱上壁板对缝处的腐蚀情况时，发现壁板的上表面腐蚀面积明显扩大，壁板起鼓导致一颗铝制铆钉头拉脱。随后，对该地区此类飞机同样的结构位置进行了腐蚀普查，结果又发现多架飞机的机翼整体油箱上壁板有不同程度的腐蚀，情况均与该架飞机的腐蚀情况类似。本文在分析当地使用环境和结构特点的基础上，给出了机翼整体油箱上壁板出现腐蚀的原因，并在模拟件加速腐蚀试验验证的基础上，提出了防腐处理措施。

1 整体油箱壁板区结构简介

机翼整体油箱壁板区结构分为四层，最外层由整体油箱壁板、前段蒙皮、后段蒙皮对接组成，第二层为一块钢垫板，第三层为一块铝制大垫板，最下层为主梁缘条。整体油箱壁板材料为LC9-BCS预拉伸板，铬酸阳极化后内表面喷涂SF-9涂料，外表面涂环氧底漆37002（S15/76），前段蒙皮材料为LC4-CSQ专用蒙皮，硫酸阳极化后外表面涂环氧底漆37002（S15/76），后段蒙皮材料为LY12-CZQ，硫酸阳极化后外表面涂环氧底漆37002（S15/76），钢垫板材料为GC11，镀锌后涂2层H04-2中灰漆，蒙皮外表面均涂C21/100、HFA130面漆，大垫板材料为LC4，表面只作阳极化处理，不涂底漆；主梁材料为LC9-CGS3，铬酸阳极化后，表面喷涂SF-9涂料，整体油箱壁板区结构如图1所示。

图1 某型教练机机翼整体油箱壁板区结构图

2 整体油箱壁板腐蚀情况

某型教练机外场机务人员在一次对飞机的例行检查时发现右机翼整体油箱上壁板外表面边角出现腐蚀，腐蚀面积约为20mm×10mm；壁板内表面腐蚀导致一处外形起鼓，起鼓长度约25mm，高度约1～1.5mm，见图2；18个月后再次检查壁板的腐蚀情况时，发现壁板边缘起鼓情况急剧恶化，壁板起鼓区的长度已扩展至约150mm、起鼓壁板与正常区域的阶差达约4.5mm，一颗铝制铆钉头被拉脱，见图3所示。

图2 首次发现的油箱壁板腐蚀情况

对该架飞机进行腐蚀修理的过程中，分解机翼整体油箱壁板与骨架的连接铆钉后对壁板进行了检查，发现壁板内表面底漆脱落，金属基体出现了严重的剥蚀分层，腐蚀形貌见图4所示，壁板下方的钢垫板上分布有大量铝屑和钢屑，钢垫板表面的钉孔周边出现了很多红色锈斑，腐蚀情况见图5所示。

图3 油箱壁板腐蚀扩展情况

图4 壁板内表面腐蚀情况

图5 钢垫板上表面的腐蚀情况

3 当地使用环境

当地日照时间约为7.0～9.5小时，日出时间较早，早上露水蒸发快，日照辐射量大，年累积总辐射量约为4380MJ/m2，紫外线约占总辐射量的3%，但紫外线累积辐射量较大；全年降水极少，属干旱少雨地区，风沙大，并且常有沙尘暴；昼夜温差大，最高温度曾达47.8℃，最低温度10℃左右；夜晚相对湿度很大，大约有5～6小时空气相对湿度为100%，易结露、起雾；氯化物是当地大气的主要污染物，采用瞬时法测得平均值为0.412 mg/m3，大气中二氧化硫、二氧化氮、硫化氢含量不高；大气中水溶性降尘平均值为2.2769 g/m2·30d、非水溶性降尘最大为7.8000 g/m2·30d；露水中硫酸根平均值达116000 mg/m3、氯离子平均值达46000 mg/m3；地下水中氯化物和硫酸盐含量也很高，氯离子含量达25700 mg/m3、硫酸根离子达42000 mg/m3；当地土壤中可溶性硫酸盐、氯化物含量较高，相当于含盐0.3～0.4%，属中度盐碱地区。

当地白天日照时间长，白昼温差大，夜晚相对湿度大，早上飞机机翼上壁板结露严重，见图6所示；沙尘暴多，机体表面及蒙皮对缝处长时间沉积有沙尘，见图7所示。

图6 机翼上壁板结露示意图

图7 蒙皮对缝处积尘示意图

4 腐蚀原因分析

飞机疲劳受载时间不到日历时间的1%，99%以上均处于停放状态，且飞行受载过程的腐蚀环境影响比较小，停放期间环境对飞机结构的腐蚀程度影响极大[1]。在环境条件作用下飞机结构件产生腐蚀，造成提前破坏，其实质是带污染的潮湿空气的冷凝水，或进入机体内的雨水形成的水膜下的电化学腐蚀[2]。机翼整体油箱壁板出现局部边缘腐蚀的部位在整体油箱壁板与前上蒙皮、后上蒙皮在7肋处的对接区，该部位同时也是机翼7肋钢垫板连接区。由于该部位存在3条蒙皮对缝，大气中污染物、降尘、沙尘、露水等容易在此处聚集形成腐蚀介质，并渗透到结构的内部夹层缝隙，如果机翼整体油箱壁板防护层出现了损伤，在腐蚀介质的作用下，机翼整体油箱壁板会出现腐蚀。由于出现腐蚀的该架飞机只使用了3年多，而在同样的环境下使用了近10年的同型飞机该部位目前也没有发现明显的腐蚀现象，所以结合该飞机7肋钢垫板连接区的分解检查结果，机翼整体油箱壁板出现腐蚀的原因可能是以下几种情况：

