飛機結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究進展

我國是一個海洋大國，為維護我國領海安全和經(jīng)濟發(fā)展，海洋/沿海地帶也已成為我國的軍事前沿戰(zhàn)略區(qū)域。隨著我國一路一帶建設，近海防御和遠海防衛(wèi)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，我國軍機上島上艦已趨于常態(tài)化。同時，隨著沿海和島礁實戰(zhàn)化訓練任務和航母訓練任務不斷推進和深化，軍用飛機的服役環(huán)境與以往相比發(fā)生很大變化，變得十分苛刻，它將長期面臨海洋的高溫、高濕、高鹽、高強度太陽輻照等嚴酷環(huán)境考驗。飛機結(jié)構(gòu)長期受到這些“四高”環(huán)境的作用，其金屬基體會產(chǎn)生腐蝕損傷，進而造成結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞，影響飛機的正常使用和合理維護，腐蝕損傷嚴重時會影響飛機的使用安全。在航空領域，飛機結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象非常普遍，由于結(jié)構(gòu)腐蝕引發(fā)的安全事故也是屢見不鮮。同時，飛機結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的控制及修理費用也非常巨大。腐蝕和疲勞是影響飛機結(jié)構(gòu)完整性的兩大核心問題，以往我國軍用飛機主要以陸基使用為主，相對于結(jié)構(gòu)的疲勞強度問題而言，結(jié)構(gòu)的腐蝕問題并不突出，因此多年來主要考慮載荷環(huán)境對軍用飛機結(jié)構(gòu)完整性的影響。隨著我國軍用飛機走向海洋，由陸基逐漸向海基轉(zhuǎn)變，飛機使用環(huán)境越來越惡劣，使用強度越來越高，在嚴酷的腐蝕環(huán)境下，腐蝕對飛機結(jié)構(gòu)完整性的影響越來越嚴重。如何及時發(fā)現(xiàn)軍用飛機結(jié)構(gòu)腐蝕，進而進行有效的防護和控制，是保證軍用飛機結(jié)構(gòu)完整性、降低維修保障費用亟需解決的現(xiàn)實問題。1腐蝕監(jiān)測技術(shù)原理及應用效益腐蝕監(jiān)測技術(shù)是無損檢測技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，是隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新技術(shù)。腐蝕監(jiān)測可利用各種儀器工具和分析方法，確定結(jié)構(gòu)材料在腐蝕環(huán)境中的腐蝕速率，及時為工程技術(shù)人員反饋結(jié)構(gòu)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(fā)生。傳感器是實施腐蝕監(jiān)測的最佳途徑，它可以較早地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕，很大程度上避免不必要的損失。腐蝕監(jiān)測技術(shù)方法的種類眾多。每種技術(shù)的成熟度也不盡相同。按腐蝕結(jié)果是否可以直接獲得，腐蝕監(jiān)測技術(shù)可以分為直接監(jiān)測和間接監(jiān)測兩種。直接監(jiān)測主要包括線性極化法、電阻探針法、電化學阻抗法、電化學噪聲法、直流法和電化學生物法等方法；間接監(jiān)測主要包括光學傳感、聲發(fā)射、pH值法以及腐蝕指示油漆等方法。使用過程中，每種腐蝕監(jiān)測方法都有其自身的特性，適合于監(jiān)測某一種或幾種類型的腐蝕，目前常用的腐蝕監(jiān)測技術(shù)如下表所示。表1常用腐蝕監(jiān)測技術(shù)方法原理優(yōu)點缺點線性極化法將被測金屬作為電極，利用一參比電極，控制電極電位測量電流或以恒定速率改變電位監(jiān)測電流或控制電流測量電位等，得到該極化電阻，從而得到腐蝕電流密度。在快速測定金屬瞬時腐蝕速率方面具有優(yōu)勢，經(jīng)濟性高。