海洋環境下機載設備的腐蝕現狀及分析

劉元海，張敬鋒，李秋平

（中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035）

引言

航空機載設備區別于機體結構部位和發動機部位，表現出多項獨有特點。機載設備的材料和結構復雜，精密度和集成度高，涉及多類金屬及非金屬材料，且存在大量的邊角、接縫、電偶及細小結構，腐蝕敏感區域多，涉及的腐蝕機制和腐蝕類型復雜，機載設備的外場腐蝕識別與檢查、維護與維修工作更加困難； 機載設備在考慮其使用功能時有些設計不得不為了得到獨特的電氣、機械和熱等性能，而犧牲部分防腐蝕設計，致使機載設備在腐蝕防護上表現出更顯著的“先天不足”； 機載設備多數具有密閉殼體結構，如電子設備機箱、模塊等，殼體內部積存濕氣和腐蝕介質之后腐蝕發生的隱蔽性強，且部分殼體在外場不可拆解，腐蝕檢查的可維護性降低，部分腐蝕維護和預防措施不可實施；飛機上機載設備種類多樣，數量龐大，分布在航空裝備的不同艙段和位置，一方面對外場腐蝕檢查等日常維護工作安排造成困擾，另一方面由于不同艙段和位置的局部腐蝕環境和環境控制條件差異，造成外場腐蝕預防與控制措施差別較大；同時機載設備功能性能特殊而多樣，腐蝕損傷類型和程度與設備故障表現的關聯性不顯著，部分精密設備對腐蝕極為敏感，微小的腐蝕也可能導致嚴重故障；同時，通電檢查正常的設備也可能內部已發生了嚴重腐蝕，當腐蝕達到一定程度或某些特殊誘因的作用下，出現突然失效。這就需要一方面豐富機載設備腐蝕檢查的方式、方法，提高細致程度，同時，也應考慮腐蝕預防與控制措施對設備功能性能可能帶來的不利影響，綜合設計防護對策，謹慎實施，避免產生負向影響和二次損傷。

1 機載設備外場故障數據分析

空軍飛機海島駐訓后天線系統、傳感器系統、燈組、線纜及電連接裝置、電傳計算機安裝架、管路等機載設備及部附件故障大多由腐蝕導致，超過總類型的50 %，主要與機載設備的防護涂層損傷、密封系統失效以及某些部位無法施加防護體系等問題相關。海軍航空裝備2011 至2015 年外場故障記錄數據調研顯示，數據母體總數共6 萬余條，經分析顯示，腐蝕故障行為包括結構腐蝕、電纜老化、開關卡滯、涂層鼓包等，其中在海軍固定翼飛機的腐蝕問題普查中共發現24 類由機載設備腐蝕引發的故障，超過腐蝕故障總量的50 %。海軍直升機安裝在氣動尾翼附近的傳感器腐蝕問題突出，在外場服役5 個月就發生了嚴重腐蝕。

從現有的明顯腐蝕問題統計中可以總結得到，腐蝕故障行為主要包括材料及工藝選擇不當、涂層體系選取及設計不合理、防腐蝕結構設計不充分等方面。

機載設備腐蝕相關故障頻發于機外或長時間開敞的區域內。機外傳感器由于其功能性能靈敏度較高，多數部附件在維護過程中無法施用防護涂層、緩蝕劑等防護體系，對于此類機外和長時間開敞區域內裝配的設備，在維護和修復過程中應重點關注。從故障數據角度看，設備艙內部主要存在緊固件銹蝕、霉菌、電連接裝置外殼和電接觸部位腐蝕等問題，雖然故障表現并不明顯，但部分設備外觀檢查可達性較低，應經常性配合通電檢查關注腐蝕問題。結合對外場故障數據的分析整理以及AD-A194 868《航空電子腐蝕》等國內外文獻，梳理總結出易發生腐蝕的機載設備類型及故障模式見表1。同時，對于艙內設備特別是機載電子設備而言，內部受潮等因素造成的設備故障由于外場不可拆解檢查，多數未與腐蝕性環境關聯，這類設備故障隱患極大，應予以足夠重視。

2 導致外場腐蝕問題的原因分析

2.1 腐蝕防護設計不足

1）機載設備防腐蝕設計標準要求不足

國內電子行業對電子產品耐鹽霧、耐濕熱、耐霉菌的需求提出了“三防”的要求，并形成了相應設計標準。可以認為，“三防”就是在環境工程領域對設備腐蝕防護與控制工作的習慣說法。

