飛機導管損傷的弱磁檢測

陳新波，李小麗，柳小江

(1.海軍航空大學青島校區(qū) 航空機械工程與指揮系，青島 266041;2.92785部隊，綏中 125200)

圖1 飛機導管斷裂外觀

飛機導管猶如人體血液循環(huán)系統(tǒng)中的血管，對飛機和發(fā)動機非常重要。飛機導管主要用于液壓、氣動、燃料、氧氣和環(huán)境控制系統(tǒng)中。各系統(tǒng)中的導管有其特定的作用，包括：輸送油氣、傳導壓力、保護電纜等[1]。這些導管在使用中會出現(xiàn)一些故障，如液壓、冷氣系統(tǒng)導管經(jīng)常出現(xiàn)漏油、漏氣的現(xiàn)象，飛機起落架上的液壓導管在飛機著陸時受到?jīng)_擊載荷，而易產(chǎn)生疲勞裂紋，進而導致漏油，甚至斷裂(見圖1)，給飛行安全帶來隱患[2]。據(jù)統(tǒng)計，在中國，導管損傷引起的飛機發(fā)動機空中停車事故數(shù)量占發(fā)動機空中停車事故總數(shù)的一半。因此，對導管進行定期檢查是必不可少的工作，但是外場檢查通常采用目視檢查，通過有無漏油來判斷導管是否存在裂紋，這種方法屬于故障后檢查，不能很好地預防事故，而且飛機上的導管數(shù)量繁多，受安裝位置的限制，簡單通過目視很難進行全面檢查，存在著很大的安全隱患。近年來提出的一種無需耦合、無需外加磁化、無需表面清理的新技術——弱磁檢測技術可以有效用于管材、板材等焊縫損傷的檢測[3-4]。但對于飛機導管，尤其是其喇叭口部位的損傷檢測還少有研究，筆者通過試驗研究了弱磁檢測技術在飛機導管不同部位損傷檢測上的可行性，為飛機導管的損傷檢測提供了參考。

1 弱磁檢測原理

弱磁檢測技術是基于“空間磁場矢量合成”原理，采用磁矢量傳感器對缺陷實現(xiàn)檢測的一種無損檢測技術[5]。在地磁場H確定的條件下，待測試件的磁感應強度B是由其自身材料決定的，其間的比值即為材料的磁導率。但是由于缺陷的存在，缺陷處的磁導率發(fā)生變化，這就導致該處產(chǎn)生的磁感應強度B發(fā)生變化，弱磁檢測原理示意如圖2所示。對于非鐵磁性材料來說，在地磁場H恒定的條件下，磁感應強度B與介質(zhì)的磁導率μ成正比。經(jīng)過傳感器探頭的收集和計算機的處理，其結果分為以下兩種情況。

(1) 當μ′>μ時，缺陷排斥磁感線，磁感線會繞過缺陷，缺陷處試件內(nèi)的磁感線密度變大，從而在缺陷處檢測到的磁感應強度信號會產(chǎn)生一個向上凸出的異常。

(2) 當μ′﹤μ時，缺陷吸引磁感線，缺陷周圍的磁感線會穿過缺陷，缺陷處試件內(nèi)的磁感線密度變小，從而在缺陷位置處檢測到的磁感應強度信號會產(chǎn)生一個向下凸出的異常。

圖2 弱磁檢測原理示意

弱磁無損檢測技術是基于地磁場環(huán)境的一種被動式檢測技術，無需外加磁場激勵。其利用高靈敏度磁感應探頭，收集穿過待測試件的磁感應信號，再經(jīng)過終端計算機對信號的處理，擬合出數(shù)字圖像，通過分析圖像的變化，還原實際損傷情況，來實現(xiàn)對缺陷的定性、定量、定位檢測。

2 試驗方法

2.1 試件制作

2.1.1 試件材料的選擇

以某型飛機發(fā)動機導管為檢測對象，導管材料為0Cr18Ni10Ti不銹鋼(321不銹鋼)，屬于Ni-Cr-Ti型奧氏體不銹鋼，為非鐵磁性材料，其材料成分如圖3所示。

圖3 某型發(fā)動機導管材料成分

2.1.2 ANSYS有限元仿真

飛機導管之間是通過特殊的卡套螺母結構安裝固定的，其易損傷部位結構大都比較復雜，很難通過簡單的受力分析得到其應力集中部位和分布情況[6]。利用ANSYS有限元分析軟件對導管結構進行建模，分析其受力情況。圖4，5分別為導管喇叭口處和彎折處的應力分布圖。從圖4，5中可以看到，在導管喇叭口邊緣、喇叭口過渡處、卡套邊緣、內(nèi)折彎處存在較大的應力集中。

圖4 導管喇叭口處應力分布圖

圖5 導管彎折處應力分布圖

2.1.3 缺陷設計

根據(jù)實際發(fā)生的損傷情況，結合ANSYS軟件的有限元仿真來分析結果。試驗設計的裂紋分別位于：喇叭口處、喇叭口過渡處、卡套處、折彎處、焊縫處等5個不同的部位，具體設計方案如表1所示。

