飛機結構腐蝕監測技術現狀及發展趨勢

于海蛟,王逾涯,陳群志

(北京航空工程技術中心,北京100076)

飛機結構腐蝕監測技術現狀及發展趨勢

于海蛟,王逾涯,陳群志

(北京航空工程技術中心,北京100076)

摘.要:簡要介紹了腐蝕監測技術的分類,闡述了飛機結構腐蝕監測幾種常用技術的工作原理,從技術角度分析了其優缺點,重點介紹了新型腐蝕監測系統的研發及其應用現狀,根據我國飛機使用特點與工程實際情況,闡明了腐蝕監測技術的發展及主要應用方向。

腐蝕;維護;腐蝕監測

腐蝕是飛機結構的一種主要損傷形式,達到一定程度后會誘發事故,嚴重情況下甚至導致機毀人亡。從壽命期成本看,由腐蝕帶來的逐年增加的維護費用也是影響飛機經濟使用的主要因素。2001年,美國空軍軍用飛機腐蝕帶來的損失超過了10億美元,其中一些機型的機體結構腐蝕帶來的直接經濟損失超過20萬美元;2007/2008年度,僅海軍和海軍陸戰隊的飛機腐蝕維護費用就約為30億美元。我國軍用和民用飛機也普遍存在不同程度的腐蝕和老化問題,導致有些機種的出勤率降低,維修工作量及其費用大幅度增加[1]。腐蝕問題已成為當前乃至今后制約各國飛機正常使用的一個重要因素[2]。

研究表明,一方面,腐蝕只能有效抑制而無法根本消除;另一方面,腐蝕是隨著飛機服役年限增加而日益增加的問題,特別是超出了原定日歷壽命時更是如此。為了提高飛機的安全性和可靠性,飛機服役期間的腐蝕檢查和監測變得尤為重要[3]。飛機結構的腐蝕是一個長期而復雜的過程,腐蝕介質的類型、溫度、濕度、離子濃度、應力狀態等都會對腐蝕過程有影響,因而腐蝕檢查和監測也不只是關注一兩個指標就能夠解決的問題[4]。傳統的檢測方法如目測法、取樣法、無損檢測等往往存在檢測指標單一、可靠性較差、可能引入意外損傷等問題。特別是對于隱蔽、狹小、不易到達的結構,這些傳統方法的局限性更大,甚至完全不適用。目前可用的檢查方法往往要耗費大量的人力和物力,同時,檢查不及時往往會貽誤腐蝕修理最佳時機[5]。因此,如果能夠發展一種可靠的可以早期發現腐蝕的傳感檢測系統,診斷飛機結構內部隱藏部位由于腐蝕引起的“病變”、提早預防,既可以避免重大事故的發生,又可以顯著改善工作效率、降低維護費用、延長飛機日歷壽命[6]。由此可見,腐蝕監測技術的發展已成為腐蝕控制、預防重大事故發生的前提和技術基礎。

飛機結構腐蝕監測的主要內容及目的可歸納為以下9個方面:檢測結構是否遭受嚴重腐蝕;判斷腐蝕損傷的程度、位置和腐蝕形態;初步分析腐蝕的類型和原因;監測腐蝕控制方法的使用效果(如選材、工藝防腐);對腐蝕產生的系統隱患進行預警;判斷是否需要采取工藝措施進行防腐;確定防腐的基本措施;評價被監測結構的使用狀態,并預測其使用壽命;協助制定結構監測維修計劃;指導結構設計改進。顯然,飛機結構腐蝕監測是能否真正實現飛機健康狀態監控一項不可或缺的技術,對于改進結構防腐設計、改善或提高安全性、提前預警、延長維修間隔和使用壽命、降低維修費用和使用維護人力與成本等具有重要作用。

1 腐蝕監測技術的分類

腐蝕監測技術是由實驗室腐蝕試驗方法和設備的無損檢測技術發展而來的。所謂腐蝕監測,就是利用各種儀器工具和分析方法,確定結構材料在腐蝕環境中的腐蝕速度,及時為工程技術人員反饋結構腐蝕信息,從而采取有效措施抑制或減緩腐蝕,避免腐蝕事故的發生[7]。采用傳感器來監測腐蝕是迄今為止最好的選擇,它可以較早地發現結構腐蝕,很大程度上避免不必要的損失。

以前,腐蝕傳感器多被應用于石油傳輸系統等大型固定裝置,例如管道和離岸結構[8]。與航空領域需求相比,這些應用通常對傳感器質量、服役環境、靈敏度和材料等并無較高要求。近年來,腐蝕管理戰略的發展大大推進了腐蝕傳感器的航空應用研究。此外,商業環境的變化以及制備方法和數據記錄的新發展使制造航空腐蝕傳感器在技術上成為可能。

用于飛機結構的腐蝕監測技術與用在其他領域的具有相似之處,但飛機的結構特點和環境的特殊性對其提出了更高要求。例如,就飛機鋁合金結構而言,常用的表面防腐工藝是:先在鋁合金表面進行陽極化處理或者表面覆蓋含鉻底漆轉變層,再噴涂底漆,最后噴面漆。對于每天在嚴酷環境中服役的機體結構來說,飛行和起降過程中的沖擊損傷、維護過程中工具和褪漆劑造成的損傷以及高溫循環和疲勞等都會使漆層退化開裂。在面漆和底漆相繼開裂之后,表面處理層遭到破壞,鋁合金基底就直接暴露在腐蝕環境中。飛機結構用腐蝕傳感器大多基于此腐蝕過程進行研發。

