某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管開裂失效分析

王春雨 吳雪猛 趙靜 王宏衛(wèi) 張洋

摘要：某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車后多次出現(xiàn)燃油導(dǎo)管開裂，裂紋位于導(dǎo)管接頭與管體焊接的熱影響區(qū)。通過對(duì)導(dǎo)管開裂裂紋及金相組織進(jìn)行檢查，結(jié)合導(dǎo)管的制造、修理工藝進(jìn)行綜合分析，確定了導(dǎo)管的失效模式為裝配殘余應(yīng)力過大造成的高周疲勞開裂，在發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用下，導(dǎo)管外圓周向打磨處高的應(yīng)力集中加速了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致導(dǎo)管疲勞開裂。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油導(dǎo)管；疲勞；開裂；失效分析

Keywords：aero-engine；fuel pipe；fatigue；cracking；failure analysis

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)液壓燃油系統(tǒng)的功用是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供各種服役狀態(tài)所需的燃油，并使燃油呈霧狀噴入燃燒室。導(dǎo)管作為輸送燃油、液壓油等介質(zhì)的重要途徑，在飛行過程中一旦失效，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，甚至釀成等級(jí)事故[1]。因此，燃油、液壓系統(tǒng)的正常工作是保障航空裝備飛行安全的重要條件[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管服役時(shí)主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力、流體脈沖產(chǎn)生的沖擊力以及高溫部位產(chǎn)生的溫度載荷[3]，此外，導(dǎo)管在安裝、校形過程中的殘余應(yīng)力也會(huì)顯著影響導(dǎo)管的可靠性和壽命[4]。從發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管失效的歷史故障來看，導(dǎo)管開裂是發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障[5-7]，失效模式主要為高周疲勞斷裂，斷裂位置多位于焊接熱影響區(qū)。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)大修檢驗(yàn)試車過程中，出現(xiàn)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同一型號(hào)伺服燃油導(dǎo)管開裂漏油故障，開裂導(dǎo)管的宏觀形貌如圖1所示。開裂導(dǎo)管的規(guī)格為Φ8mm×1mm，材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，導(dǎo)管兩端接頭與管體采用手工火焰釬焊連接。開裂導(dǎo)管的服役時(shí)間均超過1000h，發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)僅對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行熒光探傷、校形和液壓試驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程也無(wú)異常振動(dòng)。

本文依據(jù)三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障導(dǎo)管開裂的宏觀形貌、斷口微觀形貌及顯微組織特征，結(jié)合導(dǎo)管的修理、裝配工藝、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，確定了導(dǎo)管失效的模式，分析了導(dǎo)管開裂的原因，提出了有效的改進(jìn)措施，以避免此類故障的再次出現(xiàn)。

1 導(dǎo)管宏觀檢查

取1#、2#、3#三根故障燃油導(dǎo)管進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)燃油導(dǎo)管均從接頭與管體的焊接熱影響區(qū)開裂。將三根開裂導(dǎo)管在裂紋處打開，三根燃油導(dǎo)管的裂紋源位置基本相同，均位于與兩個(gè)安裝孔對(duì)稱線呈30°方向的外表面（見圖2）。

1#導(dǎo)管裂紋長(zhǎng)度占圓周長(zhǎng)度的75%，2#導(dǎo)管裂紋長(zhǎng)度占圓周長(zhǎng)度的20%，3#導(dǎo)管裂紋長(zhǎng)度占圓周長(zhǎng)度的80%，三個(gè)導(dǎo)管裂紋斷口都較為平坦，與燃油導(dǎo)管基本垂直，斷口表面顏色均勻，均呈銀灰色，新鮮無(wú)氧化，裂紋處的管壁未見明顯的頸縮變形（見圖3～圖5）。三個(gè)導(dǎo)管裂紋處的外圓表面均可見周向打磨痕跡，未見明顯的壓傷、碰傷等痕跡（見圖6）。

2 導(dǎo)管斷口微觀形貌觀察

采用掃描電鏡對(duì)3根導(dǎo)管斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋源為線源，源區(qū)位于外圓表面的橫向打磨痕跡處，斷口上可見由源區(qū)沿圓周兩側(cè)向內(nèi)擴(kuò)展的撕裂棱，源區(qū)微觀可見細(xì)密的疲勞條帶（見圖7）。

斷口圓周兩側(cè)的擴(kuò)展區(qū)也可見細(xì)密的疲勞條帶，導(dǎo)管擴(kuò)展區(qū)前期的疲勞條帶較細(xì)密，隨著裂紋的擴(kuò)展，疲勞條帶相對(duì)逐漸稀疏，燃油導(dǎo)管斷口疲勞特征顯著（見圖8）。

3 導(dǎo)管顯微組織金相檢查

對(duì)導(dǎo)管接頭、管體焊縫及焊接熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行檢查，可看出導(dǎo)管焊縫區(qū)顯微組織為奧氏體和呈枝晶分布的鐵素體，焊接熱影響區(qū)及母材顯微組織為孿晶奧氏體和黑色袋裝的鐵素體，焊縫存在少量的疏松和氣孔缺陷（見圖9、圖10）。