不適用導電性差的介質(zhì)，結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物時誤差較大。電化學噪聲法測量自然狀態(tài)（非極化）下兩個完全一樣的工作電極之間的電流及電流擾動。然后將電壓電流做傅里葉變化，做出PSD能量密度譜，通過算法計算出腐蝕指數(shù)等信息?？衫昧阕桦娏饔嫓y量，無需外加電位，可檢測多種腐蝕。對算法依賴性強，算法的適用性較低。電阻探針法當金屬結(jié)構(gòu)遭受腐蝕時，金屬橫截面積會減小，電阻相應增加。通過電阻增加與金屬厚度損耗的關系換算出金屬腐蝕速率及腐蝕深度?？蓪崿F(xiàn)在線監(jiān)測，簡單易維護、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟性高。腐蝕產(chǎn)物會造成較大誤差。電感探針法當探頭表面接觸的結(jié)構(gòu)由于腐蝕而變薄時，線圈內(nèi)空氣中磁力線長度增大，線圈的等效電感及感抗發(fā)生變化，通過測量探頭內(nèi)靠近敏感元件線圈的感抗變化檢測金屬損耗/腐蝕。響應時間短，相對于電阻值變化更明顯，且對溫度敏感性降低。對無磁性及弱磁性材料不適用、壽命短、機械應力會影響結(jié)果。電化學阻抗法通過阻抗變化表征結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)。測量速度快，對結(jié)構(gòu)干擾小。監(jiān)測面積小。直流法利用不同金屬制成的分離電極產(chǎn)生的直流電流或電壓反映腐蝕和環(huán)境的變化。體積小、質(zhì)量輕、成本小、易于安裝、壽命長。需要對輸出進行校準。電化學生物法以生物體成分(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，電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等)作為轉(zhuǎn)換元件，以電勢或電流為特征信號檢測腐蝕。電極制作簡便、靈敏度高、成本低、易于實現(xiàn)微型化。壽命有限且不適合長期暴露。光纖光柵法金屬腐蝕時產(chǎn)生的腐蝕應力被安裝在結(jié)構(gòu)上的光纖光柵傳感器檢測到，光纖光柵傳感器波長發(fā)生變化，通過波長變化表征腐蝕狀態(tài)。監(jiān)測范圍大，傳感器輕巧、抗干擾、耐腐蝕性強，可進行結(jié)構(gòu)的多點監(jiān)控。光纖光柵傳感器同時對結(jié)構(gòu)應變、環(huán)境溫度敏感，信號特征提取困難。放射性示蹤法利用放射性元素對材料進行標記，利用標記表面放射性的減少，可定量得到材料的損耗。靈敏度較高。費用高，實施困難，腐蝕產(chǎn)物須分離。腐蝕環(huán)境監(jiān)測通過監(jiān)測環(huán)境溫濕度、pH、氯離子含量等監(jiān)控腐蝕環(huán)境。有效、可長期監(jiān)測。須校準。導波法腐蝕后板結(jié)構(gòu)橫截面會發(fā)生變化，從而影響和分散導波，因此通過導波變化也可探測到橫截面的變化?？焖佟⒈憬?。被嚴重腐蝕時蘭姆波會嚴重衰減、對連接結(jié)構(gòu)等復雜結(jié)構(gòu)適用性差。聲發(fā)射法通過檢測結(jié)構(gòu)點蝕產(chǎn)生的應力波實現(xiàn)對腐蝕的監(jiān)測。監(jiān)測范圍大，使用多個傳感器可對腐蝕進行定位。結(jié)果不直觀、對噪聲干擾敏感。腐蝕是飛機結(jié)構(gòu)的一種主要損傷形式，達到一定程度后會誘發(fā)事故，嚴重情況下甚至會導致機毀人亡。一方面，腐蝕只能有效抑制而無法根本消除；另一方面，腐蝕會隨著飛機服役年限增加而日益增加，特別是當飛機超出了原定日歷壽命時更是如此。飛機結(jié)構(gòu)腐蝕控制要求已是飛機結(jié)構(gòu)完整性特別是耐久性要求的重要組成部分，在我國國家軍用標準及美國軍用規(guī)范中均有明確的闡述和規(guī)定。對于難以檢查和修理的結(jié)構(gòu)，腐蝕防護體系應在其整個使用壽命內(nèi)有效（指不會因腐蝕防護體系失效使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可經(jīng)濟修復的腐蝕損傷），而對其他結(jié)構(gòu)，應在不小于一個預定檢查周期內(nèi)有效。飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕是一個長期而復雜的過程，腐蝕介質(zhì)的類型、溫度、濕度、離子含量、應力狀態(tài)等都會對腐蝕過程有影響。飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷形式多樣，且往往具有分散性大、不確定性大、隱蔽性強等特點。傳統(tǒng)的目測、渦流等無損檢測方法往往存在檢測指標單一、可靠性較差等問題，特別是對于無損檢測實施不可達的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這些傳統(tǒng)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，人為因素依賴較大，容易漏檢，檢查不及時也會貽誤腐蝕修理最佳時機，因而飛機結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的早期識別和實時監(jiān)控面臨巨大挑戰(zhàn)。如果能夠監(jiān)控到飛機關鍵結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的發(fā)生及發(fā)展，則有利于優(yōu)化維護周期和程序，增加飛機可用性和安全性。發(fā)展適用于飛機關鍵結(jié)構(gòu)腐蝕損傷早期識別的監(jiān)測方法及儀器，及時診斷出由于腐蝕引起的“病變”、及時采取有效預防和控制措施，既可以避免重大事故的發(fā)生，又可以提高工作效率、降低維護費用、延長飛機日歷壽命。飛機結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展已成為腐蝕控制、重大事故預防和飛機延壽的重要前提和基礎，迫切需要發(fā)展?jié)M足嚴酷服役環(huán)境的腐蝕損傷實時在線監(jiān)測技術(shù)及儀器。2國外飛機結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀歐美國家很早就開始重視腐蝕對軍用飛機結(jié)構(gòu)完整性的影響，先后投入了大量經(jīng)費開展研究和試驗。美國海軍研究實驗室、空軍研究實驗室及波音公司等單位在多年腐蝕試驗、研究和數(shù)據(jù)積累的基礎上，不斷創(chuàng)新發(fā)展，應對飛機結(jié)構(gòu)腐蝕的理念已從“發(fā)現(xiàn)-修復”轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A防-預測-檢測-管理”。腐蝕損傷實時監(jiān)測技術(shù)作為實現(xiàn)先進理念轉(zhuǎn)變的主要技術(shù)保障，也得到了快速發(fā)展，技術(shù)成熟度不斷提升。美國、澳大利亞、英國和加拿大等國對新型腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的研制投入力度較大，已經(jīng)實現(xiàn)了較大的技術(shù)突破。新型腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的功能已經(jīng)擴展至可監(jiān)測包括溫度、濕度、pH、氯離子含量、環(huán)境介質(zhì)腐蝕性、涂層阻抗和基體腐蝕速率等腐蝕特征參量，基于電化學的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在軍、民用飛機上已經(jīng)實現(xiàn)了工程應用。1998年，美國海軍空戰(zhàn)中心研發(fā)了一種基于平行金屬電流反應的傳感器用于監(jiān)測腐蝕環(huán)境，如圖1所示，累積了大量飛機局部環(huán)境數(shù)據(jù)；2000年，他們又研發(fā)了基于線性極化電阻的腐蝕傳感器，該傳感器材料與被監(jiān)測結(jié)構(gòu)相同，可測量待測表面的腐蝕速率。