腐蝕監測系統在飛機上的應用

薛蒙,張登,張幸

(1.海軍裝備部裝備采購中心,北京100071;2.中國特種飛行器研究所,湖北荊門448035)

腐蝕監測系統在飛機上的應用

薛蒙1,張登2,張幸2

(1.海軍裝備部裝備采購中心,北京100071;2.中國特種飛行器研究所,湖北荊門448035)

摘.要:介紹了在飛機上應用的腐蝕監測系統的工作原理、監測功能和使用模式,總結了國外腐蝕監測系統在飛機上的應用現狀,指出了腐蝕監測系統研發及應用的關鍵技術,并提出了該腐蝕監測系統研發及應用的發展趨勢。

腐蝕監測系統;飛機;多電極耦合傳感器

在過去的十幾年,腐蝕監測技術隨著飛機維護費用的增高和飛機安全可靠性的提高顯得越來越重要[1]。2002年美國政府的統計顯示,每年航空裝備因腐蝕損失10億美元[2]。傳統的飛機維護費時費力,包括機體結構的拆卸、手工檢查部件和重裝機體結構。雖然一般檢查的結果都是無損傷,但是出于安全考慮,頻繁的檢測還是必須的。腐蝕監測技術的出現可以大大減少目前繁瑣的檢測程序,使得日常檢測僅僅只需要關注幾個特定的易腐蝕部位。現有的無損檢測技術具有局限性,許多情況下,只有在結構發生了嚴重腐蝕或裂紋的情況下,無損檢測設備才能識別,而此時結構可能已經需要更換。另外,腐蝕對飛機安全的影響也很大,飛機結構的腐蝕主要是電化學腐蝕,腐蝕的種類和形式多樣,有均勻腐蝕、晶間腐蝕、剝蝕、點蝕、磨蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等[3],對飛機防護體系有直接破壞作用[4],甚至直接影響飛機結構的強度及壽命[5—8]。為此,需要腐蝕監測技術在飛機上提供在線的早期腐蝕監測。目前國外一般采用腐蝕監測系統來實現飛機結構腐蝕的在線監測,可以及時監測腐蝕的發生、擴展速率等,以便盡早地發現、診斷及處理腐蝕損傷,可最大限度地降低腐蝕損壞所引起的代價。國內在飛機腐蝕監測方面尚未應用,在石油、化工等行業已有了一些較成熟的應用[9—12]。

1 飛機結構腐蝕監測系統的工作原理和監測功能

飛機上應用的腐蝕監測系統由探頭系統、腐蝕自動監測儀、腐蝕監測數據處理系統組成,如圖1所示。腐蝕監測系統的工作模式如圖2所示,將腐蝕自動監測儀、探頭系統安置在飛機結構密閉或不宜檢查的區域,對環境要素、涂層老化率、基體腐蝕速率等進行測量及監測。腐蝕自動監測儀具有臨時存儲數據和無線傳輸功能,飛機在執行任務時關閉無線傳輸裝置,等飛機執行完任務地面停放時,根據需要,可打開無線傳輸裝置通過無線傳輸方式或通過端口下載方式獲得腐蝕數據,傳入腐蝕監控數據處理系統中對腐蝕數據進行處理與分析。飛機結構腐蝕監測系統可監測溫度、濕度、pH值、氯離子濃度、環境介質腐蝕性、涂層老化率和基體腐蝕速率等。

圖1 腐蝕監測系統Fig.1 Corrosion monitor system

圖2 腐蝕監測系統工作模式原理Fig.2 The working pattern principle of the corrosion monitor system

在涂層老化率監測技術方面,主要基于電化學交流阻抗法(EIS)[13],將涂層涂覆在監測探頭表面,如圖3所示。對防腐蝕層體系施加不同頻率的激勵信號,可將帶防腐蝕層結構的電化學腐蝕電池通過電子元器件模擬出來,如圖4所示。根據電化學原理,就可以測試出防腐蝕層的電阻Rs等電化學特性,測量獲得的電荷轉移或極化的阻力與被監控表面的腐蝕速率成正比,以此表征防腐蝕層的性能。在腐蝕速率監測方面,主要基于多電極耦合傳感器方法[14],不需要外加激勵以及溶液環境,它將監測探頭分解為多個耦合電極,各個耦合電極在使用環境下形成正極或負極,腐蝕電流在各電極中進行傳遞,通過零電阻將各電極中的電流進行測試,給出腐蝕電流,實現腐蝕速率的測試,如圖5所示。

