ATR-72飛機PW-127F發動機在役過程中的孔探檢測（下）

2   發動機AV0045空中停車的事故調查

2009年3月13日，ATR-72/B-3027飛機在執行CZ6674航班時，左發（PW-127F/AV0045）發生空中停車事件。地面檢查發現該發動機第1級功率渦輪轉子一片葉片斷裂，第二級功率渦輪轉子葉片全部被打斷。經現場和孔探檢測，證實該發動機空中停車是由于發動機第1級功率渦輪葉片斷裂，并將下游部件打傷所致。

2.1   檢查發現的損傷

所有的第二級功率渦輪轉子葉片從葉根部位置斷裂。

2-3點鐘位置的第二級功率渦輪導向器葉片斷裂，其它位置的導向器葉片均嚴重打傷。

有一片第1級功率渦輪轉子葉片從根部斷裂，其它轉子葉片后緣明顯打傷，但這些葉片的前緣均狀況良好。

低壓渦輪轉子、導向器葉片狀況均正常。

高壓渦輪轉子、導向器葉片狀況均正常。

進氣道、低壓壓氣機和燃燒室狀況均正常。

左發尾噴管和隔熱護套均有損傷現象。

另外從跑道收集到了大量的金屬碎屑。

2.2   現場照片

圖5  左發2-3點鐘位置的第二級            圖6  功率渦輪殘片

功率渦輪導向器葉片斷裂             

2.3   該發動機前期使用狀況調查

我們對空中停車發動機（序號:AV0045）近期孔探記錄進行了復查:

2008年8月28日，孔探發現燃燒室外環多處燒蝕且其中有兩處有裂紋、燒洞，6點鐘方向的外環有材料丟失現象；一片高壓渦輪導向器葉盆處燒蝕并有裂紋；都在發動機維護手冊允許范圍內。

 2008年11月8日，在上次發現的損傷基礎上發現燃燒室外環7點鐘方向有兩處材料丟失現象，其它損傷沒有擴展，都在發動機維護手冊允許范圍內。

 2009年1月11日,孔探上次發現的損傷沒有擴展

發動機故障：2008年11月1日至今，AV0045發動機*記錄。

2.3.1孔探記錄

表2   孔  探   記   錄

2.4 空中停車后孔探照片

     圖7  第1級功率渦輪罩環     圖8  第2級功率渦輪導向器嚴重損傷

圖9   第2級功率渦輪葉片嚴重損傷

圖10    第1級功率渦輪葉片斷裂

在此之前的2007年04月10日和2007年05月23日，3022飛機的右發AV0033和3025飛機的右發AV0039在飛行停場后，車間維護人員發現其漿葉被卡住不能正常轉動，并發現第2級功率渦輪葉片有不同程度的打傷。經孔探檢測發動機的熱部件，發現這兩臺發動機的損傷情況相似，其損傷是第1、2級功率渦輪轉子葉片嚴重打傷，導向器上部材料嚴重脫落，其中AV0039發動機的第1級功率渦輪轉子葉片離根部1/3處斷裂。因此這兩臺發動機先后返廠，廠家對損傷的原因正在研究，其結果待定。

1. 結合具體事例，針對性的提出解決問題的議案

為了避免發動機再次損傷，南航新疆分公司和飛機維修基地領導高度重視，多次召開專題會，要求在廠家未提供相應的檢查方法之前，應根據發動機的損傷情況和現有的孔探設備及孔探能力，對裝機后的PW-127F發動機進行檢查。孔探人員與工程技術人員按照各級領導的要求反復對損傷的情況、部位及檢測的圖片進行分析，認為造成發動機嚴重損傷的直接原因是由于第1級功率渦輪轉子葉片因扭矩過大使葉片斷裂，將其它部位打傷所致。為了提前有效檢查到轉子葉片的損傷，避免造成二次損傷，終確定了結合飛機在做周檢時，對第1、2級功率渦輪轉子葉片及罩環進行孔探檢測，重點檢查第1級功率渦輪轉子葉片上的裂紋缺陷。該項工作已完成孔探20臺/次，未見損傷。目前在沒有得到廠家的檢查要求之前孔探工作仍然繼續進行。

就此我們孔探部門專門打報告，就目前孔探存在的問題談了我們的認識:

