航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)與無(wú)損檢測(cè)

董務(wù)江，郭 平，胡 誠(chéng)

（1.南航新疆分公司 飛機(jī)維修基地，烏魯木齊 830016；2.珠海摩天宇航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理有限公司，珠海 519030）

1 典型案例

1.1 某航空公司廣西分公司高壓渦輪葉片斷裂

某航空公司廣西分公司2011年12月報(bào)告，B－5193飛機(jī)左發(fā)CFM56－7／894710發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)振動(dòng)值偏大，即對(duì)該發(fā)進(jìn)行針對(duì)性?xún)?nèi)窺鏡檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一片高壓渦輪葉片從1／3處斷裂，如圖1所示，其余有多處打傷，低壓渦輪葉片也有多處打傷。

1.2 某航空公司貴陽(yáng)分公司高壓渦輪葉片斷裂

某航空公司貴陽(yáng)分公司2012年4月B－5120飛機(jī)起飛后不久空中停車(chē)。安全落地后內(nèi)窺鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)CFM56－7／890503發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片從根部斷裂，如圖2所示。對(duì)同類(lèi)型高壓渦輪葉片在大修時(shí)進(jìn)行的熒光檢驗(yàn)及渦流檢驗(yàn)中，在葉根榫頭壓力面上曾發(fā)現(xiàn)熒光顯示，渦流檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)信號(hào)。其典型顯示如圖3（a）所示，由于葉片未斷裂，得到了完整的裂紋顯示形貌，在100倍放大鏡下如圖3（b）所示，此為典型的疲勞裂紋，而且已經(jīng)過(guò)了疲勞初期階段，處于擴(kuò)展初期。因此由于這種裂紋無(wú)法通過(guò)內(nèi)窺鏡檢查出來(lái)，只能在大修時(shí)檢查，這就要求葉片在大修時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行檢驗(yàn)程序。

1.3 某航空公司新疆分公司高壓渦輪葉片斷裂

2007年4月和5月3022飛機(jī)的右發(fā)AV0033和3025飛機(jī)的右發(fā)AV0039在飛行停場(chǎng)后，車(chē)間維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)其漿葉被卡住不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)第2級(jí)功率渦輪葉片有不同程度的被打傷現(xiàn)象。經(jīng)內(nèi)窺鏡檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱部件，發(fā)現(xiàn)這兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷情況相似，第1、2級(jí)功率渦輪轉(zhuǎn)子葉片被嚴(yán)重打傷，導(dǎo)向器上部材料嚴(yán)重脫落，其中AV0039發(fā)動(dòng)機(jī)的第1級(jí)功率渦輪轉(zhuǎn)子葉片離根部1／3處斷裂。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)894710渦輪葉片損傷圖片

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)890503高壓渦輪葉片斷裂圖片

2009年8月，ATR72／B－3027飛機(jī)從起飛后右發(fā)空中停車(chē)（PW127／AV0023，總飛行小時(shí)19734：34、飛行小時(shí)4631：34），飛機(jī)隨即返航。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況初步判斷是高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片斷裂導(dǎo)致下游部件不同程度的損傷，如圖4所示 。高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的斷面觀(guān)察，能看到中空的葉片內(nèi)部有明顯的沙塵堆積現(xiàn)象（在殘余高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的葉盆位置上，附著有黑色的堅(jiān)硬沉積物。

圖3 某高壓渦輪疲勞裂紋熒光顯示和放大顯示

對(duì)比修理廠(chǎng)家（AVIO）對(duì)其它用戶(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)修理經(jīng)驗(yàn)以及上述AV0023的發(fā)現(xiàn)，該分公司送修的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在沙塵堆積比較嚴(yán)重的現(xiàn)象。存在高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部冷卻通道被嚴(yán)重堵塞后，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片因局部散熱不良，導(dǎo)致斷裂的可能性。