飛機結構用腐蝕傳感技術的種類很多,每種技術的成熟度也不盡相同。按腐蝕結果是否可以直接獲得可以分為直接監測和間接監測兩種。可直接得到一個腐蝕結果(如腐蝕失重、腐蝕電流等)的腐蝕監測稱為直接監測,否則為間接監測。直接監測技術包括線性極化法、電阻探針法、電化學阻抗譜、電化學噪聲法、直流法和電化學生物傳感等方法;間接監測技術包括光學傳感、聲發射、pH值法以及腐蝕指示油漆等方法。

2 直接監測技術的工作原理及技術特性

直接監測的方法往往只適合局部區域的監測,除非使用多個傳感器,否則不適用于大面積監測。

2.1 線性極化法

線性極化(Linear Polarization Resistance,LPR)法也稱為極化阻抗技術,其腐蝕監測的原理是電化學Stern&Geary定律,即在腐蝕電位附近電流的變化和電位變化之間成線性關系[15],其斜率與腐蝕速率成反比:

式中:B為極化常數,由金屬材料和介質決定;Rp為極化電阻,Rp=ΔE/Δi。

當電流通過電極時引起電極電位移動的現象稱為電極的極化。陽極電極電位從原來的正電位向升高方向變化,陰極電極電位從原來的負電位向降低方向變化。變化結果使腐蝕原電池兩極之間的電位差減小,腐蝕電流亦相應減小。電極極化作用對氧化反應、還原反應或對腐蝕電流的阻礙力與電阻具有相同量綱,稱之為極化阻抗;其值越大,腐蝕電流越小。根據給腐蝕系統輸入的電流脈沖是否穩定,極化法又可分為直流極化法和交流極化法。

線性極化法在快速測定金屬瞬時腐蝕速度方面獨具優勢,在實驗室和現場快速測定腐蝕速度時是一種簡單可行的方法,但其不適合在導電性差的介質中應用。當被監測結構表面有致密的氧化膜或鈍化膜或腐蝕產物時,將產生假電容,引起較大誤差,甚至無法測量。

美國Analatom公司在線性極化法的基礎上開發了微線性極化(μLPR)腐蝕傳感器。微線性極化傳感器由2個以150 μm間距梳狀交叉排列的微加工電極組成,其工程圖及實物照片如圖1所示。Brown等人[10]還對微線性極化阻抗傳感器進行了試驗驗證,認為它是高價值結構(如飛行器)遠程腐蝕監控可行和經濟的候選傳感器。

圖1 薄膜μLPR腐蝕傳感器Fig.1 Thin film μLPR sensor

美國海軍(USN)開發的腐蝕監測儀使用的就是這種傳感器。如圖2所示,該檢測儀又小又輕。傳感器元件是一個安裝在柔性Kapton基底上的金/鎘柵格,電子元件封存在硅橡膠中。該監測儀的特性在于配有無線下載系統,不用打開飛機面板即可輕易獲取監測數據。

圖2 美國海軍腐蝕監測儀Fig.2 US Navy corrosion monitor

為獲取飛機結構腐蝕薄弱區域的環境腐蝕數據,澳大利亞防務科學和技術組織(DSTO)正在推進多項在飛機上安裝腐蝕監控設備的計劃。至今,已經有多種腐蝕監控裝置安裝在澳大利亞皇家空軍P-3C,F-111,波音707飛機上和澳大利亞皇家海軍海鷹直升機上。澳大利亞防務科學和技術組織開發的監測系統使用的是與美國海軍相似的直流型微線性極化傳感器。該監測系統不僅可以指示腐蝕的發生,還可以指示腐蝕發生的時機,即指示飛機飛行期間和飛行后易導致腐蝕的階段、位置和任務類型。澳大利亞防務科學和技術組織將最初開發的系統安裝在澳大利亞皇家空軍(RAAF)的P-3C和F-111飛機上;而澳大利亞皇家海軍(RAN)的海鷹直升機上安裝的則是4個如圖2所示的由美國海軍研發的更小更先進的腐蝕監控單元,安裝位置如圖3所示。澳大利亞皇家空軍也計劃在其F/A-18和C-130飛機上安裝該監測系統。澳大利亞皇家空軍波音707上安裝的是一個自發結構整體監測系統(ASIMS)。該監測系統是由澳大利亞防務科學和技術組織、澳大利亞公益科學與工業研究組織(CSIRO)、波音飛機公司(美國)、波音澳大利亞有限公司和澳大利亞皇家空軍的一個合作項目的產物。項目由波音和澳大利亞皇家空軍進行投資,由澳大利亞防務科學和技術組織負責調試安裝,澳大利亞皇家空軍提供后勤支持[11]。

