燃油测压导管断裂分析

2018-11-12林文钦胡成江

失效分析与预防 2018年5期

林文钦，胡成江，朱丽，郑洪，吴旻

(中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610091)

0 引言

导管是航空飞机上最关键的组成部件之一[1]。铝合金导管由于比强度高，工艺性好，在航空产品中被广泛采用[2-3]，在液压、环控、燃油等系统中均有运用。这些导管在各个系统中起着十分重要的作用，一旦破裂或断裂失效，将直接影响到飞机各管路系统的正常工作，甚至可能危及飞行安全。引起导管失效的原因一般与振动、机械损伤和腐蚀有关[4-5]，与技术管理相关的比较少见。本研究中的导管断裂案例中，技术管理问题是断裂原因之一。

飞机飞行后显示前组泵低压信号，120 s后报前组泵故障，地面检查低压信号器油路油压0.03 MPa，地面人员将前组油箱打开发现，前组油泵测压管与左侧油箱舱壁连接的燃油测压管接头根部整体断脱。该测压管出厂后未更换过。失效测压导管规格JG6×1，材料牌号LF2-M。主要生产工艺流程为：下料→除油→氧化→端头加工(扩口)→中间检验→气密试验→清洗→包扎→检验→交付。

通过断口宏微观检查、痕迹分析和能谱检测等方法，确定燃油测压导管断裂性质，并对断裂原因进行分析。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

据了解，该导管生产后状态为直管，交付装配时由操作人员根据导管周边结构自弯成形。送试导管宏观形貌如图1所示，因装配或拆卸的原因，管身有多处弯曲。导管由管子、扩口端平管嘴和外套螺母组成，断裂位置在图1中右侧，即导管连接油箱侧壁一端，距平管嘴端部约5 mm，距扩口根部约10 mm；相比导管未断裂一端(连接燃油泵)，断裂位置导管可见明显弯曲变形(图2)。

图1 导管宏观形貌Fig.1 Macro morphology of pipe

图2 导管断裂处宏观形貌Fig.2 Macro morphology of pipe fracture location

将断裂导管部分取下放置于水平面上，对断面进行宏观检查，可见导管管径发生明显变形，从圆形变成椭圆；侧向观察，弯曲内侧的断面比较平整，属裂纹起源和稳定扩展区域，弯曲外侧断面粗糙，高低起伏较大，应是裂纹快速扩展区域；裂纹起源一侧的导管表面上可见周向磨损挤压痕迹，而弯曲外侧则未见明显的磨损痕迹(图3、图4)。

1.2 微观检查

将断口经丙酮超声波清洗后放置在扫描电镜下观察，结果如图5所示。可见断口磨损严重，无法直接判断裂纹起源位置，从断面磨损程度可知靠近弯曲内侧的断面磨损较严重，因此，裂纹应是从弯曲内侧表面起源，未受磨损的断口源区未见冶金缺陷；扩展区断口形貌细密，不具有典型特征，而宏观上较粗糙的断口区域其微观形貌可见拉长的韧窝。从以上断口特征可知，裂纹从弯曲内侧表面起源后向对侧平稳扩展，当扩展至断面1/2面积时发生瞬断，较大的瞬断区面积表明导管所受载荷较大。

图3 导管断裂处宏观形貌Fig.3 Macro morphology of pipe fracture location

图4 导管外表面宏观形貌Fig.4 Macro-morphology of pipe outer surface

图5 断口微观形貌Fig.5 Morphology of fracture

对断口源区进行能谱分析，其主要元素为导管材料名义成分，未见外来金属渗入，且元素含量与导管材料LF2基本相符(图6)。

图6 源区能谱分析结果Fig.6 Energy spectrum analysis results of fracture source region

1.3 痕迹分析

距离导管断裂位置250 mm处的管身存在一处严重挤压磨损痕迹，最大长度10 mm，磨损方向沿导管轴向，且磨损已在导管表面形成一定深度的凹坑，磨损面光亮平滑，分析认为这些痕迹是导管与其他零件平面磨损造成的[6](图7)。

