民用飞机无损检测手册编制技术及应用

**章绪论 1.1概述 1.1.1背景及意义 1． 航空器无损检测的由来 在民用飞机历史进程中，曾发生过多起惨烈的空难事件。例如：1974年，土耳其航空981航班由法国巴黎飞往英国伦敦途中，因液压管路扯断导致无法操控而出现爆炸性失压，飞机在巴黎郊区坠毁，机上机组人员和乘客全部遇难；1985年，日本航空123号航班空难事件，飞机因维修不当造成飞行时飞机尾部压力罩破裂发生爆炸性减压并失去液压操纵，飞机在高天原山坠毁；1989年，联合航空811号航班在飞行途中前货舱门突然失效爆裂开来，强大的内应力撕裂了整个右前侧机体，9名乘客被吸出客舱坠入太平洋。 事后经事故调查组调查得知，这些惨烈的空难大部分是由结构失效所导致的，而疲劳裂纹扩展使得结构剩余强度减少是结构失效的主要原因。为在裂纹发展初期检测出疲劳裂纹，因而衍生出了无损检测技术。 2． 关于无损检测技术 无损检测是基于材料存在缺陷而导致其物理性质发生变化这一事实，在不改变、不损害材料和工件的状态及使用性能的前提下，测量其相关物理或物性参数的变化量，从而判断材料和零部件是否存在缺陷的技术。无损检测利用材料组织结构异常引起物理量变化的原理，反过来用物理量的变化来推断材料组织结构的异常。 无损检测既是一门区别于设计、材料、工艺和产品的相对独立的技术，又是一门贯穿于民用飞机设计、研制、生产和使用全过程的综合技术： （1） 在设计阶段，用于支持损伤容限设计； （2） 在制造阶段，用于剔除不合格的原材料、胚料及工序不合格品，改进制造工艺，鉴定产品对验收标准的符合性，判断合格与否； （3） 在在役检测中，用于监测产品结构和状态的变化，确保产品运行的安全可靠［1］。 早期民用飞机无损检测技术主要指通过特定的方法对飞机选材时材料本身宏观缺陷检测的技术。而现代无损检测则是指以不影响使用和不降低可靠性的方式，对材料或制件进行宏观缺陷检测，几何特性测量，化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就材料或制件对特定应用的适用性进行评价的一门学科［2］。这种从检测到评定的演变可从飞机结构设计理念的发展来理解。 3． 发展历史回顾 早期的飞机设计过程中，设计人员认为只需在设计初期对材料中的宏观缺陷做好遴选，即可有效规避飞机在使用过程中出现结构破损而引发安全事故。因此设计人员只需将静力强度作为结构强度的唯一评判标准，依据静力强度分析技术来计算机体结构件的承载能力，在此基础上依据无损检测技术来分选出无缺陷的材料生产加工机体结构件。 但是随着航空运行技术逐渐成熟、航线运行飞机的日使用率逐渐提升，交付飞机的服役期限不断延长，在运行过程中出现了多起因疲劳缺陷而引发的飞机结构失效事故。经事故调查结果表明，失效结构的材料本身并未存在宏观缺陷，而是在飞机运行过程中由于局部应力集中及高频反复振动而引发疲劳结构失效。 为解决这类问题，设计人员在飞机结构设计中引入了安全寿命设计理念，要求设计的飞机除了进行静强度分析计算外还需进行疲劳损伤分析，一旦飞机运行过程中出现疲劳裂纹就认为相关结构的安全寿命期已经结束，应报废换新。应该指出的是，安全寿命设计固然提高了飞机的安全性，但没有充分利用结构件的损伤剩余强度，由此为航空公司带来了过高的运营成本，不利于航空业的发展。 20世纪50年代，由于疲劳引起的彗星飞机失事，造成了业界很大反响，通过分析提出了飞机结构必须符合破损安全的原理。美国联邦航空局在适航法规中也增加了破损安全的条款CAR 4b.270，其主要内容包括主结构设计需采用多传力路径，且**路径结构破坏后，剩余结构仍可以承受限制载荷。 1969年的F111事故和1977年的Dan Air 707事故后，对这些事故的研究中提出了设计原理修改的建议。