圖3 澳大利亞皇家海軍海鷹直升機上的腐蝕控制儀Fig.3 Corrosion monitors on RAN Seahawk helicopter

2.2 電阻探針法

電阻探針(Electrical Resistance,ER)腐蝕監測儀通過測量金屬試件腐蝕時電阻值的變化計算金屬在介質中的腐蝕速度[12]。當金屬元件遭受腐蝕時,金屬橫截面積會減小,電阻相應增加。通過計算電阻增加與金屬損耗的關系可換算出金屬的腐蝕速度(金屬損耗作為時間的函數,定義為腐蝕速度)及腐蝕深度。

電阻探針技術可用于在線監測均勻腐蝕和沖刷腐蝕,其優點為:在線監測技術可對飛機結構的腐蝕狀況進行連續監測,能準確反映飛機服役各階段飛機結構的腐蝕率及變化;不受介質導電率的影響,適用于各種不同的介質,可用于絕大部分工作環境中,包括氣相、液相、固相和流動顆粒等,其使用溫度僅受制作材料的限制;與樣片法不同,不需要從腐蝕介質中取出試樣,也不必去除腐蝕產物;快速、靈敏、方便,可以監控腐蝕速度較大飛機結構的腐蝕。

電阻探針法的缺點是試樣加工要求嚴格。靈敏度與試樣的橫截面有關,試樣越細、越薄,則靈敏度越高;若腐蝕產物是導電體(如硫化物),則會造成測試結果誤差較大;介質的電阻率過低也會帶來一定誤差;對于低腐蝕速度體系的測量所需時間較長,且不能測定局部腐蝕特征;監測非均勻腐蝕有較大誤差,所測腐蝕速度隨不均勻程度的加重而偏離。

2.3 電化學阻抗譜

電化學阻抗譜法(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)是電阻法轉化而來的一項技術。其原理是在傳感器中埋設一個線圈,通過其感抗的變化來反映敏感元件厚度的減少[13]。具有高磁導率強度的敏感元件強化了線圈周圍磁場,因此敏感元件厚度的變化將影響線圈的感抗。

該方法是一種暫態電化學技術,屬于交流信號測量的范疇。具有測量速度快,對研究對象表面狀態干擾小等特點。它用小幅度交流信號擾動電解池,并觀察體系在穩態時對擾動的跟隨情況,同時測量電極的交流阻抗,進而計算電極的電化學參數。Vera Cruz等人[14]應用交流阻抗法對不銹鋼在干濕交替環境下的腐蝕進行研究,發現交流阻抗法監測金屬腐蝕過程可以不受電極表面電流分布不均勻的影響,而且交流阻抗譜可以清楚地反映出鈍化、孔蝕和再鈍化過程,甚至可以探測到孔蝕的產生和成長。

自從Bard于1982年首次將電化學阻抗光譜法引入導電高分子的研究領域以來,許多學者應用其對各類導電高分子體系進行了廣泛的研究,證實該技術對高阻電解液及許多其他介質條件有較大可靠性。目前,電化學阻抗光譜也可用于評價涂層的破壞,現已有便攜裝備。該體系將涂層、基底和電解液看成是一個交流回路進行建模,每個回路元素的電阻和電容由觀察到的阻抗變化推算得出,推算值指示出涂層的狀態。

電化學阻抗光譜法的優點在于:應用頻率范圍廣(10-2～105Hz);響應時間短(幾分鐘)[15];適用范圍廣(絕大部分會發生腐蝕的介質),可直接測量結構的腐蝕速率和潮濕程度,可探測不可見腐蝕;可以建立腐蝕體系模型,基于模型給出預測;可獲得實時數據。其缺點在于:監測區域小,不足0.0929 m2;局部監測需要腐蝕區域的信息;耗材電極的價格較高。

2.4 電化學噪聲法

電化學噪聲(Electrochemical Noise,EN)是指電化學動力系統中電化學狀態參量(如電極電位)的隨機非平衡波動現象[16]。這種噪聲產生于電化學系統的本身,而不是來源于控制儀器的噪音或其他的外來干擾。1968年,Iverson[17]首次記錄了腐蝕金屬電極的電位波動現象,此后,電化學噪聲技術作為一門新興的試驗手段在腐蝕與防護科學領域得到了長足發展。電化學噪聲技術是一種原位無損監測技術,在測量過程中無需對被測電極施加可能改變電極腐蝕過程的外界擾動。該技術無需預先建立被測體系的電極過程模型,此外,無需滿足阻納的3個基本條件,而且可以實現遠距離監測。

電化學噪聲技術可以監測諸如均勻腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂等多種類型的局部腐蝕[18],并且能夠判斷金屬腐蝕的類型。Hladky等人[19]的研究指出,孔蝕和縫隙腐蝕的電位噪聲有明顯區別:孔蝕是連續發生的,而縫隙腐蝕是在一定頻率下周期性發生的;縫隙腐蝕優先于孔蝕,一旦縫隙腐蝕開始,孔蝕即停止。迄今為止,它的產生機理仍不夠完全清楚,處理方法仍存在欠缺。因此,尋求更先進的數據解析方法已成為當前電化學噪聲技術的一個關鍵問題。電化學噪聲技術未來的研究方向主要為結合微觀世界的最新研究成果來分析電化學噪聲的產生機理,以及結合非線性數學理論(如分形理論)來描述電化學噪聲的特征。