4 綜合分析

根據(jù)以上檢查，1#、2#和3#燃油導(dǎo)管只是開裂擴(kuò)展程度不同，裂紋打開后的斷口特征相似：斷口新鮮無(wú)氧化，裂紋源為線源，位于外圓表面的橫向打磨痕跡處，斷口上可見由源區(qū)沿圓周兩側(cè)向內(nèi)擴(kuò)展的撕裂棱，源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)微觀均可見細(xì)密的疲勞條帶，隨著裂紋的擴(kuò)展疲勞條帶相對(duì)逐漸稀疏。燃油導(dǎo)管裂紋打開后斷口有顯著的疲勞特征，為高周彎曲疲勞開裂。

疲勞斷裂是導(dǎo)管失效的主要形式，主要原因有材料缺陷、焊接缺陷、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、裝配應(yīng)力和柱塞泵燃油脈沖作用力等[4，5，9]，應(yīng)力集中的存在會(huì)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。三根燃油導(dǎo)管開裂裂紋均位于接頭焊接熱影響區(qū)，原因是焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度較低，疲勞性能差，是導(dǎo)管的薄弱區(qū)[4]。三根導(dǎo)管開裂前的工作時(shí)間均超過1000h，且大修無(wú)損檢測(cè)和液壓試驗(yàn)時(shí)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明燃油導(dǎo)管的設(shè)計(jì)、材料組織和表面質(zhì)量不是開裂的主要因素。但三根燃油導(dǎo)管的裂紋均起源于外圓表面的橫向打磨痕跡處，說明此處有較大的應(yīng)力集中，促進(jìn)了燃油導(dǎo)管的疲勞開裂[5，10，11]。導(dǎo)管均為線源起裂，且源區(qū)均位于同一方向，斷口上有明顯的撕裂棱，說明三根燃油導(dǎo)管接頭處受到了較大的彎曲應(yīng)力，且應(yīng)力的方向一致，受燃油導(dǎo)管形狀和裝配位置限制，燃油導(dǎo)管接頭處在裝配后受到彎曲應(yīng)力作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中存在振動(dòng)，在燃油導(dǎo)管接頭部位會(huì)產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力，燃油導(dǎo)管裝配不當(dāng)使燃油導(dǎo)管接頭處在某個(gè)固定方向上受到較大的彎曲應(yīng)力作用，兩者疊加，使燃油導(dǎo)管接頭處受到的交變彎曲應(yīng)力幅值增大，且燃油導(dǎo)管表面周向打磨痕跡的應(yīng)力集中作用使燃油導(dǎo)管受到的交變彎曲應(yīng)力進(jìn)一步增大，當(dāng)超過燃油導(dǎo)管的疲勞極限時(shí)，加速了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致導(dǎo)管疲勞開裂。

5 結(jié)論

1）三根發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管失效模式均為高周彎曲疲勞開裂。

2）三個(gè)燃油導(dǎo)管高周彎曲疲勞開裂都是燃油導(dǎo)管受到較大的彎曲應(yīng)力造成的。

3）燃油導(dǎo)管裝配不當(dāng)使其在固定方向上受到了較大的彎曲應(yīng)力作用，在周向打磨痕跡處較高的應(yīng)力集中作用下，加速了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致導(dǎo)管疲勞開裂。

參考文獻(xiàn)

[1]林文欽，胡成江，朱麗，等. 燃油測(cè)壓導(dǎo)管斷裂分析[J].失效分析與預(yù)防，2018，13（5）：24-28.

[2]盧麗金，黃超廣，沈祖輝.飛機(jī)液壓/燃油管路系統(tǒng)振動(dòng)故障模式、機(jī)理及排除方法[C]//中國(guó)航空結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)專業(yè)組第十六屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2008.

[3]王威，武曉龍.航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油分管斷裂故障研究與實(shí)踐[J].機(jī)械工程師，2014（11）：89-91.

[4]周楊娜，王國(guó)鵬.發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管裂紋失效分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（22）：143-143.

[5]王紅英，夏祥泰，王志宏，等.某型機(jī)燃油輸油管裂紋分析[C]//全國(guó)航空航天裝備失效分析研討會(huì).2006.

[6]李權(quán)，傅國(guó)如，徐志剛，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)不銹鋼導(dǎo)管失效分析[J].材料工程，2003（z1）：137-138.

[7]許鍔俊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)完整性要求的初步研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，1994（3）：56-65.

[8]傅國(guó)如，陳榮，呂鳳軍.發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供油導(dǎo)管斷裂失效分析[J].失效分析與預(yù)防，2007（1）：34-38.

[9]欒艷華，劉殿春.航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管斷裂故障分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，36（3）：16-19.

[10]傅國(guó)如，張崢.失效分析技術(shù)續(xù)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2005，41（6）：266-270.

[11]劉昌奎，劉華.TA15鈦合金焊接接頭性能與斷裂行為研究[J].失效分析與預(yù)防，2006，1（2）：45-48.

作者簡(jiǎn)介

王春雨，助理工程師，碩士，主要從事航空裝備理化檢測(cè)與失效分析等研究。