腐蚀监测系统在飞机上的应用

薛蒙,张登,张幸

(1.海军装备部装备采购中心,北京100071;2.中国特种飞行器研究所,湖北荆门448035)

腐蚀监测系统在飞机上的应用

薛蒙1,张登2,张幸2

(1.海军装备部装备采购中心,北京100071;2.中国特种飞行器研究所,湖北荆门448035)

摘.要:介绍了在飞机上应用的腐蚀监测系统的工作原理、监测功能和使用模式,总结了国外腐蚀监测系统在飞机上的应用现状,指出了腐蚀监测系统研发及应用的关键技术,并提出了该腐蚀监测系统研发及应用的发展趋势。

腐蚀监测系统;飞机;多电极耦合传感器

在过去的十几年,腐蚀监测技术随着飞机维护费用的增高和飞机安全可靠性的提高显得越来越重要[1]。2002年美国政府的统计显示,每年航空装备因腐蚀损失10亿美元[2]。传统的飞机维护费时费力,包括机体结构的拆卸、手工检查部件和重装机体结构。虽然一般检查的结果都是无损伤,但是出于安全考虑,频繁的检测还是必须的。腐蚀监测技术的出现可以大大减少目前繁琐的检测程序,使得日常检测仅仅只需要关注几个特定的易腐蚀部位。现有的无损检测技术具有局限性,许多情况下,只有在结构发生了严重腐蚀或裂纹的情况下,无损检测设备才能识别,而此时结构可能已经需要更换。另外,腐蚀对飞机安全的影响也很大,飞机结构的腐蚀主要是电化学腐蚀,腐蚀的种类和形式多样,有均匀腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀、点蚀、磨蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等[3],对飞机防护体系有直接破坏作用[4],甚至直接影响飞机结构的强度及寿命[5—8]。为此,需要腐蚀监测技术在飞机上提供在线的早期腐蚀监测。目前国外一般采用腐蚀监测系统来实现飞机结构腐蚀的在线监测,可以及时监测腐蚀的发生、扩展速率等,以便尽早地发现、诊断及处理腐蚀损伤,可最大限度地降低腐蚀损坏所引起的代价。国内在飞机腐蚀监测方面尚未应用,在石油、化工等行业已有了一些较成熟的应用[9—12]。

1 飞机结构腐蚀监测系统的工作原理和监测功能

飞机上应用的腐蚀监测系统由探头系统、腐蚀自动监测仪、腐蚀监测数据处理系统组成,如图1所示。腐蚀监测系统的工作模式如图2所示,将腐蚀自动监测仪、探头系统安置在飞机结构密闭或不宜检查的区域,对环境要素、涂层老化率、基体腐蚀速率等进行测量及监测。腐蚀自动监测仪具有临时存储数据和无线传输功能,飞机在执行任务时关闭无线传输装置,等飞机执行完任务地面停放时,根据需要,可打开无线传输装置通过无线传输方式或通过端口下载方式获得腐蚀数据,传入腐蚀监控数据处理系统中对腐蚀数据进行处理与分析。飞机结构腐蚀监测系统可监测温度、湿度、pH值、氯离子浓度、环境介质腐蚀性、涂层老化率和基体腐蚀速率等。

图1 腐蚀监测系统Fig.1 Corrosion monitor system

图2 腐蚀监测系统工作模式原理Fig.2 The working pattern principle of the corrosion monitor system

在涂层老化率监测技术方面,主要基于电化学交流阻抗法(EIS)[13],将涂层涂覆在监测探头表面,如图3所示。对防腐蚀层体系施加不同频率的激励信号,可将带防腐蚀层结构的电化学腐蚀电池通过电子元器件模拟出来,如图4所示。根据电化学原理,就可以测试出防腐蚀层的电阻Rs等电化学特性,测量获得的电荷转移或极化的阻力与被监控表面的腐蚀速率成正比,以此表征防腐蚀层的性能。在腐蚀速率监测方面,主要基于多电极耦合传感器方法[14],不需要外加激励以及溶液环境,它将监测探头分解为多个耦合电极,各个耦合电极在使用环境下形成正极或负极,腐蚀电流在各电极中进行传递,通过零电阻将各电极中的电流进行测试,给出腐蚀电流,实现腐蚀速率的测试,如图5所示。