為幫助維護人員在早期發現腐蝕,美國Impact科技公司在電化學腐蝕傳感器的基礎上開發出CorrSem腐蝕監測系統,在實現對腐蝕環境參數進行跟蹤的同時,還能對腐蝕行為進行監測,如圖4所示。該系統可用在陸基和海基的多種飛機上。

圖4 CorrSem腐蝕監測系統Fig.4 CorrSem corrosion monitor system

CorrSem腐蝕監測系統利用電化學和環境傳感元件進行數據的收集、處理、分析和存儲。它為腐蝕傳感器供電,在傳感器信號中實時抽取關鍵數據并存儲。所用的腐蝕傳感技術包括電阻探針法、電化學噪聲法和電化學阻抗法。

2.5 直流法

直流法的原理是:利用不同金屬制成的分離電極,產生的直流電流或電壓可反映腐蝕和環境的變化[20]。直流法的環境傳感器經過與被監測結構相同的噴漆和處理工藝,保證其對環境和污染物的響應與被監測結構是相同的。腐蝕環境傳感器對腐蝕環境的響應可反映被監測結構的腐蝕情況。例如,電流傳感器可通過監測其自身電阻的變化來指示腐蝕傳感器的潮濕時間或其中金屬元素的腐蝕。該類傳感器具備體積小、質量輕、成本小、易于安裝、壽命長等優點,但其輸出需要進行校準,特別是對于復雜的漆層結構監測更需謹慎。

2002年,在美國空軍的支持下,Battelle公司將直流電腐蝕傳感器在C141飛機上進行第一次測試安裝。獲得成功后,又在F16,F15,KC135和C130等飛機上推廣應用。在早期,所有傳感器只能安裝在飛機的內部結構上。隨著其安全性的改進發展,傳感器也可安裝于固定翼飛機的外表面,而且也在旋翼飛機如H60,CH47和OH58的外表面上得到應用。傳感器材料對環境的腐蝕產生響應,并與被監測材料關聯。這種響應被轉化為電信號,反映累積腐蝕損傷。意大利空軍也已將薄膜Au-Cd直流電傳感器成功用于監測通路不可達結構和內部結構的腐蝕,以及密封劑和涂層的老化失效。

2.6 電化學生物傳感

生物誘導腐蝕又稱為生物腐蝕,可用電化學傳感器進行監測。電化學生物傳感器(Electrochemical Biological sensors)由生物體成分(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細胞、細胞器、組織等)作為敏感元件,以電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等)作為轉換元件,以電勢或電流為特征檢測信號,是生物傳感器的一類。該傳感器的優點是電極制作簡便、使用壽命長、重復性好、靈敏度高、成本低、能耗少、易攜帶、不破壞測試樣品、不受溶液顏色影響、易于實現微型化等。其缺點是壽命有限且不適合長期暴露[21]。

近十年來,電化學生物傳感器的研究工作取得了巨大進步,其性能和種類也得到了很大發展。其檢測對象從單糖、氨基酸、酶等發展到更為復雜的多糖、蛋白質、核酸等多種生物大分子。目前大部分研究仍圍繞著在傳統的電極上研究化學修飾電極。國外的Michael等人[22]最近研制出了可以同時測量多種生物的電極微陣列。Arkhypova等人[23]研制的集成生物傳感器,對水體中有毒金屬和殺蟲劑的檢出限達到10 μmol/L。我國的一些研究組也研制出了可對多種病毒進行測定的芯片。

目前該類傳感器在飛機結構上還未得到應用,但是由于其敏感元件為生物體成分,在經常發生微生物腐蝕的整體燃油箱及附近區域的腐蝕監測上應當有良好的應用前景。

3 間接監測技術的工作原理及技術特性

3.1 光學傳感

光學傳感器(Optical sensors)技術是目前應用得較為廣泛的飛機腐蝕監測技術。其原理是:將具有布拉格光柵的光學纖維表面涂覆電化學活性物質,活性物質可在腐蝕反應發生時產生顏色變化。這種傳感器可以埋入密封劑中,且可對結構上較長的范圍進行檢測。

光纖腐蝕傳感器是光纖傳感技術與腐蝕監測相結合的產物,它具有諸多傳統檢測方法所不具備的優點,如體積小、質量輕、易彎曲、抗電磁干擾、耐腐蝕、抗輻射、集信息傳輸與傳感于一體、可進行內部結構的多點監控、可進行遠距離探測、特別適合于隱蔽部位以及人無法觀察到和觸及的危險區域的腐蝕監測等。這種傳感器不僅可以安全方便地設置在腐蝕容易發生的部位(尤其是隱蔽、狹小的關鍵部位),而且對外界環境的變化敏感、能實現絕對測量、穩定性好、可以安全可靠地傳輸腐蝕信息,達到實時、無損的在線監測,從而使得飛機結構的腐蝕情況評估更為科學合理。此外,由于飛機結構監測涉及的被監測結構元件數量多、幾何分布廣、監測傳感器的需求數量大,而光纖傳感器具有徑細質輕,且能在一根光纖上實現復用的優點,可以大大減少附加重量和布線需求,因而成為飛機結構監測中應用最多的一種傳感器。其存在的問題是缺乏長期穩定性和易于受污染。