表1 導管缺陷設計方案

2.2 試驗方案

檢測設備為JECO-M8導管原位探傷儀，檢測傳感器為導管專用磁敏電磁探頭；試件為0Cr18Ni10Ti飛機導管試件。試驗步驟為：① 打開數(shù)據(jù)處理軟件，連接探頭，調(diào)好檢測參數(shù)(端口COM3,放大倍數(shù)為3,工件長度為160 mm，工件寬度為20 mm)，對探頭進行標定校準；② 左手固定待測導管，右手握持探頭，使其垂直接觸導管管壁，點擊“開始”命令后沿試驗設計掃描路徑勻速檢測，完成掃描后點擊“暫停”命令。③ 點擊“數(shù)據(jù)處理”命令，將實時數(shù)據(jù)、差分處理數(shù)據(jù)和檢測圖像保存。

3 試驗結果與分析

3.1 損傷檢測結果與分析

有裂紋時的弱磁檢測曲線如圖6所示，無裂紋時的弱磁檢測曲線如圖7所示。由圖6，7可知：無裂紋時檢測磁場實時曲線平滑無拐點，有裂紋時檢測磁場實時曲線在橫坐標84 mm處出現(xiàn)拐點；無裂紋時的處理數(shù)據(jù)一直保持在裂紋判定線內(nèi)，有裂紋處的檢測信號在橫坐標8488 mm位置超出了裂紋判定線。

圖6 有裂紋時的弱磁檢測曲線

圖7 無裂紋時的弱磁檢測曲線

探頭磁敏元件檢測到的信號是檢測部位磁場垂直于探頭的分量，受導管自身結構的影響，沿檢測路徑掃描到的信號是連續(xù)變化的。而裂紋結構破壞了導管中地磁場的連續(xù)性分布，因此磁場實時信號在裂紋處出現(xiàn)拐點，對應差分處理信號在裂紋處超出裂紋判定線。因此，可以通過檢測處理信號是否超出裂紋判定線來判定導管是否存在裂紋。

3.2 不同損傷部位的檢測結果與分析

3.2.1 沿縱向的掃描路徑檢測

圖8 喇叭口過渡處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

首先研究了掃查路徑對不同部位損傷檢測的影響。圖811是沿導管縱向掃描路徑下不同損傷部位的裂紋檢測信號(圖中CH2為通道)。

圖9 卡套處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

圖10 折彎處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

圖11 焊縫處裂紋檢測處理信號(沿縱向掃描)

由圖811可知，卡套處和折彎處的信號峰值較為尖銳，且明顯超出裂紋判定線，而喇叭口過渡處和焊縫處的信號峰值較為平緩，僅略微超出裂紋判定線。這是因為處理信號是磁場實時檢測信號通過差分運算得到的結果，其峰值對應實時檢測信號的階躍變化。由于喇叭口過渡處和焊縫處導管自身縱向結構有較大變化，干擾了裂紋階躍信號，因此表現(xiàn)為信號峰值較為平緩。而卡套處和折彎處導管縱向無結構變化，導管自身對磁場的影響恒定不變，因此表現(xiàn)為信號峰值較為突出。因此，在檢測有卡套處和折彎處的缺陷時，宜采用沿導管縱向的掃查方式。

3.2.2 沿周向的掃描路徑檢測

圖1216是沿導管周向掃描路徑下不同損傷部位的裂紋檢測信號。

圖12 喇叭口處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖13 喇叭口過渡處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖14 卡套處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖15 折彎處檢測處理信號(沿周向掃描)

圖16 焊縫處檢測處理信號(沿周向掃描)

由圖1216可知：檢測信號中均有上下兩個峰值；喇叭口處、喇叭口過渡處、卡套處和焊縫處的信號峰值較為尖銳且明顯超出裂紋判定線，而折彎處的信號峰值較為平緩，僅略微超出裂紋判定線。這是因為弱磁檢測是通過檢測磁場的階躍變化確定裂紋的，因此沿裂紋擴展方向掃描(試驗中的沿周向掃描)時，只有當掃描到裂紋的兩個端點時才能檢測出磁場信號的突變，即對應處理信號的兩個峰值。由于折彎處導管彎曲使其自身周向結構有較大變化，干擾了裂紋的階躍信號，所以表現(xiàn)為信號峰值較為平緩，僅略微超出裂紋判定線。其他部位導管周向無結構變化，導管自身對磁場的影響恒定不變，表現(xiàn)為信號峰值較為尖銳，且明顯超出裂紋判定線。

4 結語

介紹了飛機導管的類型及容易產(chǎn)生裂紋的部位，研究了弱磁檢測技術對飛機導管不同部位損傷檢測的可行性。試驗發(fā)現(xiàn)：通過設定缺陷判定線，可以檢測出飛機導管裂紋缺陷；采用不同的掃查方式可以有效地檢測不同部位的缺陷。其中，在檢測有卡套處和折彎處的缺陷時，宜采用沿導管縱向的掃查方式，在檢測導管喇叭口、喇叭口過渡處、焊縫處的缺陷時，宜采用沿導管周向的掃查方式。