2.5.1  關于PW127F發動機的孔探培訓的報告

PW127F發動機投入使用已十年有余，凡其重大故障的監控和排除都與孔探檢測有著密不可分的聯系。僅在1998－1999年由孔探發現的發動機內部結構損傷而吊下發動機就有十余臺。通過系統的分析和建議，使發動機廠家改進材料和工藝，其性能得到改善。但我們的孔探人員并沒有得到專業上的指導與培訓，就此我們曾向有關部門反映并寫過專門的申請。到目前為止，我們的孔探人員只是通過現有工藝和平時的經驗積累逐步形成一套孔探的方法，在日常的孔探檢測中始終保持認真負責和嚴謹的工作態度來完成孔探工作，但這并不能說明孔探人員對發動機內部結構的掌握。今年（2007）4月和5月PW-127F發動機出現兩起第1、2級功率渦輪及導向器被嚴重打傷，至今都沒有一個明確的分析報告。這說明孔探人員需要對PW-127F發動機系統的結構進行學習和觀摩，以便更好地在檢查中發現損傷缺陷，為分析損傷性質，提供可靠的依據。

1.   造成AV0045發動機空中停車的直接原因

上述事件發生后，以上兩臺發動機返廠分解，并將相關部件送P&WC公司進行調查，終調查結果是：由于葉片根部葉背中央部位存在金屬晶體間隙，并由這個晶體間隙開始產生疲勞并且擴展，終造成周圍區域拉力過載而斷裂^〔1〕。（事實證明我們沒有很好的掌握對1級功率渦輪及導向器的孔探檢測方法）

2.6  調查后采取的措施

2009年3月13日的空中停車，還是第1級功率渦輪轉子葉片斷裂，造成第二級功率渦輪轉子葉片嚴重損傷引起的。這引起了上級主管部門的嚴重關切（高度重視）。為了對此次發動機空中停車事件的原因做進一步調查，同時對AV0045發動機修理范圍、維修成本進行必要的控制和對發動機包修廠家的整體質量與技術控制體系進行一次綜合評估，我們建議公司結合此次AV0045發動機送修，派遣相關工程技術人員組成監修組進行監修工作。并且對AV0045發動機監修組主要任務提出了要求：

2.6.1  對AVIO公司^〔2〕的整體質量控制體系進行核查，確認其整體質量控制體系沒有大的疏漏；

2.6.2  對AVIO公司的工程控制體系進行核查，并根據核查情況提出具體的建議和今后的合作意向；

2.6.3  與AVIO公司就此次發動機空中停車事件共同對新疆ATR機隊發動機總體風險進行綜合評估，并協商安排后續的工程管理控制措施，以短時間消除機隊運行中的安全風險；

2.6.4  在發動機完成分解后，實地檢查AV0045發動機內部的具體損傷狀況，提供和完善發動機孔探的實施方案，明確AV0045發動機的修理范圍，對修理費用進行有效控制。

2.7   B-3027飛機左發（AV0045）空停的相關報告

南航新疆分公司飛機維修基地將斷裂的和其它打傷的第1級功率渦輪葉片送往普惠-加拿大實驗室，根據普惠公司提供的檢查報告^〔3〕，目視檢查有一片葉片從葉根處斷裂，這片斷裂葉片（SN=HMB78344）的殘余翼型后緣自平臺高度約0.175英寸，前緣自平臺高度0.250英寸。

根據普惠-加拿大提供的實驗室分析、化驗數據，導致AV0045發動機第1級功率渦輪轉子葉片的斷裂原因如下：

這個在平臺附近斷裂的第1級功率渦輪轉子葉片，首先是在葉片后緣尖部內部形成疲勞源，然后朝葉片前緣區域擴展，后在旋轉離心負載的因素下導致斷裂。

不能確定機械損傷和材料異常和形成這個疲勞裂紋的原因有關。

這個斷裂的第1級功率渦輪葉片，可能和LCF（低循環疲勞）因素有關。

  圖11  斷裂的和其它打傷的          圖12  序號為HMB78344葉片的斷面

           第1級功率渦輪葉片

這片斷裂葉片靠后緣位置的斷層區域顯示出了較深的顏色并且斷面比較平整，這種較深的顏色表明受到氧化后變色，也就說明這個斷面曾經在燃氣中暴露了一段時間。前緣斷面較淺的顏色說明相對于后緣的斷面，是新形成的。

圖13  斷裂葉片靠后緣位置           圖14  前緣斷面較淺的顏色

通過電子顯微鏡檢查發現后緣斷裂區域從后和向前位置有稍微不同的斷裂形態，后緣葉尖區域的斷面分布形態由沒有明顯特征的晶狀表面構成，符合低循環疲勞裂紋傳播特點并能夠說明疲勞裂紋的來源。在這個區域沒有現象表明有撞擊和冶金制造方面的問題。