圖1腐蝕監(jiān)測傳感器2005年，美國海軍在P-3C型飛機的8個部位安裝了電流式腐蝕傳感器，如圖2所示，對腐蝕電流進行監(jiān)測，電流式腐蝕傳感器有效降低了飛機的運營和支持成本，并提高了其可用性。圖2P-3C型飛機腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)安裝位置示意2005年，ABBOTT利用美國Battelle公司研發(fā)的基于直流腐蝕監(jiān)測傳感器對KC135、C141、C130、F16和F15s等飛機進行局部腐蝕監(jiān)測，每架飛機安裝了12～20個傳感器，記錄了超過200000個飛行小時，累積了大量的腐蝕數(shù)據(jù)，為后續(xù)腐蝕預測模型的開發(fā)奠定了基礎。澳大利亞的國防科技組織（DSTO）一直致力于研發(fā)用于飛機環(huán)境監(jiān)測的傳感器及儀器。1998年，他們將設計的一款環(huán)境監(jiān)測儀器用于P-3COrion型號飛機，2001年用于F-111型飛機，監(jiān)測飛機的潤濕時間。2008年，澳大利亞利用傳感器套件監(jiān)測飛機的腐蝕狀態(tài)與腐蝕環(huán)境來預測局部環(huán)境，并確定飛機結(jié)構(gòu)表面發(fā)生腐蝕的概率。2007年，美國西南研究所的YANG等發(fā)明了一種耦合多電極矩陣傳感器，該傳感器可以監(jiān)測局部腐蝕損傷深度。2010年，KERSTEN利用ANALATOM公司研發(fā)的商業(yè)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)AN101W對UH-1型老化飛機腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進行設計并完成布網(wǎng)，該傳感器系統(tǒng)包含16個傳感器（14個線性極化腐蝕速率傳感器和兩個溫濕度傳感器）、兩個數(shù)據(jù)記錄器、電源、電路系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸設備以及相關的數(shù)據(jù)處理軟件，該傳感器系統(tǒng)可以有效監(jiān)測飛機隱蔽區(qū)域發(fā)生的腐蝕損傷。2010年，美國LUNA公司研發(fā)了LS2A腐蝕監(jiān)測儀，該儀器是一個有線或無線傳感器節(jié)點，用于測量、記錄和分析環(huán)境及腐蝕性參數(shù)。LS2A腐蝕傳感器模塊可以實現(xiàn)對溫濕度、自由腐蝕、電偶腐蝕、電解質(zhì)電導率以及涂層失效的監(jiān)測。將腐蝕監(jiān)測傳感器節(jié)點部署于BellUH-1N旋翼飛機機身上，如圖3所示，收集在役飛機腐蝕相關的數(shù)據(jù)，提高維修效率，為延長老齡飛機的壽命并保證其安全飛行提供了技術(shù)支持。圖3UH-1N飛機上腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)安裝示意2010年，美國的MATERER等設計了一種被動無線腐蝕傳感器，該傳感器利用天線給線圈進行無線供能并接收信號，當結(jié)構(gòu)出于腐蝕損傷狀態(tài)時就會實時發(fā)送信號給天線。近年來，隨著腐蝕監(jiān)測傳感器及儀器的不斷優(yōu)化、升級和發(fā)展，美國、澳大利亞等國家在多架飛機上應用了腐蝕監(jiān)測技術(shù)，對環(huán)境與腐蝕進行了監(jiān)測。根據(jù)腐蝕傳感器監(jiān)測得到的溫濕度以及腐蝕狀態(tài)信息，建立環(huán)境、濕度與腐蝕之間的關系，并與飛機飛行模式以及所處基地的位置相關聯(lián)，證實了不同飛機空間、基地位置以及飛行模式與結(jié)構(gòu)腐蝕的相關性。3國內(nèi)飛機結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)進展以往我國軍用飛機主要是陸基使用為主，飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕問題并不突出，在飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境、腐蝕損傷及其監(jiān)測技術(shù)方面的研究起步較晚，且主要集中在小試樣的載荷/環(huán)境試驗，腐蝕監(jiān)測理論和實驗室可行性驗證。