2 案例分析

2009年3月，ATR－72／B－3027飛機(jī)在執(zhí)行航班時(shí)，左發(fā)（PW127／AV0045，總飛行小時(shí)17597：54，修理后飛行小時(shí)2769：55）發(fā)生空中停車(chē)事件，現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖5。地面內(nèi)窺鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該發(fā)第一級(jí)功率渦輪轉(zhuǎn)子一片葉片斷裂，第二級(jí)功率渦輪轉(zhuǎn)子葉片全部被打斷。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)和內(nèi)窺鏡檢測(cè)，證實(shí)該發(fā)空停是由于發(fā)動(dòng)機(jī)第一級(jí)功率渦輪葉片斷裂，并將下游部件打傷所致。對(duì)其采用內(nèi)窺鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)損傷，如圖6所示：① 所有的第二級(jí)功率渦輪轉(zhuǎn)子葉片從葉根部位置斷裂。②2～3點(diǎn)鐘位置的第二級(jí)功率渦輪導(dǎo)向器葉片斷裂，其它位置的導(dǎo)向器葉片均嚴(yán)重打傷。③有一片第一級(jí)功率渦輪轉(zhuǎn)子葉片從根部斷裂，其它轉(zhuǎn)子葉片后緣明顯打傷，但這些葉片的前緣均狀況良好。④ 低壓渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器葉片狀況均正常。⑤ 高壓渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器葉片狀況均正常。⑥進(jìn)氣道、低壓壓氣機(jī)和燃燒室狀況均正常。⑦ 左發(fā)尾噴管和隔熱護(hù)套均有損傷現(xiàn)象。⑧ 從跑道收集到了大量的金屬碎屑。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)PW127／AV0023損傷照片

隨后對(duì)該型號(hào)的20臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行針對(duì)性?xún)?nèi)窺鏡檢測(cè)，未見(jiàn)該部位損傷。

將斷裂的和其它被打傷的第一級(jí)功率渦輪葉片送往普惠－加拿大實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)普惠公司提供的檢查報(bào)告，目視檢查有一片葉片從葉根處斷裂（圖7），這片斷裂葉片的殘余翼型靠后緣位置的斷層區(qū)域顯示出了較深的顏色并且斷面比較平整，出現(xiàn)較深的顏色是由于其受到氧化后變色，也就說(shuō)明這個(gè)斷面曾經(jīng)在燃?xì)庵斜┞读艘欢螘r(shí)間。前緣斷面較淺的顏色說(shuō)明相對(duì)于后緣的斷面，是新形成的（圖8）。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)PW127／AV0045損傷現(xiàn)場(chǎng)照片

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)PW127／AV0045渦輪葉片檢測(cè)結(jié)果

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)PW127／AV0045斷裂葉片

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)PW127／AV0045前緣斷面

通過(guò)這些典型的案例可以說(shuō)明，在先進(jìn)的內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)條件下，雖然針對(duì)性地對(duì)可能產(chǎn)生損傷的部件部位進(jìn)行了檢測(cè)（在發(fā)生這類(lèi)損傷的第一時(shí)間，各航空公司的內(nèi)窺鏡檢測(cè)人員都做了大量的具體工作），但同類(lèi)型的損傷及造成的空中停車(chē)并沒(méi)有得到有效的控制，分析原因主要有：① 由于運(yùn)行環(huán)境的原因造成葉片未達(dá)到大修周期，過(guò)早出現(xiàn)疲勞裂紋而斷裂，這就要求必須進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢測(cè)，但對(duì)于有些裂紋內(nèi)窺鏡檢測(cè)也無(wú)法發(fā)現(xiàn)。② 運(yùn)行中出現(xiàn)了疲勞裂紋，在大修時(shí)未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成漏檢，從而導(dǎo)致葉片斷裂。③其它意外原因造成葉片斷裂，這種情況無(wú)法避免。

3 葉片修理與無(wú)損檢測(cè)

出現(xiàn)此類(lèi)損傷只是表象的反映，技術(shù)落實(shí)（檢查的部位、方法、記錄的方式等等）只是反映表象或者說(shuō)是把表象更形象具體展示出來(lái)，進(jìn)而用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。而內(nèi)在的更深層次的是管理，即發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件修理與內(nèi)窺鏡檢測(cè)相互間那種隱性的關(guān)聯(lián)。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件損傷的原因是多方面的，當(dāng)分析評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，這些原因絕大多數(shù)是無(wú)法解決的，變量和影響參數(shù)太多。因此要發(fā)現(xiàn)并抓住可以解決的問(wèn)題來(lái)探討才有實(shí)際的意義。

葉片的質(zhì)量問(wèn)題或者更進(jìn)一步說(shuō)是葉片大修后的質(zhì)量問(wèn)題。當(dāng)把葉片修理所牽扯到的修理工藝都定格后，發(fā)現(xiàn)葉片的修理質(zhì)量問(wèn)題集中的反映在葉片的損傷檢測(cè)包括葉片修理前后的無(wú)損檢測(cè)上（因?yàn)樵诹鸭y的形成初期，或者說(shuō)在葉片的疲勞源形成的過(guò)程中，無(wú)損檢測(cè)是很難檢測(cè)到的）。這是修理葉片過(guò)程中漏檢幾率最大的地方。