目前,光纖腐蝕傳感器根據工作原理也分為很多種:基于倏逝波的、探測透射光功率的金屬包層光纖腐蝕傳感器,基于光纖光柵的金屬腐蝕傳感器,基于熒光光譜的金屬腐蝕傳感器,基于對腐蝕產物探測的傳感器,基于濕度和pH值監測的傳感器和基于Cl離子監測的傳感器等。

近年來,越來越多的研究者開始關注光纖傳感技術。Rutherford等[24]提出用物理氣相沉積法將Al沉積在光纖芯上構成光纖腐蝕傳感器。黎學明等[25]和Li等[26]分別報導了在敏感區的光纖芯上電鍍Fe-C合金膜和Ag/Fe-C合金膜得到光纖腐蝕傳感器的研究。Abderrahmane等[27]和Benounis等[28]分別通過在光纖上沉積Ni-P和無電鍍沉積Cu膜的方法得到了性能優良的腐蝕傳感器。董颯英等分別在光纖芯上熱蒸鍍Al膜[29]和物理蒸鍍Fe/電鍍不銹鋼膜[30],得到的光纖傳感器性能優良。在Wright實驗室資助的項目中,波音空間防務集團研究了3種探測和監控隱藏腐蝕的先進方法,其中一種就是光纖腐蝕傳感器。周期性監測的傳感器指示飛機特殊部位腐蝕的出現及其嚴重程度[31]。

Mendozat等人[32]針對光纖傳感器在飛機上的應用開展了兩方面研究:一方面,光纖傳感器對水或pH值的改變都很敏感,會為維護人員及時指示出搭接接頭和其他無法接觸的關鍵部位是否有水出現;另一方面,傳感器也可精確指示出水汽滲透是在什么部位發生的。在典型應用中,將傳感器纖維埋在沿飛機結構腹板的搭接接頭中,或安裝在機翼上。

3.2 聲發射技術

聲發射(Acoustic Emission,AE)是固體變形或破壞時產生的聲音作為彈性波放出來的觀象[33],該彈性波可由聲發射傳感器探測到。聲發射傳感器的檢測元件除特殊情況外都用PZT(鈦酸鉛鋯)。PZT等壓電材料具有加力后產生電荷的特性,金屬表面傳播的聲發射波傳到聲發射傳感器內的PZT上,轉換為電信號輸出。小的變形或微小裂紋的發生和發展都伴隨聲發射的發生。故通過該方法可探測到人所不能感知的危險信號,可預知和發現材料或構造物的缺陷或破損。目前,在腐蝕監測領域,該技術廣泛用于檢測腐蝕擴展和應力腐蝕開裂。

聲發射檢測法類似于以超聲波范圍(約100 kHz～10 MHz)信號為對象的超聲波探傷法,但是從材料缺陷本身發出的動能來檢測這一點卻與其他無損檢測方法不同,具有以下優點 :輕便,可遙控實時監測腐蝕破壞的擴展;使用多個聲發射傳感器可對腐蝕破壞位置進行定位;可對運轉中的設備進行診斷,能實現永久性記錄。

其缺點是:探頭必須良好地耦合在被檢物表面,要求位置適當;檢測結果不直觀;適用范圍窄,目前只適用于應力腐蝕和腐蝕疲勞裂紋擴展的監測;對試驗系統及環境噪聲干擾很敏感,對于高塑性材料還會因其聲發射信號幅度小而影響檢測靈敏度等。

3.3 pH傳感器

基于離子濃度的pH傳感器(pH sensors),其工作原理主要是檢測被測結構的H+濃度并轉換成相應的可用輸出信號[34]。根據H+濃度的變化,可判斷腐蝕的發生以及腐蝕程度。pH傳感器通常由化學部分和信號傳輸部分構成。

這種傳感器比傳統的腐蝕傳感器適應力更強,可適應長期的潮濕環境,壽命更持久,可以長期監測環境情況,當到達腐蝕閾值時發出預警。因此,其對安全結構的監控更有效,但pH傳感器在使用前必須進行校準,且校準時間較長。

3.4 腐蝕指示漆

腐蝕指示漆(Corrosion-indicating Paint)通過改變顏色或熒光特性來反映腐蝕帶來的化學變化。這些化學變化可以是監測部位pH值的改變,也可以是氧化或金屬陽離子配位等。腐蝕指示漆是俄亥俄州立大學的研究人員Frankel等人專門為飛機損傷早期預警系統研制的。與其他腐蝕監測手段相比,腐蝕指示漆不僅可以顯示隱藏腐蝕,而且具有靈敏度高、價格低廉的優勢。其他傳感器只能監測到所探測區域的情況,而噴涂在整個飛機結構上的腐蝕指示漆可以指示飛機上很多潛在腐蝕關鍵部位的腐蝕。目前,腐蝕指示漆還處于研發階段。

除以上幾種技術之外,還有一些適用范圍相對較窄的直接監測腐蝕的方法,如無法用于實時在線分析的腐蝕樣片法(Corrosion Coupons)、超聲波測厚法(Ultrasonic Wall Thickness Measurements,UT)和尚需完善的基于微機電系統(Microelectromechanical Systems,MEMS)的方法[35]等。