近幾年來，各型號飛機結(jié)構(gòu)都面臨嚴峻的腐蝕問題，因此國內(nèi)航空科研院所和高校逐漸開始重視腐蝕監(jiān)測技術(shù)的探索和研究，并已經(jīng)取得了一定的成果，腐蝕監(jiān)測技術(shù)也成為飛機結(jié)構(gòu)重要的研究方向。2002年，湖南大學的程英亮等利用電化學噪聲法研究了航空鋁合金材料在鹽水中的腐蝕行為，他們發(fā)現(xiàn)結(jié)合多種參數(shù)的電化學噪聲法可較好地檢測到點蝕的發(fā)生。2005年，浙江大學的張金濤采用電化學阻抗譜技術(shù)測量了浸泡過程中隨時間連續(xù)變化的涂層金屬體系的電化學阻抗譜，研究了與涂層性能、金屬腐蝕狀態(tài)相關各參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，定量評價了涂層的防護性能。2012年，西安交通大學的李云超開發(fā)了一種鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕傳感器并對其進行了可行性驗證。他利用電容-電阻式腐蝕傳感器和電阻式腐蝕傳感器監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕程度，如圖4所示，并利用電流式腐蝕傳感器監(jiān)測腐蝕速率與電量累積，如圖5所示，獲得不同腐蝕環(huán)境的嚴酷度，結(jié)構(gòu)易發(fā)生腐蝕的部位。圖4電阻式腐蝕傳感器圖5電流式腐蝕傳感器一種適用于低導電性環(huán)境的高阻涂層電化學阻抗測量傳感器被開發(fā)，它通過關聯(lián)涂層評價模型中不同等級的耐腐蝕能力與不同腐蝕程度試樣的阻抗，表征涂層老化損傷狀態(tài)，通過監(jiān)測電化學阻抗譜的特征頻率快速定性評價涂層性能。趙一昭等開發(fā)了一種基于線性極化電阻的腐蝕傳感器，通過線性極化法擬合得到的腐蝕深度與加速腐蝕試驗得到的腐蝕深度的相關程度，并驗證了腐蝕傳感器的有效性和該方法的可行性。2014年，南京航空航天大學科研團隊針對影響腐蝕的4個關鍵環(huán)境參數(shù)（溫度、相對濕度、濕潤時間和氯離子含量），提出一種用于小型化飛機腐蝕環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)，討論其傳感方法和相應傳感器選型。2018年，王文龍等設計了一款具有監(jiān)測氯離子含量、pH、溫濕度與潤濕時間功能的傳感器單元，并構(gòu)建了航空腐蝕環(huán)境多參量集成監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多參量實時采集、處理儲存與通信等功能。2019年，董葉語對鹽霧環(huán)境中的涂層老化進行了研究，設計了基于機電阻抗法的柔性主動壓電傳感器，并驗證了基于電化學阻抗法的涂層監(jiān)測傳感器評估氣相環(huán)境中涂層損傷的可行性。航空工業(yè)特飛所開展了基于電化學阻抗原理的腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究，突破了大氣環(huán)境高阻涂層阻抗精密測量技術(shù)和微電流測量技術(shù)，該技術(shù)主要用于監(jiān)測環(huán)境要素、涂層阻抗和金屬腐蝕速率。3結(jié)束語與傳統(tǒng)無損檢測相比，腐蝕監(jiān)測技術(shù)可以隨時提供腐蝕信息，且免除手動測試，保證了測試結(jié)果的一致性和可靠性，在飛機結(jié)構(gòu)上安裝傳感器及監(jiān)測儀器，監(jiān)控飛機關鍵部位/結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕的全過程，有利于實時預防和控制腐蝕，也可為飛機定延壽提供更多數(shù)據(jù)支持。由于我國在飛機結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)研發(fā)方面起步較晚，技術(shù)水平還處在技術(shù)方案可行性論證和實驗室驗證階段，技術(shù)成熟度較低，缺乏系