图3 防腐蚀层电化学腐蚀监测示意Fig 3 The sketch of electrochemical corrosion monitoring for anti-corrosion coating

图4 典型的EIS模拟电路Fig 4 Typical EIS analog circuit

图5 多电极耦合传感器原理示意Fig 5 The schematic diagram of multi-electrode coupling sensor

2 国外发展应用状况

国外对飞机结构腐蚀监测技术非常重视,近10年来对新型腐蚀监测系统的研制投入力度较大,实现了较大的技术突破,研制的基于电化学的腐蚀监测系统实现了较大的技术突破,在军、民用飞机上已经实现了工程应用。研究的新型腐蚀监测系统的功能已经扩展至可监测包括温度、湿度、pH值、氯离子浓度、环境介质腐蚀性、涂层阻抗和基体腐蚀速率等[15]。

腐蚀监测技术在美国、澳大利亚、英国和加拿大等国已得到应用。美国LUNA公司开发了一种用于飞机的腐蚀监测系统,如图6所示。一般将探头系统和腐蚀自动监测仪在飞机上进行网络布置,主要布置在易腐蚀区域和关键结构件部位,从而对飞机结构腐蚀状态进行有效监测。美国P-3反潜巡逻机的腐蚀监测布置如图7所示,共选择了7个部位安装腐蚀监测探头系统和腐蚀自动监测仪,分别是平尾、中机身、机翼与机身连接处、发动机短舱、前机身、驾驶舱、机翼。

图6 LUNA开发的腐蚀监控系统Fig.6 Corrosion monitor system developed by LUNA

图7 美国P-3飞机腐蚀监测系统安装部位Fig.7 Corrosion monitor system installation sites of the US P-3 aircraft

美国巴特尔研究所试验中心研制的腐蚀监测系统可以通过测量厚度来表征腐蚀程度,并将成果用于在CP-140飞机上。如图8所示,不同部位的传感器将数据传输至处理中心,进行数据处理后得到各部位的腐蚀速率。该研究所研制的一种用于军用直升机的腐蚀监测系统如图9所示,该腐蚀监测系统可以考察环境参数对腐蚀速率的影响,从而确定清洗频率、评价缓蚀剂和保护膜效果等。其成果已用于UH-60,CH-47,OH-58和AH-64D型号直升机上(如图10所示)。

图8 CP-140各部位腐蚀速率Fig.8 Corrosion rates at different sites of CP-140

图9 用于军用直升机的腐蚀监测系统Fig.9 Corrosion monitor system used on military helicopter

图10 安置在直升机上的腐蚀监测系统Fig.10 Corrosion monitor system installed on helicopter

美国海洋警卫队在HC-130,UH-60,HU-25飞机上安装了几十个薄片式腐蚀监测探头,以监控结构的腐蚀速率及评定使用维护措施的有效性。美国海军将腐蚀监测系统应用于C-130,F-16,H-60等飞机上,采集了3～5年的腐蚀环境或腐蚀速率数据,通过监测系统对清洗周期、缓蚀剂和防护体系的性能进行了在线评价。C-130飞机在美国代顿海洋环境下服役时腐蚀监测系统的输出参数与飞机清洗周期的关系曲线如图11所示。F-16D飞机上传感器输出参数与安置时间的关系曲线如图12所示。由两曲线图可知,可根据腐蚀监测传感器的输出参数判断飞机腐蚀的严重程度,以提供最佳维修时间。

图11 C-130飞机上腐蚀监测传感器输出参数与清洗周期的关系曲线Fig.11 Relationship between the output parameters and wash intervals of the corrosion monitoring sensor on C-130 aircraft

图12 F-16D飞机上腐蚀监测传感器输出参数与时间关系曲线Fig.12 Relationship between the output parameters and time of the corrosion monitoring sensor on F-16D aircraft