發(fā)動(dòng)機(jī)修理工藝流程如圖9所示。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)部件修理流程示意圖

葉片的修理（包括高壓渦輪、中壓渦輪、低壓渦輪的導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片）在分解清洗后檢查，檢查一般分為目視檢查和無(wú)損檢測(cè)。檢查后的葉片分類(lèi)：報(bào)廢件、可修理件（對(duì)那些可通過(guò)修理手段得以恢復(fù)的損傷）、可修復(fù)件（未發(fā)現(xiàn)損傷，只需要通過(guò)表面處理恢復(fù)其功能的葉片）。修理后的葉片經(jīng)無(wú)損檢測(cè)后與修復(fù)后的葉片一起進(jìn)行表面處理，最后送庫(kù)房驗(yàn)收保管，經(jīng)裝配、試車(chē)并最終提交給用戶(hù)。

以CFM56－7高壓渦輪葉片為例：該葉片在進(jìn)行大修時(shí)，需要進(jìn)行：① 噴水試驗(yàn)：以便檢查冷卻孔是否有堵塞情況。② 葉身進(jìn)行目視檢驗(yàn)：以便檢查帶涂層的葉深是否有裂紋存在。③ 葉根部位：進(jìn)行熒光檢驗(yàn)及渦流檢驗(yàn)，以便檢查是否有疲勞裂紋。并且，在進(jìn)行熒光檢驗(yàn)前，葉根部位要進(jìn)行局部腐蝕，以便使疲勞裂紋充分暴露。④ 修理后的葉片需要進(jìn)行熒光檢驗(yàn)，以保證其符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

在使用的葉片中，新葉片與修復(fù)后的葉片、修理后的葉片之間其材料屬性必定有差異（葉片本身就存在疲勞現(xiàn)象），這些葉片在同等使用條件下的損傷幾率和速率是不一樣的。

4 葉片修理與內(nèi)窺鏡檢測(cè)

在發(fā)動(dòng)機(jī)單元體的修理過(guò)程中，新葉片與修復(fù)后葉片、修理后葉片混裝是直接或間接地導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中其內(nèi)部損傷發(fā)展不均衡的重要原因，這就如同一位60歲的健康老人與一位20歲的健康青年在同一條件下摔倒，其同一部位的損傷必然是老人要重，恢復(fù)的周期也要更長(zhǎng)。

筆者了解到，在中國(guó)雖有多家發(fā)動(dòng)機(jī)修理廠(chǎng)家，但由于多方面的原因，其熱部件的修理都是外包的。在試車(chē)中會(huì)發(fā)現(xiàn)大修后的葉片就有損傷出現(xiàn)（這些損傷葉片主要出現(xiàn)在修理和修復(fù)過(guò)的那些葉片上，或者說(shuō)形成在那些疲勞過(guò)度的葉片上），而那些損傷又都在大修標(biāo)準(zhǔn)合理的范圍內(nèi)。所以采用內(nèi)窺鏡檢測(cè)和監(jiān)控新發(fā)動(dòng)機(jī)，相對(duì)比檢測(cè)和監(jiān)控大修后的發(fā)動(dòng)機(jī)，要容易把握。經(jīng)常遇到大修后的發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有用數(shù)個(gè)小時(shí)就發(fā)現(xiàn)這樣或那樣的損傷，這其中的原因與不可見(jiàn)損傷在大修過(guò)程中的不可檢出性有一定的關(guān)系（漏檢和誤判），與葉片在修理過(guò)程中的焊接、機(jī)械加工、熱處理、表面處理等等有一定的關(guān)系。內(nèi)窺鏡檢測(cè)人員要把握各種影響因素與葉片的關(guān)聯(lián)，正確判斷葉片的損傷形態(tài)和發(fā)展速率是相當(dāng)?shù)睦щy。所以說(shuō)葉片的斷裂如果是材料及加工工藝方面的問(wèn)題，或者是修理廠(chǎng)家的問(wèn)題，其損傷形態(tài)的變化具有很大的不確定性，內(nèi)窺鏡很難有效地監(jiān)控，因此葉片斷裂造成的事故依然還會(huì)發(fā)生。制造廠(chǎng)家或修理廠(chǎng)家必須盡可能地消除損傷的隱患。