在航空裝備中，“三防”設計要求包含在《機載設備環境技術要求》等文件中，并在總師單位與成品研制單位簽訂的成品技術協議中明確。機載設備“三防”設計要求的內容在不同型號中存在一定差別，但均是針對濕熱、霉菌、鹽霧等環境因素單獨提出。后續型號研制中，“三防”設計要求的內容大幅度簡化，主要保留了試驗條件和合格判據，成為純粹的驗證要求。2015 年起，在海軍航空型號研制中，將“三防”要求在傳統的濕熱、霉菌、鹽霧三項基礎上補充了酸性大氣，擴展為四項，試驗條件也在GJB150A 的推薦條件基礎上進行了適當調整，示例見表3。機載設備“三防”設計要求規定的試驗條件為鑒定試驗條件，在產品的研制過程中，研制單位已通過該條件的考核為目標，開展產品的“三防”設計工作。總師單位或研制單位組織開展的各項研制試驗、摸底試驗等，大都按照該條件進行，試驗對象不僅包括設備整機，而且包括了材料/工藝樣件、結構模擬件等。產品的“三防”設計工作主要以“暴露問題—設計改進”的循環迭代方式進行。

表3 海軍某型號鹽霧環境技術要求示例

與機載設備的“三防”工作相對應，機體結構的腐蝕防護與控制工作由總師單位主導，目前逐漸形成了分層級設計和驗證的工作體系。以某型直升機機體結構為例，其設計和驗證工作主要分為材料/涂層、結構、大構件三個層級。材料和涂層體系優選階段，以系列化的長周期試驗為主，考核材料和涂層體系的腐蝕耐受能力；在結構設計階段，選取關重結構，對以首翻期為目標，對模擬件開展以CASS 譜為代表的組合式循環試驗，考核結構在綜合應力作用下的腐蝕防護能力、評估日歷壽命、優化維護維修的措施；在大構件驗證階段，則參考同型號機載設備“三防”試驗的條件，開展鹽霧、霉菌、濕熱試驗，一方面考核裝配連接部位的腐蝕敏感性，另一方面采用該試驗結論回答軍方的環境技術要求指標[1]。

相比于機體結構的腐蝕防護與控制工作，機載設備的“三防”設計與驗證工作更加粗略，考核驗證條件緩和而且針對不同層級對象基本不變，這樣就容易導致雖然產品能夠通過鑒定試驗考核，但“三防”環境的耐受能力無法保證，外場使用中腐蝕等相關問題頻繁出現。

針對于目前裝備或產品“三防”設計的現狀，對72家成品研制單位了問卷調查。結果顯示，目前在具體產品“三防”設計工作中存在的主要問題包括：

①大部分成品研制單位在產品“三防”設計過程中能夠考慮到鹽霧、霉菌、濕熱、污染性介質等廣域條件下氣候性環境因素的影響，但對局部環境中冷凝水、微液膜等微氣候環境形成和影響的認識不足，未能在“三防”設計初期引起足夠重視。

②部分成品研制單位對產品工作狀態下振動、磨損、電應力等載荷條件與“三防”環境的耦合損傷行為認識不夠深刻，不能在“三防”設計過程中對主要耦合性影響因素進行全面、有效的識別。

③部分成品研制單位在“三防”設計過程中對“三防”設計措施之間，以及“三防”設計措施與其他通用質量特性設計、產品功能性能設計之間的方案權衡考慮不夠充分。

④部分成品研制單位在“三防”設計過程中對密封設計、結構設計等重點設計措施的有效性未進行及時、充分的驗證，對產品“三防”整體設計的有效性未進行足夠的試驗驗證和評估。

2）防腐蝕設計手段不足

從現有的明顯腐蝕問題統計中可以總結得到，腐蝕故障行為主要包括材料及工藝選擇不當、涂層體系選取及設計不合理、防腐蝕結構設計不充分、異種金屬連接部位缺乏電絕緣防護、密封設計不足等方面。例如，在材料及工藝選擇方面，由于選擇了耐腐蝕性較差的材料，導致航電記錄與機載設備機箱的固定卡子金屬彈片銹蝕、結冰傳感器振動頭腐蝕、燈組殼體銹蝕等故障；在涂層體系選取及設計方面，由于漆膜結合力不足及涂裝工藝選取不當等原因，導致機載設備出現天線漆膜破損、傳感器絕緣保護漆脫落等故障模式。在防腐蝕結構設計方面，由于通風、排水、表面結構設計不當等原因，導致數字地圖計算機等機載設備內部產生積水，引發腐蝕問題的同時還將影響產品的電子電氣性能。同時，由于表面防腐蝕結構不合理還將產生緊固件銹蝕，電連接器進水、殼體銹蝕等故障。