目前国外使用腐蚀监测系统重点可以实现以下目的:评定防护体系在服役环境下的适应性;评定缓蚀剂/防腐剂的性能;确定飞机结构的清洗周期;实现环境要素的监测及环境严酷性的评定;在线监测结构的腐蚀速率(尤其是不易检查区域);为视情维修(CBM)提供参考,据此确定最佳的维修时间及维修方案,避免过早维修导致人力、物力的增加,及维修滞后导致的结构性能下降,甚至产生严重后果;节省腐蚀维修成本20%以上。

3 飞机结构腐蚀监测系统的发展趋势

随着电化学监测技术的发展,基于电化学原理的腐蚀监测系统在腐蚀监测中体现了其特有的优势。电化学腐蚀监测系统检测灵敏度高,可实现防护体系、基体金属的早期腐蚀监控,传感器体积小,耐环境,可进行无线监测,国外已在多个型号的飞机上使用。

目前,在航空、民用工业领域,国内电化学腐蚀监测商品化仪器还很少,针对飞机结构腐蚀损伤监测的电化学传感器尚未有所闻,在国内仍属于空白状态。制约飞机结构腐蚀监测系统研发及应用的关键技术主要体现在以下3个方面。

1)低导电性环境下高阻涂层的阻抗精密测量技术。飞机结构一般处于盐雾、湿热等低导电性潮湿空气环境下,传统电化学腐蚀的测量技术测量精度低、抗干扰能力差,不适于高阻涂层的阻抗衰变监测,是飞机结构腐蚀监测系统研发的制约因素之一,研究低导电性环境下高阻涂层的阻抗精密测量技术是今后的发展趋势。

2)腐蚀特征量与监测系统信号的映射关系建立。基于电化学原理,准确建立腐蚀特征量与腐蚀监测系统输出信号的映射关系本身是一个难点,另外监测系统信号受外界环境如温度、湿度等的干扰。在腐蚀特征量与监测系统信号的映射关系建立过程中,需要修正环境所带来的影响,准确建立腐蚀特征量与监测系统信号的映射关系是提高腐蚀监测系统监测精准度的发展趋势。

3)涂层失效阀值分析技术。传统的涂层失效主要是通过外观(如剥落、粉化、起泡等)来定性评定,基于电化学原理的腐蚀监测系统可监测涂层老化率进行定量评定,涂层老化率与涂层含水率、涂层阻抗和涂层介电常数等表征量的关系及涂层老化率的表征形式是难点。建立涂层老化率分级标准时要与涂层外观一致,需要进行大量试验探索,研究涂层失效阀值分析技术也将成为今后的发展趋势。

4 结语

总之,研制新型低成本、高耐久性、小体积、高集成度、易于制造和使用的腐蚀监测系统;实现低电导率环境(盐雾、湿热、涂料介质等)下pH值、湿度、温度、氯离子浓度、基体腐蚀速率、涂层老化等的监测;通过腐蚀损伤监测评定材料、防护体系、缓蚀剂的耐蚀性能;逐步实现构件为单位的腐蚀损伤监测及控制体系;可靠布置机队的在线腐蚀监控网络;建立数据处理和信息反馈系统等,是当今国际上的发展趋势。

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Application of Corrosion Monitor Systems in Aircraft

XUE Meng1,ZHANG Deng2,ZHANG Xing2

(1.Equipment Procurement Center of the Naval Armaments Department,Beijing 100071,China; 2.China Special Vehicle Research Institute,Jingmen 448035,China)

The working theory,monitoring functions and using methods of corrosion monitor systems for aircraft applications were introduced,the aircraft applications of corrosion monitor systems in foreign countries were summarized,the key technologies for development and application of corrosion monitor systems were pointed out,and the development trends of the research and application of corrosion systems for aircraft applications were put forward.

corrosion monitor systems;aircraft;multi-electrode coupling senson

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.016

TG174.3

:A

1672-9242(2014)06-0095-05

2014-08-28;

2014-10-14

Received:2014-08-28;Revised:2014-10-14

薛蒙(1967—),男,山东人,硕士,高级工程师,主要从事腐蚀监测技术、海军装备采购等方面的工作。

Biography:XUE Meng(1967—),Male,from Shandong,Master,Senior engineer,Research focus:corrosion monitoring technology,marine equipment procurement and other aspects of the work.