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干货 | 航空发动机孔探检测技术与无损检测

2017-4-6 08:21| 发布者: admin| 查看: 68| 评论: 0

摘要: 民航运输做为安全便捷的交通工具已被我们广泛的接受,但是每一个旅客都多少会担心民用航空器的安全问题。飞机发动机是民用航空器的心脏,通过孔探检测监控技术,保证发动机安全有效的在役运行,是发动机孔探人员的责 ...

1 典型案例

1.1  南航广西分公司高压涡轮叶片断裂

南航广西分公司2011年12月29日报告,B-5193飞机左发CFM56-7/894710发动机高压压气机振动值偏大,即对该发进行针对性孔探检测,结果发现一片高压涡轮叶片从1/3处断裂(图1),其余有多处打伤,低压涡轮叶片也有多处打伤。

低压涡轮叶片损伤

图1  高压涡轮叶片从1/3处断裂 

图2  发动机890503高压涡轮叶片断裂


1.2  南航贵阳分公司高压涡轮叶片断裂

南航贵阳分公司2012年4月26日B-5120飞机起飞后不久空中停车。安全落地后孔探检测发现CFM56-7/890503发动机高压涡轮叶片从根部断裂(图2)


在图2中的事例,我们对同类型高压涡轮叶片在大修时进行的荧光检验及涡流检验,在叶根榫头压力面上曾发现荧光显示,进行涡流检验发现超标信号。其典型显示如(图3)所示,由于叶片未断裂,我们有幸得到了完整的裂纹显示形貌,在100倍放大镜下如(图4)所示,此为典型的疲劳裂纹,而且,疲劳初期阶段已经完成,处于扩展初期。


由于这种裂纹的存在无法通过孔探检查出来,只能在大修时检查,这就要求叶片在大修时必须严格执行检验程序。


图 3  叶片疲劳裂纹荧光显示


图4  疲劳裂纹放大显示


1.3  南航新疆分公司高压涡轮叶片断裂

2007年04月10日和2007年05月23日,3022飞机的右发AV0033和3025飞机的右发AV0039在飞行停场后,车间维护人员发现其浆叶被卡住不能正常转动,并发现第2级功率涡轮叶片有不同程度的打伤的现象。


经孔探检测发动机的热部件,发现这两台发动机的损伤情况相似,其损伤是第1、2级功率涡轮转子叶片严重打伤,导向器上部材料严重脱落,其中AV0039发动机的第1级功率涡轮转子叶片离根部1/3处断裂。


2009年8月17日,ATR72/B-3027机执行CZ6688航班,飞机从起飞后右发空中停车(PW127/AV0023,总飞行小时19734:34、飞行小时4631:34)。飞机随即返航。根据现场情况初步判断是高压涡轮转子叶片断裂导致下游部件不同程度的损伤(图5、6) 。  


高压涡轮转子叶片的断面观察,能看到中空的叶片内部有明显的沙尘堆积现象(在残余高压涡轮转子叶片的叶盆位置上,附着有黑色的坚硬沉积物


图5  高压涡轮轴外部沙尘堆积明显

图6  叶腔内部有明显的沙尘堆积现象


对比修理厂家(AVIO)对其它用户的发动机修理经验以及上述AV0023的发现,南航新疆分公司送修的发动机内部存在沙尘堆积比较严重的现象。存在高压涡轮转子叶片内部冷却通道被严重堵塞后,高压涡轮转子叶片因局部散热不良,导致断裂的可能性。


2. 典型案例分析

2009年3月13日,ATR-72/B-3027飞机在执行CZ6674航班时,左发(PW-127/AV0045、总飞行小时17597:54、修理后飞行小时2769:55).发生空中停车事件。


地面孔探检测发现该发第一级功率涡轮转子一片叶片断裂,第二级功率涡轮转子叶片全部被打断。经现场和孔探检测,证实该发空停是由于发动机第一级功率涡轮叶片断裂,并将下游部件打伤所致。


孔探检测发现(左发 图片7.8):