4 腐蝕監測系統的發展趨勢

4.1 各種腐蝕監測技術的協同作用

在現實使用過程中,每種腐蝕監測技術都有其自身的特性,適合于監測某一種或幾種類型的腐蝕。采用單一的腐蝕監測方法往往不能滿足要求,通常需要同時采用多種方法才能獲得較為準確可靠的腐蝕監測信息。例如,電阻探針腐蝕監測數據通常需用腐蝕樣片法數據進行校正,以防止由于探頭污染等因素造成的數據偏差。同樣,沒有一種傳感器可以監測和評價所有接頭、緊固件和材料上所有種類和形式的腐蝕。因此,飛機結構腐蝕需要綜合采用多種技術協同進行監測。多種方法相互補充,可使監測數據更為準確。

另外,腐蝕產物分析也十分重要,可以反映出腐蝕發生的主要原因和腐蝕狀況,與腐蝕監測數據相關聯后,可用于預測可能發生的腐蝕及腐蝕程度。

4.2 傳感器的進一步發展和優化配置

腐蝕傳感器用于在線監測飛機結構腐蝕是可行的,但機載腐蝕傳感器完全取代地面檢查,實現遠距離監測系統的大規模應用和支付還需要長遠發展。有待進一步深入研究的關鍵性問題包括:如何進一步優化傳感器的性能,包括提高精度、穩定性、頻帶寬、電磁相容性;如何降低器件的尺寸、質量以及能耗;如何實現傳感元件與被監測結構的集成;如何實現傳感器和與其配套的信號處理器件的微型化等。

原位傳感器在腐蝕監測上的應用可極大減少對傳統檢測方法的需求。相較而言,腐蝕傳感器的造價較高,監測費用也是需要考慮的因素。過于頻繁地采用高成本的腐蝕監測方法,其費用是相當大的。例如,連續性在線腐蝕監測費用比周期性腐蝕監測費用高,因此應多采用后一種方法,且在允許的情況下盡量降低監測頻率。同時,腐蝕傳感器大多只用于腐蝕難以測量的部位,在腐蝕可以直接明確測量的部位,簡單的指示器即可勝任。為了提高結構腐蝕監測的精度、降低其成本,在實際應用中還應進一步考慮傳感器優化配置的問題。例如,如何根據被監測結構的特點和要求,在經濟性、質量和成本等條件的約束下,合理選擇傳感器類型,確定傳感器的最優數目和最優布局。對于壽命較長的結構而言,研究傳感器的可靠性如何對整個監測系統的可靠性產生影響等。在此基礎上,為進一步降低維護成本和促進腐蝕監測傳感器的廣泛應用,在降低其成本方面的努力也是十分必要的。

4.3 腐蝕監測系統的集成化.智能化和網絡化

未來腐蝕防護發展的主流趨勢是腐蝕監測系統的集成化、智能化和網絡化,主要體現在以下3個方面。

1)腐蝕監測系統的集成化是提高腐蝕監測精度的必然要求,而智能化是微處理器與儀器一體化的實現,它不僅要能測試、輸出監測信號,還可以對監測進行存儲、提取、加工、處理,滿足動態的、快速的、多參數的各種測量和數據處理的需要。

2)隨著數據庫、網絡技術的發展,監測系統也向著實時在線的智能化發展,可隨時將現場數據傳送到監控室,建立數據庫,實現網絡化管理和腐蝕監測數據的信息共享。

3)隨著信息技術及工業現場總線技術的發展和廣泛應用,腐蝕監測儀器由單一的便攜式工作模式向多點、實時、在線、連續的工作模式轉變將成為飛機結構腐蝕監測技術發展的必然趨勢。

5 結語

與傳統無損檢測相比,腐蝕監測技術可以隨時提供腐蝕信息,且免除手動測試,保證了測試結果的一致性和可靠性。同樣,腐蝕傳感器也可用于飛機整個服役期間對其他參數的監測工作。在飛機結構上安裝多功能微傳感器系統,可提供對腐蝕過程更好的了解和控制。

由于國內的飛機結構腐蝕監測技術研發起步較晚,還未得到應用。隨著飛機逐漸步入老齡化、腐蝕方面的問題日益突出,對及時發現和有效控制飛機結構腐蝕方面的要求也會越來越迫切,應當及早著手進行腐蝕監測技術的研究、開發和應用。在前人探索的基礎上,可先在技術較為成熟的線性極化技術、電阻探針技術、電化學阻抗光譜技術、電化學噪聲技術和光學傳感器技術等方面開展腐蝕監測系統的研制工作和應用研究。當前需要重點研究的內容主要包括以下3個方面。

1)開展傳感系統的材料性能指標、傳感器構件性能指標等方面的實驗測試與表征,獲得較為完整的基礎數據。

2)深入開展腐蝕傳感系統在實際飛機結構上的應用研究,解決可用性、與結構的相容性及耐久性等方面的問題。

3)加強腐蝕傳感系統在典型結構模擬件上的考核驗證。在此基礎上,在實際飛機結構上獲得領先應用和推廣。

這不僅可解決腐蝕監測系統在飛機結構實際應用中的關鍵技術難題,而且從根本上提高其可靠性、耐久性(使用壽命),從而提高其技術成熟度,推動其進入實際應用階段。期待經過高效而長足的發展,腐蝕監測傳感系統能夠在國內軍機和民機上得到大規模應用,在提前警示預告、改善飛行安全、降低維護費用、提高飛機可用率和延長飛機壽命等方面發揮重要作用,為我國防安全和航空業發展提供有力保障。

[1] 曾凡陽,劉元海,丁玉潔.海洋環境下軍用飛機腐蝕及其系統控制工程[J].裝備環境工程,2013,10(6): 77—81. ZENG Fan-yang,LIU Yuan-hai,DING Yu-jie.Research on Corrosion and System Engineering Control Technology of Military Aircraft Marine Environment[J].Equipment Environmental Engineering,2013,10(6):77—81.