而從內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)方面來(lái)講，對(duì)于經(jīng)過(guò)多次修理后的發(fā)動(dòng)機(jī)，在內(nèi)窺鏡檢測(cè)中常常無(wú)法判定葉片的損傷存在于哪種類(lèi)型的葉片中（新的、修復(fù)或修理的），無(wú)法判定是哪種類(lèi)型的葉片最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重大故障的發(fā)生，也不能排除葉片在大修中出現(xiàn)漏檢的可能性，所以應(yīng)該找到一種可控的方法或方式，來(lái)盡可能地消除葉片損傷帶來(lái)的隱患。為了做到這一點(diǎn)，筆者建議給修理和修復(fù)過(guò)的葉片做明顯的標(biāo)記，以方便內(nèi)窺鏡檢測(cè)人員把握和判別葉片的類(lèi)別（即新的、修理的、修復(fù)的），這有以下好處：① 明確內(nèi)窺鏡檢測(cè)范圍，控制葉片損傷的發(fā)展速率。② 確定或者判明哪些修理和修復(fù)后表現(xiàn)出的葉片損傷是葉片修理前已產(chǎn)生卻在修理時(shí)未檢出而造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障的。③確定或者是判明修理和修復(fù)后的葉片損傷是造成重大故障的主要來(lái)源，并且通過(guò)詳細(xì)的記錄指出大修質(zhì)量存在問(wèn)題的可能性。④ 從另一個(gè)角度講，這種方式的采納可以觀(guān)察和監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件大修的質(zhì)量，以便引起發(fā)動(dòng)機(jī)修理廠(chǎng)家的足夠重視。

一般來(lái)講，發(fā)動(dòng)機(jī)在大修時(shí)對(duì)于不可修理件直接報(bào)廢；對(duì)于可修理件，按照修理規(guī)范修理，檢驗(yàn)合格后裝回原發(fā)動(dòng)機(jī)；對(duì)于可恢復(fù)件，在清洗、檢驗(yàn)合格后裝回原發(fā)動(dòng)機(jī)。從理論上講，每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉片安裝時(shí)都有一個(gè)起始位置，從該位置算起順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即可知道某一葉片所在的位置。雖然在大修后的發(fā)動(dòng)機(jī)檔案中記載了更換的熱部件，記錄了修理件和修復(fù)件的修理深度，可這并不方便內(nèi)窺鏡檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)工作中的確認(rèn)。渦輪葉片作為壽命件，在新出廠(chǎng)或修理后出廠(chǎng)的葉片上，服役周期是一樣的，但在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些意外情況，例如：葉片的冷卻孔在運(yùn)行中被堵而出現(xiàn)葉片被燒熔現(xiàn)象。尤其在大修后的葉片與新裝上的葉片性能有很大差異。盡管葉片有自己的編號(hào)，但內(nèi)窺鏡人員無(wú)法知道每一個(gè)葉片的具體情況，因此筆者認(rèn)為在葉片上做不同的標(biāo)記可方便內(nèi)窺鏡檢測(cè)人員在工作中的確認(rèn)，以便于做定向的針對(duì)性檢測(cè)。這是一個(gè)簡(jiǎn)便易行的方法，在大修后的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)窺鏡監(jiān)控中顯得尤為重要。

筆者希望立一個(gè)課題，來(lái)探討無(wú)損檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件修理、內(nèi)窺鏡檢查之間某種潛在的因果關(guān)系。如果在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)提出這個(gè)課題，觀(guān)察和記錄分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件修理對(duì)其使用時(shí)限的影響，就有可能對(duì)修理后的質(zhì)量監(jiān)控來(lái)判斷；分析更新件、修理件、修復(fù)件在一定運(yùn)行時(shí)間下部件材質(zhì)損傷的變化以及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)與壽命的影響。相信一定會(huì)有一個(gè)結(jié)果，或者還會(huì)得到一個(gè)求證，正是那些修復(fù)、修理的部件是造成發(fā)動(dòng)機(jī)重大故障時(shí)有發(fā)生的潛在因素。那些修復(fù)、修理的部件是造成二次損傷超標(biāo)的主體，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本的控制是有益的。

5 結(jié)語(yǔ)

主要討論了內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)與民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱部件大修中無(wú)損檢測(cè)間的隱形的相互關(guān)系。在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的維護(hù)中，內(nèi)窺鏡渦流、內(nèi)窺鏡熒光、內(nèi)窺鏡超聲、內(nèi)窺鏡維修已在實(shí)際中得到了應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，相信內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相互的結(jié)合會(huì)在近幾年中更廣泛地應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)工程中。