1、所有的第二级功率涡轮转子叶片从叶根部位置断裂。

2、2-3点钟位置的第二级功率涡轮导向器叶片断裂,其它位置的导向器叶片均严重打伤。

3、有一片第一级功率涡轮转子叶片从根部断裂,其它转子叶片后缘明显打伤,但这些叶片的前缘均状况良好。

4、低压涡轮转子、导向器叶片状况均正常。

5、高压涡轮转子、导向器叶片状况均正常。

6、进气道、低压压气机和燃烧室状况均正常。

7、左发尾喷管和隔热护套均有损伤现象。

8、另外从跑道收集到了大量的金属碎屑。


现场照片

空停后孔探照片


图7  第2级功率涡轮叶片严重损伤

图8    第1级功率涡轮叶片断裂


随后我们对该型号的20台发动机进行针对性孔探检测,未见该部位损伤。


我们将断裂的和其它打伤的第一级功率涡轮叶片送往普惠-加拿大实验室,根据普惠公司提供的检查报告,目视检查有一片叶片从叶根处断裂(图9),这片断裂叶片的残余翼型靠后缘位置的断层区域显示出了较深的颜色并且断面比较平整,这种较深的颜色表明受到氧化后变色,也就说明这个断面曾经在燃气中暴露了一段时间。前缘断面较浅的颜色说明相对于后缘的断面,是新形成的(图10)。

图9  断裂叶片(SN=HMB78344) 

图10


这些典型的案例是要说明一个问题,在先进的孔探检测技术条件下,针对性的对可能产生损伤的部件部位进行检测(在发生这类损伤的第一时间,各分公司的孔探检测人员都做了大量的具体工作),同类型的损伤造成的空中停车并没有得到有效的控制,其成因究竟在那里。


造成叶片断裂有如下几种原因:

1. 由于运行环境的原因造成叶片未达到大修周期,过早出现疲劳裂纹而断裂,这就要求必须进行孔探,但对于有些裂纹孔探也无法发现;

2. 运行中出现了疲劳裂纹,在大修时未被及时发现,造成漏检,从而导致叶片断裂;

3. 其它意外原因造成叶片断裂,这种情况无法避免。

3.  叶片修理与无损检测

 

出现此类损伤只是表象的反映,技术落实(检查的部位、方法、记录的方式等等)只是反映表象或者说是把表象更形象具体展示在我们面前,去用标准来评价。而内在的更深层次的是管理,即发动机热部件修理与孔探检测相互间那种隐性的关联。


大家知道发动机热部件损伤的原因是多方面的,当分析评价后发现,这些原因绝大多数是我们无法解决的,变量和影响参数太多。因此要发现其内在的抓住我们可以解决的问题来探讨才有实际的意义。


我们看到南航发动机管理中心杨嘉玮在2011年12月30日有关B-5193飞机CFM56-7发动机/894710叶片故障的总结报告,其最后一句话是:“对于叶片的质量问题,需要和厂家进行进一步的调查”。


说的对,叶片的质量问题或者更进一步说是叶片大修后的质量问题。当我们把叶片修理所牵扯到的修理工艺都定格后,我们发现叶片的修理质量问题集中的反映在叶片的损伤检测包括叶片修理前后的无损检测上。(因为在裂纹的形成初期,或者说在叶片的疲劳源形成的过程中,无损检测是很难检测到的)这是在修理叶片过程中漏检几率最大之地。


这是发动机修理工艺流程示意图

发动机部件修理流程示意图


叶片的修理(包括高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮的导向器叶片和转子叶片)在分解清洗后检查,检查一般分为目视检查和无损检测。


检查后的叶片分类:报废件、可修理件(对那些可通过修理手段得以恢复的损伤)、可修复件(未发现损伤,只需要通过表面处理恢复其功能的叶片)。修理后的叶片经无损检测后与修复后的叶片一起进行表面处理,最后送库房验收保管,经装配、试车并最终提交给用户。


以CFM56-7高压涡轮叶片为例:该叶片在进行大修时,需要进行:

1)喷水试验:以便检查冷却孔是否有堵塞情况。

2)叶身进行目视检验:以便检查带涂层的叶深是否有裂纹存在。

3)叶根部位:进行荧光检验及涡流检验,以便检查是否有疲劳裂纹。并且,在进行荧光检验前,叶根部位要进行局部腐蚀,以便使疲劳裂纹充分暴露。

4)修理后的叶片需要进行荧光检验,以保证其符合验收标准。


在使用的叶片中,新叶片与修复后的叶片、修理后的叶片之间其材料属性必定有差异(叶片本身就存在疲劳现象),这些叶片在同等使用条件下的损伤几率和速率是不一样的。


4.  叶片修理与孔探检测.