[2] 陳群志,房振乾,康獻海.軍用飛機外場腐蝕防護方法研究[J].裝備環境工程,2011,8(2):72—77. CHEN Qun-zhi,FANG Zhen-qian,KANG Xian-hai.Methods for Military Aircraft Field Corrosion Prevention and Control[J].Equipment Environmental Engineering, 2011,8(2):72—77.

[3] 王印旭,初鳳紅.光纖金屬腐蝕傳感器研究及應用進展[J].全面腐蝕控制,2010,24(9):7—11. WANG Yin-xu,CHU Feng-hong.Reviews on Research Progress and Application of Optical Fiber Metal Corrosion Sensors[J].Total Corrosion Control,2010,24(9):7—11.

[4] 王瑞峰,王國才,蘇維國,等.航空鋁合金材料大氣腐蝕環境因子灰色關聯分析[J].裝備環境工程,2013, 10(3):6—31. WANG Rei-feng,WANG Guo-cai,SU Wei-guo,et al.Application of Grey Relational Analysis to Environmental Factors of Atmospheric Corrosion of Aerospace Aluminum Alloys[J].Equipment Environmental Engineering,2013, 10(3):26—31.

[5] 李旭東,朱武峰,穆志韜,等.LD2鋁合金腐蝕行為研究[J].裝備環境工程,2013,10(1):8—12. LI Xu-dong,ZHU Wu-feng,MU Zhi-tao,et al.Corrosion Behavior Investigation of LD2 Aluminum Alloy[J].Equipment Environmental Engineering,2013,10(1):8—12.

[6] 雒婭楠.碳鋼光纖腐蝕傳感器的敏感膜制備及傳感特性研究[D].天津:天津大學,2003. LUO Ya-nan.Preparation of Carbon Steel Fiber Optics Corrosion Sensors and Their Sensing Performance[D].Tianjin:Tianjin University,2003.

[7] MURALIDHARAN S,SARASWATHY V,BERCHMANS L J,et al.Nickel Ferrite(NiFe2O4):A Possible Candidate Material as Reference Electrode for Corrosion Monitoring of Steel in Concrete Environments[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2010,145(1):225—231.

[8] GHOLIZADEH A R,KHALAFI H.Corrosion Monitoring and Determination of Aluminum Fuel Clad of Tehran Research Reactor(TRR)[J].Progress in Nuclear Energy, 2010,52(2):225—258.

[9] CUEVAS-ARTEAGA C,URUCHURTU-CHAVARíN J,PORCAYO-CALDERON J,et al.Study of Molten Salt Corrosion of HK-40m Alloy Applying Linear Polarization Resistance and Conventional Weight Loss Techniques[J].Corrosion Science,2004,46(11):2663—2679.

[10]BROWN D,DARR D,MORSE J,et al.Real-time Corrosion Monitoring of Aircraft Structures with Prognostic Applications[C]//Annual Conference of the Prognostics and Health Management Society.2012.

[11]TRATHEN P N.Structural Health Monitoring for Corrosion on Military Aircraft[R].Institute of Materials Engineering Australasia Ltd,2009.

[12]LI S Y,JUNG S W,PARK K W,et al.Kinetic Study on Corrosion of Steel in Soil Environments Using Electrical Resistance Sensor Technique[J].Materials Chemistry and Physics,2007,103(1):9—13.

[13]OSKUIE A A,SHAHRABI T,SHAHRIARI A,et al.Electrochemical Impedance Spectroscopy Analysis of X70 Pipeline Steel Stress Corrosion Cracking in High pH Carbonate Solution[J].Corrosion Science,2012,61:111—122.

[14]VERA CRUZ R P,NISHIKATA A,TSURU T.AC Impedance Monitoring of Pitting Corrosion of Stainless Steel Under a Wet Dry Cyclic Condition in Chloride Containing Environment[J].Corrosion Science,1996,38(8): 1397—1406.

[15]STONER B R,PIASCIK J R,BROWN B,et al.A Novel Array Chip to Monitor in Situ Composite Degradation U-sing Electrochemical Impedance Spectroscopy[J].Dental Materials,2011,27(8):811—817.

[16]BERTOCCI U,HUET F.Noise Analysis Applied to Electro-chemical Systems[J].Corrosion(Houston),1995,51 (2):131—144.

[17]IVERSON W P.Transient voltage changes produced in corroding metals and alloys[J].Journal of the Electrochemical Society,1968,115:617—618.

[18]ROBERGE P R,BEAUDOIN R,SASTRI V S.Electrochemical Noise Measurements for Field Applications[J]. Corrosion Science,1989,29(10):1231—1233.

