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冷战结束后,由于东西方的军事对峙趋缓及全球性的经济不景气,各国的国防经费都遭到大幅度缩减,使大多数的军用飞机都需要延长使用年限,如此虽然可节省采购新机的花费,但老飞机结构上令人头痛的疲劳与腐蚀,则是延长服役期限时必须严肃以对的课题。 1 前言 东西方冷战时期,西方军用飞机的设计使用年限通常是20年到30年,为了维持对苏联的军事优势,这些军用飞机在到达使用年限后都会予以退役,但自1991年苏联瓦解后,双方的军事对峙一夜之间骤然消失,维持军事优势已无必要性,加上本世纪初的全球性经济不景气,国防经费遭到大幅度删减,使得许多的军用飞机在到达使用年限后仍然得继续服役,部分机型的服役时间甚至高达50年以上。 B-52“同温层堡垒”(Stratofortress)轰炸机是冷战时期美国的核轰炸主力,后一架B-52H于1962年出厂,原本预定在服役30年后的1992年退役,如今美国空军决定该机得继续服役到2040年,届时服役时间将逼近80岁,堪称是爷爷级的古董机。而于1961年进入美国空军服役的T-38“禽爪”(Talon)喷气教练机,原设计服役寿命为7,000飞行小时,但经过数次性能延长服役寿命后,在2013年时的实际飞行时数已达15,000飞行小时,等到预计的2026年退役时,实际飞行时数将达23,000小时,为原本设计值的3倍多。 T-38在1997~2001年的世纪之交更换了全新机翼,老机得以开新花 延长飞机使用年限固然可以省下采购新飞机的经费,但伴随着飞机使用时间的增加,飞机结构的疲劳(fatigue)及腐蚀(corrosion)问题也会随之一一浮现。根据一份1997年发表的研究报告,从1954年到1995年这40年间,全球共约发生2,800次飞机失事,其中由于结构问题导致的有67件,原因及百分比为︰其它及设计不良各占10.4%、维修不良占7.5%、超负荷(overload)占28.4%、疲劳及腐蚀占百分之43.2%。结构问题中疲劳及腐蚀危害烈,几乎占了一半,可见要维持老飞机的飞行,必须对结构疲劳及腐蚀有正确的认知及处置,而这也是目前各国空军现正面对的首要课题。 结构疲劳破坏典型破断面 2 疲劳 疲劳是指在低于材料极限强度(ultimate strength)的应力(stress)长期反复作用下,导致结构终于破坏的一种现象。由于总是发生在结构应力远低于设计容许应力的情况下,因此常能躲过一般人的注意而不被发觉,这也是疲劳危险的地方。 材料在承受反复应力的作用过程中,每一次的应力作用称为一个应力周期(cycle),此周期内的材料受力状态,由原本的无应力先到达正应力(拉伸应力),然后到达负应力(压缩应力),后回到无应力状态。在此受力过程中,每一个应力周期所经历的时间长短(即︰频率)与疲劳关系甚微,应力周期的振幅及累积次数才是决定疲劳破坏发生的时机;另外,压缩应力不会造成疲劳破坏,拉伸应力才是疲劳破坏的主因。 材料承受反复应力的作用过程 疲劳破坏大致分为两类︰低周期疲劳(low cycle fatigue)及高周期疲劳(high cycle fatigue)。一般而言,发生疲劳破坏时的应力周期次数少于十万次者,称为低周期疲劳;高于此次数者,称为高周期疲劳。低周期疲劳的作用应力较大,经常伴随着结构的塑性变形(plastic deformation);高周期疲劳的作用应力较小,结构变形通常维持在弹性(elastic)范围内,所以不致有变形。 材料疲劳破坏的进程分为三阶段︰裂纹初始(crack initiation)、裂纹成长(crack growth)、强制破坏(rupture)。材料表面瑕疵或是几何形状不连续处,材料晶格(lattice)在外力作用下沿结晶面(crystallography plane)相互滑移(slip),形成不可逆的差排(dislocation)移动,在张力及压力交替作用下,于材料表面形成外凸(extrusion)及内凹(intrusion),造成初始裂纹。这些初始裂纹在多次应力周期的拉伸应力连续拉扯下逐渐成长,并使材料承载面积缩减,降低材料的承载能力。当裂纹成长到临界长度(critical length)时,材料净承载面积下的应力已超过材料的极限强度,此时的材料强制破坏也就无法避免了。 