我们说在发动机单元体的修理过程中,新叶片与修复后叶片、修理后叶片混装是直接或间接地导致发动机在使用过程中其内部损伤发展不均衡的重要原因,这就如同一位60岁的健康老人与一位20岁的健康青年在同一条件下摔倒,其同一部位的损伤必然是老人要重,恢复的周期也要更长。


这里我们了解到,在中国虽有多家发动机修理厂家,但由于多方面的原因,其热部件的修理都是外包的。在试车中就发现大修后的叶片就有损伤出现(这些损伤叶片主要出现在修理和修复过的那些叶片上,或者说形成在那些疲劳过度的叶片上,而那些损伤又都在大修标准合理的范围内。


新发动机在使用过程中孔探检测和监控,相对比大修后的发动机要容易把握就是因为这一点。我们经常遇到大修后的发动机没有用数个小时就发现这样或那样的损伤,这其中的原因与不可见损伤在大修过程中的不可检出性有一定的关系(漏检和误判),与叶片在修理过程中的焊接、机械加工、热处理、表面处理等等有一定的关系。孔探检测人员要把握各种影响因素与叶片的关联,正确判断叶片的损伤形态和发展速率是相当的困难。


所以说叶片的断裂如果是材料及加工工艺方面的问题,或者是修理厂家的问题,其损伤形态的变化具有很大的不确定性,孔探很难有效地监控,因此叶片断裂造成的事故依然还会发生。制造厂家或修理厂家必须尽可能的消除损伤的隐患。


而从孔探检测技术方面来讲,我们知道经过多次修理后的发动机在孔探检测中的挑战性,我们无法判定叶片的损伤存在与那种类型的叶片中(新的、修复或修理的),我们无法判定是那种类型的叶片最终导致发动机重大故障的发生,我们不排除叶片在大修中出现漏检的可能性,所以我们应该找到一种可控的方法或方式,来尽可能的消除叶片损伤带来的隐患。


为了做到这一点,我们建议给修理和修复过的叶片做明显的标记,以方便孔探检测人员把握和判别叶片的类别(即新的、修理的、修复的),这有以下好处:

1.  明确孔探检测范围,控制叶片损伤的发展速率;

2.  确定或者判明那些修理和修复后的叶片损伤是叶片修理后的不可检出性带来的;

3.  确定或者是判明修理和修复后的叶片其损伤是造成重大故障的主要来源,并且通过详细的记录指出大修质量存在问题可能性;

4.  从另一个角度讲,这种方式的采纳可以观察和监控发动机热部件大修的质量,以便引起发动机修理厂家的足够重视。


一般来讲,发动机在大修时对于不可修理件直接报废;对于可修理件,按照修理规范修理,检验合格后装回原发动机;对于可恢复件,在清洗、检验合格后装回原发动机。 从理论上讲,每一台发动机的高压涡轮叶片安装时都有一个起始位置,从该位置算起顺时针转动,即可知道某一叶片所在的位置。


例如:编号021的叶片经过修理后按装在了28号位置,安装人员在安装时做好记录,并把此记录随发动机一起到航空公司。我们知道在大修后的发动机档案中记载了更换的热部件,我们也知道记录了修理件和修复件的修理深度,可这并不方便孔探检测人员在现场工作中的确认。


涡轮叶片作为寿命件,在新出厂的叶片上,服役周期是一样的,但在使用过程中,会出现一些意外情况,例如:叶片的冷却孔在运行中被堵而出现叶片被烧熔现象。尤其在大修后的叶片与新装上的叶片性能有很大差异。


尽管叶片有自己的编号,但孔探人员无法知道每一个叶片的具体情况,因此我们认为在叶片上做不同的标记可方便于孔探检测人员在工作中的确认,以便于做定向的针对性孔探检测。这是一个简便易行的方法,这在大修后的发动机孔探监控中显得尤为重要。


我们希望立一个课题,来探讨无损检测、发动机热部件修理、孔探检查之间某种潜在的因果关系。我们没有这个机会,更深一点说我们不具备这个条件。如果在发动机大修时提出这个课题,观察和记录分析发动机热部件修理对其使用时限的影响,我们就有可能对修理后的质量监控来判断;分析更新件、修理件、修复件在一定运行时间下部件材质损伤的变化,其对发动机整体结构与寿命的影响。


我们相信一定会有一个结果,还会得到一个求证,正是那些修复、修理的部件是造成发动机重大故障时有发生的潜在因素。那些修复、修理的部件是造成二次损伤超标的主体,这对于发动机维修成本的控制是有益的。


在这里我们主要讨论了孔探检测技术与民用航空发动机热部件大修中无损检测的那些隐形的相互关系。随着科技的进步与发展,孔探涡流、孔探荧光、孔探超声、孔探维修已在实际中得到了应用。我们相信孔探检测技术与无损检测技术相互的结合会在近几年中更广泛的应用到检测工程中来。

 


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