[19]HLADKY K,DAWSON J L.The Measurement of Corrosion Using Electrochemical 1/f Noise[J].Corrosion Science,1982,22(3):231—237.

[20]NEI L,COMPTON R G.An Improved Clark-type Galvanic Sensor for Dissolved Oxygen[J].Sensors and Actuators B:Chemical,1996,30(2):83—87.

[21]ISMAIL A H,SCH?FER C,HEISS A,et al.An Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS)Assay Measuring the Calcification Inhibition Capacity in Biological Fluids[J].Biosensors and Bioelectronics,2011,26(12): 4702—4707.

[22]WILSON M S,NIE W Y.Electrochemical Multianalyte Immunoassays Using an Array-based Sensor[J].Analytical Chemistry,2006,78(8):2507—2513.

[23]盧基林,龐代文.生物電化學簡介[J].大學化學, 1998,13(2):30—35. LU Ji-lin,PANG Dai-wen.Introduction of Bioelectrochemistry[J].General Chemistry,1998,13(2):30—35.

[24]RUTHERFORD P,IKEGAMI R,SHRADER J,et al.Novel NDE Fibre-optic Corrosion Sensor[C]//SPIE.1996.

[25]黎學明,張勝濤,黃宗卿,等.鋼筋腐蝕監測的光纖傳感技術[J].腐蝕科學與防護技術,1999,11(3):169—173. LI Xue-ming,ZHANG Sheng-tao,HUANG Zong-qing,et al.Fiber Optics Sensing Technique for Monitoring Corrosion Steel in Reinforced Concrete[J].Corrosion Science and Protection Technology,1999,11(3):169—173.

[26]LI X M,CHEN W M,HUANG Z Q.Fiber Optic Corrosion Sensor Fabricated by Electrochemical Method[C]// SPIE.1998.

[27]ABDERRAHMANE S,HIMOUR A,KHERRAT R,et al. An Optical Fibre Corrosion Sensor with an Electroless Deposit of Ni-P[J].Sensors and Actuators B,2001,75(1/ 2):1—4.

[28]BENOUNIS M,JAFFREZIC-RENAULT N.Elaboration of an Optical Fibre Corrosion Sensor for Aircraft Applications [J].Sensors and Actuators B,2004,100(1/2):1—8.

[29]DONG S Y,LIAO Y B,TIAN Q.Sensing of Corrosion on Aluminum Surfaces by Use of Metallic Optical Fiber[J]. Applied Optics,2005,44(30):6334-6337.

[30]DONG S Y,LIAO Y B,TIAN Q,et al.Study on Different Preparing Methods of the Metallized Fiber Core for Optical Fiber Corrosion Sensor[C]//SPIE.2005.

[31]BOSSI R,CRISWELL T,IKEGAMI R,et al.Novel Methods for Aircraft Corrosion Monitoring[C]//SPIE,1995.

[32]MENDOZAT E A,KHALILT A N,SUNT Z,et al.Nondestructive Evaluation of Aging Aircraft,Airports,Aerospace Hardware,and Materials[C]//SPIE,1995.

[33]ASSOULI B,SRHIRI A,IDRISSI H.Characterization and Control of Selective Corrosion of α,β＇-Brass by Acoustic Emission[J].NDT International,2003,36(2):117— 126.

[34]TOMOHIRO G,MASASHI N,TOMONORI T,et al.In Situ Health Monitoring of Corrosion Resistant Polymers Exposed to Alkaline Solutions Using pH Indicators[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2006,119(1):27—32.

[35]HAUTEFEUILLE M,O＇FLYNN B,PETERS F,et al.Miniaturised Multi-MEMS Sensor Development[J].Microelectronics Reliability,2009,49:621—626.

Progress and Prospect of Corrosion Monitoring Techniques of Aircraft Structure

YU Hai-jiao,WANG Yu-ya,CHEN Qun-zhi
(Beijing Aeronautical Technology Research Center,Beijing 100076,China)

The classification of corrosion monitoring techniques was briefly introduced,the operating principles of the frequently used corrosion monitoring technique of aircraft structure were described,the advantages and disadvantages of each technique were presented,and the R&D and application state of the new-type corrosion monitoring systems were highlighted.Finally,the future development and prospects of the corrosion monitoring techniques were discussed on the basis of service characteristics and engineering practices of Chinese aircrafts.

corrosion;maintenance;corrosion monitoring

WANG Yu-ya(1974—),Male,Ph.D.,Senior engineer,Research focus:structural material corrosion and protection,life prediction.

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.012

TG174.3

:A

1672-9242(2014)06-0070-09

2014-10-25;

2014-11-04

Received:2014-10-25;Revised:2014-11-04

于海蛟(1982—),女,內蒙古人,博士,工程師,主要從事飛機結構日歷壽命、疲勞壽命、以及飛機結構的腐蝕與防護等方面的研究。Biography:YU Hai-jiao(1982—),Female,from Inner Mongolia,Ph.D.,Engineer,Research focus:calendar life and fatigue life of aircraft structure, and corrosion and protection of airframe.

王逾涯(1974—),男,博士,高級工程師,主要研究方向為結構材料腐蝕與防護,壽命預測。