飞机结构的疲劳破坏常发生于几何形状不连续处,因此在维护延长服役年限的老飞机时,对一些几何面积变化较大的位置,如︰R角、铆钉孔边……,都得特别留意。比较麻烦的是有些结构件在原本的设计负载下,预期使用期间不会有疲劳破坏的顾虑,因此未留下检查进手空间,或是结构需大部拆解后才有办法检查,这些位置在延长服役期间如果未能检查,就会有相当的潜在飞行风险。 3 腐蚀 腐蚀是个存在已久的老问题,亚热带高温潮湿的环境更有利于腐蚀的发生。本质上,腐蚀是个无法避免的过程,只能以适当的处置来延缓其发生或降低带来的损害,明白了常见的腐蚀及其或处置方式,对飞行或节省维修经费,都会有莫大的帮助。 广义来说,腐蚀是指材料受到环境介值预期外的侵袭所造成的材料性质退化。不论是金属、聚合物(polymer)、或陶瓷(ceramic)……皆难逃腐蚀。这是因为在自然界里,材料以矿石中硫化物(sulfide)或氧化物(oxide)型态存在的情况稳定,一旦经由各种精炼过程成为纯物质或合成物质的型态,就成为不稳定状态,而腐蚀就是材料恢复稳定的一种方式。例如:自然界的铁是以氧化铁的形式存在于矿石中,经过提炼之后成为纯铁或合金钢,但在岁月的侵袭下,终究会恢复到生锈的氧化铁。 一般人都有个错误的观念,认为腐蚀与空气湿度有直接的关系,因此潮湿的东南亚地区较容易发生腐蚀,而干燥的北美或欧洲大陆,则较不会有腐蚀的困扰。事实上,腐蚀的发生与空气湿度(Absolute Humidity)关系甚微,与空气相对湿度(Relative Humidity)则密不可分。此处的空气湿度就是一般人所认知的空气湿度,它是指在某一温度下,空气中所含的水蒸气含量;而空气相对湿度则是指在某一温度下,空气中的水蒸气含量与该温度下空气所能容纳的水蒸气含量之比值。当空气相对湿度到达某一临界值(Threshold)时,水蒸气会在金属表面形成水膜,促使电化学(electrochemical)反应发生,进而加快腐蚀速率,因此东南亚地区的年平均空气湿度固然高于北美或欧洲大陆地区,但两地区的年平均空气相对湿度则未必一定如此,事实上,全球大部分地区的年平均空气相对湿度大约都在70%到80%之间,换言之,不论是东南亚地区或是大陆型气候的美国,都会遭遇到相同程度的腐蚀问题。
镍基合金拥有较高的合金含量如Cr、NI、Mo等,在高温、强腐蚀环境下仍然拥有良好的综台性能,如:很强的抗酸、碱腐蚀能力;优良的耐高温腐蚀 应力腐蚀性能;有的在还原介质和氧化介质中也有良好的耐蚀住。被广泛泛应用于火力发电的烟气脱硫装置,废水处理;介质腐蚀性强的化学品、石化、海洋开发工业;环境恶劣的化学品生产,加热器 换热器、蒸发器 冷凝器和输送管线的制造;能源领域中的原子能发电、煤炭的综合利用,潮汐发电:海洋海洋环境的海洋构造物 ,海水淡化、海水热交换等 常用标准 ASTM B163(ASME SB163) 无缝镍和镍合金冷凝器及热交换器管 ASTM B165(ASME SB165) 无缝镍-铜合金无缝公称管和管子 ASTM B167(ASME SB167) 无缝镍-铬-铁合金和镍-铬-钴-钼合金无缝公称管和管子 ASTM B407(ASME SB407) 无缝镍-铁-铬合金公称管和管子 ASTM B423(ASME SB423) 无缝镍-铁-铬-钼-铜(UNS N08825和UNS N08221)公称管和管子 ASTM B444(ASME SB444) 无缝镍-铬-钼-铌合金(UNS N06625)和镍-铬-钼-硅合金(UNS N06219)公称管和管子 ASTM B622(ASME SB622) 无缝镍和镍-钴合金公称管和管子 ASTM B668(ASME SB668) UNS N08028无缝管 ASTM B690(ASME SB690) 无缝铁-镍-铬-钼(UNS N08366、UNS N08367)公称管和管子 ASTM B729(ASME SB729) 无缝UNS N08020、UNS N08026、UNS N08024镍合金公称管和管子 镍基合金材质 N02200, N04400, N06600, N06601, N06617, N06625, N06690, N08800, N08810, N08811, N08825, N08020, N08367, N08028, N06985, N06022, N10276, N10665等
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