作者：王春雨 吴雪猛 赵静 王宏卫 张洋
来源：《航空维修与工程》2021年第06期
摘要：某型航空发动机试车后多次出现燃油导管开裂，裂纹位于导管接头与管体焊接的热影响区。通过对导管开裂裂纹及金相组织进行检查，结合导管的制造、修理工艺进行综合分析，确定了导管的失效模式为装配残余应力过大造成的高周疲劳开裂，在发动机的振动作用下，导管外圆周向打磨处高的应力集中加速了疲劳裂纹的萌生和扩展，导致导管疲劳开裂。
关键词：航空发动机；燃油导管；疲劳；开裂；失效分析
Keywords：aero-engine；fuel pipe；fatigue；cracking；failure analysis
0 引言
发动机液压燃油系统的功用是为发动机提供各种服役状态所需的燃油，并使燃油呈雾状喷入燃烧室。导管作为输送燃油、液压油等介质的重要途径，在飞行过程中一旦失效，会产生严
重的后果，甚至酿成等级事故[1]。因此，燃油、液压系统的正常工作是保障航空装备飞行安全的重要条件[2]。
发动机燃油导管服役时主要承受发动机振动产生的振动应力、流体脉冲产生的冲击力以及高温部位产生的温度载荷[3]，此外，导管在安装、校形过程中的残余应力也会显著影响导管的可靠性和寿命[4]。从发动机导管失效的历史故障来看，导管开裂是发动机常见故障[5-7]，失效模式主要为高周疲劳断裂，断裂位置多位于焊接热影响区。
某型发动机大修检验试车过程中，出现多台发动机同一型号伺服燃油导管开裂漏油故障，开裂导管的宏观形貌如图1所示。开裂导管的规格为Φ8mm×1mm，材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，导管两端接头与管体采用手工火焰钎焊连接。开裂导管的服役时间均超过1000h，发动机大修时仅对导管进行荧光探伤、校形和液压试验，均未发现异常，发动机试车过程也无异常振动。
本文依据三台发动机故障导管开裂的宏观形貌、断口微观形貌及显微组织特征，结合导管的修理、装配工艺、发动机的工作状态，确定了导管失效的模式，分析了导管开裂的原因，提出了有效的改进措施，以避免此类故障的再次出现。
1 导管宏观检查
取1#、2#、3#三根故障燃油导管进行宏观观察，发现燃油导管均从接头与管体的焊接热影响区开裂。将三根开裂导管在裂纹处打开，三根燃油导管的裂纹源位置基本相同，均位于与两个安装孔对称线呈30°方向的外表面（见图2）。
1#导管裂纹长度占圆周长度的75%，2#导管裂纹长度占圆周长度的20%，3#导管裂纹长度占圆周长度的80%，三个导管裂纹断口都较为平坦，与燃油导管基本垂直，断口表面颜均匀，均呈银灰，新鲜无氧化，裂纹处的管壁未见明显的颈缩变形（见图3～图5）。三个导管裂纹处的外圆表面均可见周向打磨痕迹，未见明显的压伤、碰伤等痕迹（见图6）。
2 导管断口微观形貌观察
采用扫描电镜对3根导管断口进行观察，发现裂纹源为线源，源区位于外圆表面的横向打磨痕迹处，断口上可见由源区沿圆周两侧向内扩展的撕裂棱，源区微观可见细密的疲劳条带（见图7）。
断口圆周两侧的扩展区也可見细密的疲劳条带，导管扩展区前期的疲劳条带较细密，随
发动机漏油着裂纹的扩展，疲劳条带相对逐渐稀疏，燃油导管断口疲劳特征显著（见图8）。
3 导管显微组织金相检查
对导管接头、管体焊缝及焊接热影响区的金相组织进行检查，可看出导管焊缝区显微组织为奥氏体和呈枝晶分布的铁素体，焊接热影响区及母材显微组织为孪晶奥氏体和黑袋装的铁素体，焊缝存在少量的疏松和气孔缺陷（见图9、图10）。
4 综合分析
根据以上检查，1#、2#和3#燃油导管只是开裂扩展程度不同，裂纹打开后的断口特征相似：断口新鲜无氧化，裂纹源为线源，位于外圆表面的横向打磨痕迹处，断口上可见由源区沿圆周两侧向内扩展的撕裂棱，源区及扩展区微观均可见细密的疲劳条带，随着裂纹的扩展疲劳条带相对逐渐稀疏。燃油导管裂纹打开后断口有显著的疲劳特征，为高周弯曲疲劳开裂。
疲劳断裂是导管失效的主要形式，主要原因有材料缺陷、焊接缺陷、发动机振动、装配应力和柱塞泵燃油脉冲作用力等[4，5，9]，应力集中的存在会加速疲劳裂纹的萌生和扩展。
三根燃油导管开裂裂纹均位于接头焊接热影响区，原因是焊接热影响区强度较低，疲劳性能差，是导管的薄弱区[4]。三根导管开裂前的工作时间均超过1000h，且大修无损检测和液压试验时均未发现裂纹，说明燃油导管的设计、材料组织和表面质量不是开裂的主要因素。但三根燃油导管的裂纹均起源于外圆表面的横向打磨痕迹处，说明此处有较大的应力集中，促进了燃油导管的疲劳开裂[5，10，11]。导管均为线源起裂，且源区均位于同一方向，断口上有明显的撕裂棱，说明三根燃油导管接头处受到了较大的弯曲应力，且应力的方向一致，受燃油导管形状和装配位置限制，燃油导管接头处在装配后受到弯曲应力作用。发动机在工作过程中存在振动，在燃油导管接头部位会产生交变弯曲应力，燃油导管装配不当使燃油导管接头处在某个固定方向上受到较大的弯曲应力作用，两者叠加，使燃油导管接头处受到的交变弯曲应力幅值增大，且燃油导管表面周向打磨痕迹的应力集中作用使燃油导管受到的交变弯曲应力进一步增大，当超过燃油导管的疲劳极限时，加速了疲劳裂纹的萌生和扩展，导致导管疲劳开裂。
5 结论
1）三根发动机燃油导管失效模式均为高周弯曲疲劳开裂。
2）三个燃油导管高周弯曲疲劳开裂都是燃油导管受到较大的弯曲应力造成的。
3）燃油导管装配不当使其在固定方向上受到了较大的弯曲应力作用，在周向打磨痕迹处较高的应力集中作用下，加速了疲劳裂纹的萌生和扩展，导致导管疲劳开裂。
参考文献
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作者简介
王春雨，助理工程师，硕士，主要从事航空装备理化检测与失效分析等研究。
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