圖3 防腐蝕層電化學腐蝕監測示意Fig 3 The sketch of electrochemical corrosion monitoring for anti-corrosion coating

圖4 典型的EIS模擬電路Fig 4 Typical EIS analog circuit

圖5 多電極耦合傳感器原理示意Fig 5 The schematic diagram of multi-electrode coupling sensor

2 國外發展應用狀況

國外對飛機結構腐蝕監測技術非常重視,近10年來對新型腐蝕監測系統的研制投入力度較大,實現了較大的技術突破,研制的基于電化學的腐蝕監測系統實現了較大的技術突破,在軍、民用飛機上已經實現了工程應用。研究的新型腐蝕監測系統的功能已經擴展至可監測包括溫度、濕度、pH值、氯離子濃度、環境介質腐蝕性、涂層阻抗和基體腐蝕速率等[15]。

腐蝕監測技術在美國、澳大利亞、英國和加拿大等國已得到應用。美國LUNA公司開發了一種用于飛機的腐蝕監測系統,如圖6所示。一般將探頭系統和腐蝕自動監測儀在飛機上進行網絡布置,主要布置在易腐蝕區域和關鍵結構件部位,從而對飛機結構腐蝕狀態進行有效監測。美國P-3反潛巡邏機的腐蝕監測布置如圖7所示,共選擇了7個部位安裝腐蝕監測探頭系統和腐蝕自動監測儀,分別是平尾、中機身、機翼與機身連接處、發動機短艙、前機身、駕駛艙、機翼。

圖6 LUNA開發的腐蝕監控系統Fig.6 Corrosion monitor system developed by LUNA

圖7 美國P-3飛機腐蝕監測系統安裝部位Fig.7 Corrosion monitor system installation sites of the US P-3 aircraft

美國巴特爾研究所試驗中心研制的腐蝕監測系統可以通過測量厚度來表征腐蝕程度,并將成果用于在CP-140飛機上。如圖8所示,不同部位的傳感器將數據傳輸至處理中心,進行數據處理后得到各部位的腐蝕速率。該研究所研制的一種用于軍用直升機的腐蝕監測系統如圖9所示,該腐蝕監測系統可以考察環境參數對腐蝕速率的影響,從而確定清洗頻率、評價緩蝕劑和保護膜效果等。其成果已用于UH-60,CH-47,OH-58和AH-64D型號直升機上(如圖10所示)。

圖8 CP-140各部位腐蝕速率Fig.8 Corrosion rates at different sites of CP-140

圖9 用于軍用直升機的腐蝕監測系統Fig.9 Corrosion monitor system used on military helicopter

圖10 安置在直升機上的腐蝕監測系統Fig.10 Corrosion monitor system installed on helicopter

美國海洋警衛隊在HC-130,UH-60,HU-25飛機上安裝了幾十個薄片式腐蝕監測探頭,以監控結構的腐蝕速率及評定使用維護措施的有效性。美國海軍將腐蝕監測系統應用于C-130,F-16,H-60等飛機上,采集了3～5年的腐蝕環境或腐蝕速率數據,通過監測系統對清洗周期、緩蝕劑和防護體系的性能進行了在線評價。C-130飛機在美國代頓海洋環境下服役時腐蝕監測系統的輸出參數與飛機清洗周期的關系曲線如圖11所示。F-16D飛機上傳感器輸出參數與安置時間的關系曲線如圖12所示。由兩曲線圖可知,可根據腐蝕監測傳感器的輸出參數判斷飛機腐蝕的嚴重程度,以提供最佳維修時間。

圖11 C-130飛機上腐蝕監測傳感器輸出參數與清洗周期的關系曲線Fig.11 Relationship between the output parameters and wash intervals of the corrosion monitoring sensor on C-130 aircraft

圖12 F-16D飛機上腐蝕監測傳感器輸出參數與時間關系曲線Fig.12 Relationship between the output parameters and time of the corrosion monitoring sensor on F-16D aircraft