图7 导管表面磨损形貌Fig.7 Wear morphology of pipe surface

2 分析与讨论

2.1 断裂性质

结合送试燃油测压导管断口宏微观形貌及导管服役情况，可判断其断裂性质为疲劳断裂，断裂位置在导管连接油箱侧壁一端弯曲变形处，疲劳裂纹起源于弯曲内侧外表面，源区未见材料冶金缺陷，表明失效与材质无关。零件疲劳断裂不仅取决于材质，而且对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等非常敏感[7-8]；虽在源区附近的导管表面存在周向损伤痕迹，但源区对应导管表面未见类似痕迹，说明导管断裂与损伤痕迹无关，该痕迹可能是导管装配弯曲时平管嘴与管身相互挤压造成的。

2.2 应力分析

导管疲劳断裂说明其受交变应力作用，疲劳裂纹起源位置和扩展方向显示该交变应力属弯曲振动应力，且应力水平较高。据宏观检查可知，失效导管外表面离断裂位置约250 mm处存在一定深度的严重磨损痕迹，查阅导管安装图纸可知磨损部位为卡箍固定导管安装处，磨损现象表明卡箍与导管间存在沿轴向的位移，说明卡箍未起到固定减振作用，使得油泵工作时振动载荷大幅传导至导管固定一端(油箱侧壁)，磨损程度进一步验证了该振动载荷比较大，这是造成导管疲劳断裂的应力来源。

从装配厂获悉，因同图号导管与固定卡箍之间存在较大间隙(导管公称外径为6 mm，卡箍内径为8 mm)，使卡箍未起到固定作用，导致两者之间磨损，为此工艺部门曾发布了针对同图号导管的临时更改单，明确将固定卡箍图号由HB 3-16LB8更改为HB 3-16LB6，即改用内径为6 mm的卡箍。但该断裂导管尚未执行工艺更改，说明了更改单未得到及时和全面的执行，反应了装配过中程的技术管理方面存在不足。

2.3 结构分析

导管断裂位置在连接油箱侧壁附近，由于端头固定约束作用，使该处应力水平较高；同时断裂位置导管弯曲变形明显，如管子截面从圆形变为椭圆形，结构上属薄弱区，在弯曲振动载荷下易在弯曲部位表面产生疲劳裂纹。结合导管生产、装配及使用情况，导管弯曲变形主要发生在装配环节或疲劳断裂过程中。疲劳断裂时，最高应力一般远低于静载荷下材料的强度极限(有时远低于屈服极限)，甚至低于弹性极限[9-10]，因此导管疲劳断裂过程无法使断裂位置产生明显弯曲变形，因此导管弯曲来源于装配环节。

据了解，导管装配时将直管交付状态的零件由工人根据导管周边情况自行弯曲成形，装配大纲对导管弯曲后的尺寸有相关的要求，如弯曲半径、椭圆度、直线段长度等。从导管断裂位置宏观形貌可见端头直线段比较小，根据导管安装规范，要求装配过程中“检查导管端头直线段长度，弯曲后管套端头有效直线段L≥1.5d(d为导管公称外径)”，如图8所示，对照图示可知，送试导管端头有效直线段L应不小于1.5×6=9 mm，而失效导管测得L=5 mm，不符合装配文件的要求。较小的直线段增加了导管装配应力，对导管断裂具有促进作用。

然而实践中，飞机某些部位受制于导管端头附近机体结构的限制，导管装配弯曲后端头直线段长度无法满足装配要求，装配单位采取了保留处理的措施。据悉，该装配要求来自于国外民机公司的装配工艺规范，民机较大的机体结构空间可能易于满足要求，其他较小的飞机存在适应性问题，且工艺人员也未完全清楚该工艺要求的作用，文献资料上也未见相关记载。从结构上分析，导管弯曲后保留较长直线段对减小装配应力是有益处的[11-12]，但对LF2这种塑性非常好的材料，其降低装配应力幅度还有待后续试验的开展。