1978年，美国联邦航空局（Federal Aviation Administration， FAA）正式将飞机结构的损伤容限设计列入型号审定的要求，并修改了适航条款FAR 25.571，要求评估结构的损伤容限和疲劳性能，并强调损伤的可检性和裂纹扩展速率分析。损伤容限设计要求损伤被检出前，能够保证结构能承受合理的载荷而不发生破坏或失效。 4． 无损检测技术应用 随着飞机设计理念的改变，无损检测技术由设计初期对材料分选逐渐渗入到飞机研制及运营的全寿命周期中，在民机设计研制阶段及运行阶段发挥着重要的作用。 民机产业中的无损检测工作是指民机在项目研制、生产、试飞和运行等阶段中，按照规定的程序，对原材料、零部件、试验件、结构件、机体及相关产品进行的无损检测与评价的过程。无损检测可以预防飞机机体结构类零件的失效，从而提升飞行安全。无损检测对飞机结构零部件/区域损伤的定性、定量的检测，则是损伤容限设计和飞机结构完整性要求的重要保障。 因此需要设计人员、结构分析人员、材料工艺人员和无损检测人员相互协作。 在飞机设计初期，明确要求设计部门必须考虑无损检测的实际检测能力，设计部门通过损伤容限分析确定疲劳裂纹可能出现的位置及可能的缺陷扩展尺寸，结合现有检测设备的检测灵敏度、分辨力确定检测项目的检测要求。 在生产制造阶段，生产部门接到设计图样、加工工艺文件后，在选取符合设计要求的原材料加工制造零部件过程中，通过无损检测技术对原材料的宏观缺陷、加工装配过程中的制造缺陷进行质量控制。 在飞机交付使用后，维修部门根据持续适航文件规定的无损检测周期和检查方法对飞机机体进行定期检测，以确保机体结构件的安全性和可靠性。同时，设计部门通过了解无损检测结果分析问题发生的原委，及时改进提高生产制造水平，可提高飞机运营的经济性、安全性和可靠性。 5． 关于无损检测手册 无损检测手册作为持续适航文件的重要组成部分，是民用飞机无损检测技术的规范性文件和重要技术依据。它规定了飞机某一特定结构部位无损检测的方法和要求，旨在为具有相关资格的无损检测人员提供飞机无损检测工作的技术指导，以保证对飞机结构进行无损检测程序的可行性、检测结果的可靠性，有效保障飞机结构完整性和性能可靠性，为飞机结构定寿、延寿提供必不可少的技术支撑。 无损检测手册编制技术不仅涵盖了无损检测方法、对比试块设计技术、检测结果评估技术等，同时也涵盖了无损检测手册的编制、验证、分发、修订等一系列规范及流程。 国外无损检测手册编制技术起步早、发展成熟，已形成一套完备的无损检测规范文件及质量控制体系。国内航空制造业以中国商飞为主制造商代表，为保障目前航线支线客机的正常运营，也已完成无损检测手册的编制、验证等工作，并用于支持支线飞机维护、维修。 本书以著者相关型号经验和教训为基础，从适航要求和行业要求出发，总结了国内现有型号技术应用经验，提出了适用的无损检测技术、无损检测项目分析、典型损伤数据管理、手册编制技术和管理要求，并总结形成无损检测程序编制技术规范、可靠性评价方法规范和无损检测手册编制流程，为民机无损检测手册编制及技术应用提供必要的理论与工程应用参考。 1.1.2手册应用场景 如前所述，无损检测在民用飞机维护过程中采用目视或其他无损检测方法检查、监控飞机结构或部件可能出现的环境损伤（包括应力腐蚀）、疲劳损伤或意外损伤等，精确判定飞机结构状态的实际情况，为维修方案的确定提供依据［3］。 民用飞机无损检测手册是机体、发动机和部件制造厂根据自身产品设计而编制的针对特定对象的无损检测程序无损检测程序： 某一既定无损检测方法对特定受检件实施无损检测的全部步骤。包括检测目的、检测使用的设备、仪器、材料及其调试状态和所需的准备工作以及对检测结果评判的要求。。主要应用于下述场合。 1． 