目前國外使用腐蝕監測系統重點可以實現以下目的:評定防護體系在服役環境下的適應性;評定緩蝕劑/防腐劑的性能;確定飛機結構的清洗周期;實現環境要素的監測及環境嚴酷性的評定;在線監測結構的腐蝕速率(尤其是不易檢查區域);為視情維修(CBM)提供參考,據此確定最佳的維修時間及維修方案,避免過早維修導致人力、物力的增加,及維修滯后導致的結構性能下降,甚至產生嚴重后果;節省腐蝕維修成本20%以上。

3 飛機結構腐蝕監測系統的發展趨勢

隨著電化學監測技術的發展,基于電化學原理的腐蝕監測系統在腐蝕監測中體現了其特有的優勢。電化學腐蝕監測系統檢測靈敏度高,可實現防護體系、基體金屬的早期腐蝕監控,傳感器體積小,耐環境,可進行無線監測,國外已在多個型號的飛機上使用。

目前,在航空、民用工業領域,國內電化學腐蝕監測商品化儀器還很少,針對飛機結構腐蝕損傷監測的電化學傳感器尚未有所聞,在國內仍屬于空白狀態。制約飛機結構腐蝕監測系統研發及應用的關鍵技術主要體現在以下3個方面。

1)低導電性環境下高阻涂層的阻抗精密測量技術。飛機結構一般處于鹽霧、濕熱等低導電性潮濕空氣環境下,傳統電化學腐蝕的測量技術測量精度低、抗干擾能力差,不適于高阻涂層的阻抗衰變監測,是飛機結構腐蝕監測系統研發的制約因素之一,研究低導電性環境下高阻涂層的阻抗精密測量技術是今后的發展趨勢。

2)腐蝕特征量與監測系統信號的映射關系建立。基于電化學原理,準確建立腐蝕特征量與腐蝕監測系統輸出信號的映射關系本身是一個難點,另外監測系統信號受外界環境如溫度、濕度等的干擾。在腐蝕特征量與監測系統信號的映射關系建立過程中,需要修正環境所帶來的影響,準確建立腐蝕特征量與監測系統信號的映射關系是提高腐蝕監測系統監測精準度的發展趨勢。

3)涂層失效閥值分析技術。傳統的涂層失效主要是通過外觀(如剝落、粉化、起泡等)來定性評定,基于電化學原理的腐蝕監測系統可監測涂層老化率進行定量評定,涂層老化率與涂層含水率、涂層阻抗和涂層介電常數等表征量的關系及涂層老化率的表征形式是難點。建立涂層老化率分級標準時要與涂層外觀一致,需要進行大量試驗探索,研究涂層失效閥值分析技術也將成為今后的發展趨勢。

4 結語

總之,研制新型低成本、高耐久性、小體積、高集成度、易于制造和使用的腐蝕監測系統;實現低電導率環境(鹽霧、濕熱、涂料介質等)下pH值、濕度、溫度、氯離子濃度、基體腐蝕速率、涂層老化等的監測;通過腐蝕損傷監測評定材料、防護體系、緩蝕劑的耐蝕性能;逐步實現構件為單位的腐蝕損傷監測及控制體系;可靠布置機隊的在線腐蝕監控網絡;建立數據處理和信息反饋系統等,是當今國際上的發展趨勢。

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Application of Corrosion Monitor Systems in Aircraft

XUE Meng1,ZHANG Deng2,ZHANG Xing2

(1.Equipment Procurement Center of the Naval Armaments Department,Beijing 100071,China; 2.China Special Vehicle Research Institute,Jingmen 448035,China)

The working theory,monitoring functions and using methods of corrosion monitor systems for aircraft applications were introduced,the aircraft applications of corrosion monitor systems in foreign countries were summarized,the key technologies for development and application of corrosion monitor systems were pointed out,and the development trends of the research and application of corrosion systems for aircraft applications were put forward.

corrosion monitor systems;aircraft;multi-electrode coupling senson

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.016

TG174.3

:A

1672-9242(2014)06-0095-05

2014-08-28;

2014-10-14

Received:2014-08-28;Revised:2014-10-14

薛蒙(1967—),男,山東人,碩士,高級工程師,主要從事腐蝕監測技術、海軍裝備采購等方面的工作。

Biography:XUE Meng(1967—),Male,from Shandong,Master,Senior engineer,Research focus:corrosion monitoring technology,marine equipment procurement and other aspects of the work.