以不銹鋼的選材和防護設計問題為例。機載產品中應用的不銹鋼材料包括0Cr18Ni9、13-8Mo、1Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti、2Cr13、304、314、316 和316L 等牌號，不銹鋼的耐腐蝕性通常由Ni 和Cr 的含量決定，二者含量越高，耐腐蝕性也越高，同時，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性通常優于馬氏體不銹鋼。在出現不銹鋼腐蝕的記錄中，腐蝕情況主要表現為表面損傷造成局部腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、焊接熱影響區腐蝕等[2]。

3）對腐蝕環境因素缺乏有效認識

腐蝕環境對裝備的影響都是從表面開始的，環境通過表面及表面微液膜對裝備產生影響。潮濕環境是形成微液膜的基礎，微液膜是腐蝕環境的作用基礎。例如對于金屬，在濕熱環境中其表面的微液膜為電化學腐蝕提供了環境基礎[3]。

環境通過表面對裝備產生影響的模式大多為通過表面微液膜對裝備產生的影響，大部分因腐蝕環境因素導致的失效都屬于此類，例如金屬在海洋大氣環境中發生的腐蝕；潮濕的環境中，某些有機涂層、高分子材料表面可能會生長霉菌。這種作用機制的基礎為濕熱環境下裝備表面產生的微液膜，取決于各環境因素以及裝備材料因素，其中環境因素包括環境濕度、溫度、日照、風、砂塵等，裝備材料因素包括材料類型、表面粗糙度、表面潔凈程度等。腐蝕環境因素不僅是單環境因素對腐蝕微液膜產生影響，而且存在著多環境因素的耦合效應，導致腐蝕的發生機制復雜。

目前對于復雜環境下設備的腐蝕機理研究不足，對于機載設備的環境考核以單因素腐蝕為主，考核試驗標準以單項試驗為主，其中的腐蝕環境適應性要求僅為對機載設備的最低使用要求。在實際服役壽命期環境中各腐蝕因子之間存在明顯的耦合作用，并且在這種嚴酷的綜合腐蝕環境下，設備很可能誘發新型并且嚴重的腐蝕模式。

由于設計人員對腐蝕環境因素缺乏有效認識，導致在目前的機載設備設計與用中存在著以下問題：①材料選擇方面：設計人員可能會選擇不適合腐蝕環境的材料，或者沒有考慮材料的耐腐蝕性能；②設計特點方面：設計人員可能會忽略一些特定的腐蝕環境因素，如溫度、濕度、PH 值等，從而導致設計的失誤；③維護保養方面：設計人員可能會忽略腐蝕環境對設備的影響，從而沒有考慮到日常維護保養的必要性；④安全性方面：設計人員可能會忽略腐蝕環境對設備安全性的影響，從而導致設備在使用過程中出現危險情況。

2.2 試驗驗證不足

1）現行試驗標準不能滿足飛機服役環境驗證的需求

現行標準中的試驗項目是對機載設備最低的環境試驗條件標準和可使用的試驗程序，在機載設備試驗考核中存在不統一、不完善的問題，仍需進一步規范。主要體現在：一是GJB 150A、HB 6167、DO-160 等腐蝕環境試驗標準已經不能滿足飛機在高濕熱、海洋環境下頻繁使用的模式需求，需要針對濕熱、海洋、艦載等環境增加針對性的考核試驗方法；二是加速腐蝕試驗方法和大部件、大系統腐蝕環境-功能試驗方法的編制、試驗程序、試驗判據等還未形成標準，仍是各個飛機自成一套理論；三是腐蝕防護鑒定試驗標準還未制定，考核判據沒有明確；四是還未建立機載設備“積木式+全壽命期”兩個維度的腐蝕環境適應性評價指標體系，尤其是對尚不成熟的或特殊部位/設備產品，急需形成規范和實施指南。

針對多環境要素耦合條件下的腐蝕環境-功能的試驗評價、鑒定體系不完善，試驗評價、鑒定標準體系發展滯后現狀，緊密結合海洋背景飛機研制過程中環境適應性需求，分析飛機部件/系統所處真實環境特點，明確關鍵考核要素、考核方法、考核指標，改變以往以單一環境要素考核結構、機載設備的不合理現狀，形成與現階段及未來飛機使用需求相匹配的，覆蓋材料、典型件、部件、系統的單一環境要素和多環境要素評價、鑒定標準。以部分型號為試點，將部件/系統在多環境要素耦合條件下的環境-載荷/運動/功能試驗納入鑒定試驗范疇，提高飛機的環境適應性，也為型號日歷壽命評定提供依據。