1）在使用过程中，由于沙尘的冲击，机翼整体油箱壁板表面的防护层可能局部出现了划伤，或者在装配过程中，机翼整体油箱壁板表面的防护层局部出现了碰伤或划伤；

2）在装配过程中，对机翼整体油箱壁板和钢垫板的自由端进行了局部的机械打磨，但没有对打磨区进行有效的防护处理；

3）在装配过程中，钻孔时产生了很多钢屑和铝屑，这些钢屑和铝屑夹在壁板和钢垫板之间，使壁板内表面的防护层遭到划伤。

钢屑、铝屑产生的腐蚀产物紧密的粘合在钢垫板上，壁板上的腐蚀沿着壁板厚度方向扩展，同时还沿着与壁板表面平行的晶界方向漫延，生成的腐蚀产物体积大于金属的体积，在晶界间起楔子作用，使壁板表面产生了鼓包，最终导致壁板状层开裂。

5 模拟件加速腐蚀验证试验

由于飞机服役环境差别较大，特别是飞机结构所处的局部环境更是各不相同，这就导致飞机结构环境谱有很大的差别。显然，确定加速腐蚀试验方法需要从两方面考虑：必须能够再现飞机在服役过程中出现的主要损伤形式及特征，即再现性或相关性；要大大缩短实际环境下腐蚀历程的时间，使加速腐蚀试验的周期和费用减少到工程可接受的范围，即加速性[3]。因此，用于模拟件加速腐蚀试验的环境谱是在对当地环境数据进行采集的基础上编制的，以尽量保证复现飞机在外场服役过程中的腐蚀损伤，一个完整的环境谱循环为：在PH值为4.0±0.2的5%的NaCl和H2SO4的混合溶液中浸泡9.8分钟，然后在温度为40℃±2℃、相对湿度为90%～95%的环境下用远红外灯烘烤12.5分钟。当量腐蚀一日历年为348次循环，共计129.1小时。为复现外场的腐蚀情况，设计了腐蚀试验模拟件，模拟件结构与真实结构相似，共有四层，材料与防护涂层与真实结构一样，见图8所示。

经过10个当量日历年的腐蚀试验，对模拟件进行了分解检查，模拟件整体油箱壁板表面出现了轻微的鼓泡，对缝处没有出现涂层掉落，见图9所示；壁板内表面没有出现腐蚀分层，但是钢垫板在钉孔周围出现了较多的红褐色腐蚀产物，由于试验件会周期性浸没在腐蚀溶液中，因此钢垫板表面的腐蚀情况与实际情况有一定差异，见图10所示。

图8 腐蚀试验模拟件

图9 壁板外表面腐蚀情况

图10 钢垫板上表面腐蚀情况

对缝处没有出现涂层掉落、壁板内表面也没有出现腐蚀分层的情况与在同样环境下使用10年的多数飞机情况吻合，这是由于试验件尺寸相对较小，为平板构件，加工质量要优于实际结构，在装配、运输过程中涂层表面没有产生划伤等问题，也没有对蒙皮的端面进行机械打磨，使防腐能力得到了保证。

6 防腐处理措施

机翼整体油箱壁板最大厚度为2.3mm，可以拆卸部分铆钉后将之撬起，取出钢垫板，对钢垫板与铝合金蒙皮进行防腐处理后再将钢垫板放入，修理时可能需要加垫，但腐蚀处理后需要维持气动外形，对缝处的高度也不能高出机翼外形太多，按飞机结构腐蚀控制的要点，在在役飞机结构设计、选材、制造技术等因素已无法改变的前提下，在进行腐蚀修理时主要可采取选择最佳防护体系、防止异种金属接触、采用先进密封剂进行防腐蚀密封设计等防腐处理措施[4]。具体处理见如下步骤：

1）分解机翼7肋钢垫板连接区，取出钢垫板；

2）对钢垫板进行吹砂处理，去除表面钢屑、铝屑、漆层和其它污物；

3）对钢垫板进行镀锌钝化处理后，在钢垫板整个外表面涂HM105密封胶，胶层单面厚度不超过0.2mm；

4）清洁机翼7肋钢垫板连接区的3条蒙皮对缝，打磨去除蒙皮内外表面、蒙皮端面、铝垫板上的腐蚀产物，直到露出光亮的金属层，腐蚀打磨区要光滑过渡，避免出现较大的应力集中；

5）去除腐蚀产物后，测量打磨区壁板的厚度，如果满足强度要求，在蒙皮、铝垫板的打磨区涂阿洛丁进行氧化，再涂37002锌黄底漆；

6）根据打磨的实际情况，视情在壁板上、下面增加铝垫板或涂胶，用以维持外形，新增铝垫板表面应该进行阳极化氧化（或阿洛丁氧化），并涂37002锌黄底漆；

7）装配机翼7肋钢垫板连接区，放入钢垫板后，压平壁板，在蒙皮对缝处涂HM105密封胶，螺栓和铆钉采用37002锌黄底漆进行湿装配，同时螺栓头和铆钉头涂37002锌黄底漆，对缝处外露胶层允许宽度2～4mm、胶层允许高出蒙皮外表面0.3mm；

8）最后在蒙皮外表面涂C21/100、HFA130面漆，并使面漆覆盖蒙皮对缝。