例行无损检测 例行无损检测是根据航空器制造厂家的计划维修要求（scheduled maintenance requirements， SMR）计划维修要求（SMR）： 包含检测任务名称、检查门槛值、重复检查间隔和检测方法的计划维修任务文件。、适航限制项目（airworthiness limitation items， ALI）适航限制项目（ALI）： 设计批准书持有人在其持续适航文件的适航限制章节确定的强制维护措施，这些项目可能包括强制修改或更换时间、强制检查门槛值、重复检查间隔和检查方法。、飞机系统或部件厂家提供的维修要求和维修机队经验制定的维修任务，并由适航当局批准后颁发执行。这些文件概括性规定了飞机各系统、结构和动力装置的全部例行检查或维护工作及部件控制，以便检测或预防可能对飞机适航性有影响的任何故障。 例行无损检测任务规定了专门的检测项目、检查门槛值、重复检查间隔和检测方法。例行无损检测主要在飞机停厂大修时进行，如4C检执行的翼稍小翼根部梁R区超声检测［检查门槛值检查门槛值是指应当进行**次检查的那一刻所对应的飞行循环次数或者飞行小时，即首次检查期，以单机首次飞行作为起始时间开始计算。为8000飞行循环飞行循环是指一次完整的起飞和着陆程序（从起落架离地到起落架触地计为一次）。（flight cycle， FC）、重复检查间隔重复检查间隔是指在检查门槛值之后开始的检查，即一次检查到下一次检查之间的时间间隔。为4000FC、检测方法为超声检测］，由维修计划部门根据检测门槛值的限定确定维修工作安排，形成定检工卡。 2． 非例行无损检测 在贯彻服务通告（service bulletin， SB）、超手册修理、适航指令验证、设计更改验证以及事故调查与再现等涉及无损检测的工作时，制造厂家会首先引用无损检测手册相关章节作为施工的规范，但是如果所需的无损检测任务在无损检测手册中没有合适的程序，那么航空器制造厂家应编制单独的无损检测程序供用户使用，此类工作称为非例行无损检测。非例行无损检测工作产生的一般原因如下： （1） 航空器制造厂家或供应商发出服务通告（SB），在执行SB时会产生非例行无损检测工作； （2） 航前航后发现的雷击、鸟击、重着陆、砂石撞击等损伤产生的超手册的非例行无损检测工作； （3） 适航当局针对经合格审定后的某一航空产品制定的，要求该产品的设计、制造、使用及独立维修单位强制执行的有关检查要求，在执行适航指令（airworthiness directive， AD）时会产生非例行无损检测工作。 1.2手册简介 1.2.1手册标准简介 早期民用飞机的技术出版物都是由各飞机制造商自行编写，然后交付给航空公司。由于每个制造商技术出版物编写的内容和编排的方式各有不同，因此对于航空公司客户来说使用各个不同制造商飞机的技术出版物成为一个难题。 以美国几家主要的航空公司为主要成员的美国航空运输协会（Air Transport Association of American， ATA）于2000年3月颁布《航空维修资料规范》（ATA2200），规定了民用客机技术出版物的格式和内容标准。而随着欧洲空客公司的逐渐壮大，欧洲航空航天与国防工业协会（Aerospace and Defence Industries Association of Europe， ASD）制定了《基于公共源数据的技术出版物国际规范》（S1000D）。 目前，在民机技术出版物标准中使用范围*广、影响*大的两个标准就是ATA制定的ATA2200标准和ASD制定的S1000D标准。ATA2200标准和S1000D标准在飞机技术出版物的理念中有许多相似之处，主要体现如下。 （1） 主要服务对象都是维修类手册和服务通告。 （2） 内容要求都源自ATA100标准。 （3） 致力于技术出版物的数字化，使用SGML 标准通用标记语言（standard gene