2）標準中的試驗條件不能覆蓋壽命期腐蝕環境

隨著使用范圍的逐漸擴展，常規的腐蝕環境試驗標準已不能夠滿足對產品壽命期環境考核的全覆蓋。

我國民機發展起步較晚，對民用機載設備在適航取證工作方面的經驗和技術積累上與國外同行相比尚有較大差距。目前，我國民用機載設備CTSO 中大量直接引進FAA 的有關標準，對其環境適應要求的考核基本也是直接引用RTCA/DO-160 各歷次版本。

我國于1989 年制定了HB 6167《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法》標準。該標準的編制原則是：與DO-160B 相同試驗項目與其等效，即技術內容和主要指標與DO-160B 完全相同，但內容安排方面可作編輯性修改，同時適當增加了試驗項目。隨著我國大飛機的研制，民機發展的需要，工業和信息化部啟動并完成了HB 6167 的修訂版，于2014 年頒布了HB 6167-2014《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法》標準。HB6167-2014 的編制原則是技術內容參照RTCA/DO-160G，兼顧繼承HB 6167-1989 的標準結構框架和試驗項目的編排順序，并增加部分試驗項目。

目前民機機載設備現行環境試驗標準以RTCA/DO-160G 為主，在腐蝕環境適應性試驗方面，包括濕熱試驗、霉菌試驗和鹽霧試驗等。但在標準中已說明標準規定的試驗要求是機載設備最低的環境試驗條件標準和可使用的試驗程序。這些試驗的目的是提供一個實驗室來考核產品在其使用環境中將會遇到的典型環境條件下的性能[4]。水面飛行器機載設備的使用環境、使用模式與一般的民用飛機有很大的不同，僅依據適航標準給出的最低要求，其機載設備在使用過程中已經發現了一些問題，因此需要對標準中的試驗條件進行適當調整與補充，從而覆蓋水面飛行器機載設備的腐蝕環境適應性考核需求。

3）失效判據存在分歧

目前，對機載產品在腐蝕試驗后的損傷失效評定仍存在較大分歧。在型號鑒定工作中，機載產品腐蝕損傷的失效判據設定較為嚴苛。通常要求被試產品在規定暴露期限內不能出現表面銹蝕等明顯的腐蝕缺陷，否則直接判定該產品腐蝕失效。而在產品規范和行業標準中，通常允許產品出現輕微腐蝕，更加關注試驗后產品的電氣性能和機械性能是否超過規定的范圍。例如，GJB 360B《電子及電氣元件試驗方法》明確規定僅當鹽霧試驗后的腐蝕缺陷面積超過除引線外的外殼鍍涂或底金屬面積的5 %時才被認為腐蝕失效。表4 為行業標準和規范中針對機載產品腐蝕損傷制定的失效判據。

表4 行業標準和規范中機載產品腐蝕損傷失效判據

除了對腐蝕面積、破壞形貌等表觀腐蝕缺陷進行限定外，機載產品的腐蝕損傷失效判據還對產品的核心功能性能指標的完整和有效性進行規范，尤其是將易受腐蝕損傷影響的功能性能納入考核參數體系。例如，GB/T 2423.19《接觸點和連接件的二氧化硫試驗》標準中明確規定將接觸電阻的變化作為電接觸和電連接產品的觀測指標。

從上述腐蝕防護設計要求及典型產品合格判據的設置情況可以看出，針對產品腐蝕防護設計缺陷，合格判據中主要聚焦產品功能性能是否超差，表面腐蝕缺陷面積、腐蝕深度是否超差，金屬涂鍍層是否出現嚴重腐蝕缺陷，涂覆防護涂層的金屬基體是否發生腐蝕等問題。對于產品功能性能的影響，試驗后均針對產品功能性能指標進行全面測試，根據相關指標判斷產品是否合格，并確定應采用的試驗周期。但對于結構、外觀等方面的腐蝕問題應由試驗室試驗暴露至何種程度需結合相關產品進一步確定，但可明確在合格判據中主要關注金屬材料選取、防護體系選用、涂層結合力及涂層質量、防腐蝕結構設計等問題，此類問題應在試驗周期內得以有效暴露。

3 結語

近年來機載設備的使用環境大大擴展，復雜環境下使用的機載設備沿用常規設計手段和驗證措施暴露了不少問題。本文通過統計海洋環境下機載設備因腐蝕引起的故障模式和故障類型，分析了現行設計方法和試驗條件的不足，并提出了初步的改進措施，但這些措施也需要在復雜環境下加以驗證和補充。相信隨著機載設備在海洋環境下使用經驗的積累，更多的思路和手段能豐富機載設備的設計技術和試驗方法。