   圖15  發現后緣斷裂區域                 圖16劃圈區域顯示出從晶面疲勞

符合低循環疲勞裂紋傳播特點        區域向葉片前緣發展的河狀線。

通過電子顯微鏡放大的劃圈位置，顯示出從晶面疲勞區域向葉片前緣發展的河狀線。

圖17  顯示出疲勞向前緣發展的過程  圖18  圈1處 金屬金相檢查在吸力邊

 的表面涂層有一條裂紋進入了葉片

使用電子顯微鏡掃描的圖15圈區域斷層面上，顯示出了很多海灘層疊狀痕跡，它們能顯示出疲勞向前緣發展的過程。

在葉片中部區域的斷裂表面，顯示出了由于超載導致的漣漪狀斷層，前緣區域也顯示出了因超載導致的樹杈狀斷層。

在葉片后緣斷裂的晶體表面有一個交叉的部分，金屬金相檢查在吸力邊的表面涂層有一條裂紋進入了葉片，并且有一個在限制范圍內的孔隙（圈2），在壓力邊的表面涂層還有一些腐蝕（圈3），在斷裂區域的表面沒有發現制造上的缺陷。

這個斷層區域的顯微結構顯示到微克級別的主要結構沒有受到高溫影響的證據。使用一個標準的半定量電子顯微-能量、光譜色散分析這個功率渦輪葉片，顯示葉片的主要合金材料的成份符合要求。通過光學檢查其它的功率渦輪葉片靠近平臺區域的后緣，顯示只有裂紋和打擊損傷有關，這些其它葉片應該是在二次損傷的作用下斷裂的。

2.8  信息的反饋與孔探人員培訓的重要

孔探人員根據金相顯微分析從中可以得到哪些方面的信息呢？以上述結論為列：第1級功率渦輪葉片的斷裂如果是材料及加工工藝方面的問題，其損傷有可能是以晶界延展的形式展開的，這種損傷形態的變化具有很大的不確定性，孔探很難有效地監控。制造廠家必須從根本上消除損傷的隱患。

如果第1級功率渦輪葉片的斷裂是因為材料疲勞產生的裂紋引起的，孔探則是有效的監控手段。但是廠家必須給予必要的指導，以便孔探人員準確的有效的實施監控。在這方面我們孔探人員沒有得到有效的指導和培訓，致使我們不能熟練地、有效地觀察到可變地、有損傷部位的發生和發展。（從熱電偶孔看）

自引進該型號的飛機以來，PW-127F發動機孔探檢測就沒有得到有效的培訓，孔探技術人員其責任使得他們通過實踐不斷的總結經驗，而經驗的獲得需要一個時段的過程，這個過程可以通過培訓得到縮短。以至于我們在很長的時段里不能很好的把握孔探檢測的技能及損傷部位的界定。

就孔探檢測而言，同一型號的發動機孔探檢測經驗的交流是必要的，但就PW-127F發動機來講，其特殊性使得我們無法在國內通過交流而得到提高，唯有把受損傷的發動機送到修理廠家進行熱檢和大修時，可相應了解發動機內部結構及損傷的狀況并對今后的孔探檢測提出相應的針對性規范和要求（送修發動機都會派相應的工程技術人員監察）。多次的要求，多次的打報告，上級主管部門并沒有給予明確的答復。當AV0045發動機空中停車，才派了一名孔探人員參與(而這已經是12年以后的事了)。因此可以這樣說，上級部門主管的重視是孔探人員提升技術要素的關鍵，這一問題隨后在南航的的幾次空停后得到了驗證，孔探的培訓及技術交流得到了明顯的改善，美國波音787飛機、巴西航空工業公司E-190飛機到位的前期，孔探人員就得到了培訓。中華人民共和國民用航空行業標準-航空器無損檢測-孔探人員資格考核與認證培訓也已經在實施中。

3   發動機孔探、視情監控與維修成本控制

發動機各部件：如高壓、低壓、風扇葉片，熱部件（燃燒室、高、中、低壓渦輪葉片）是允許有損傷的，并在發動機維修手冊中規定了其損傷容限。我們知道損傷的擴展是一個漸進的過程，在不增加維修成本的前提下，提高平均故障工作時間，降低飛機的營運成本，是我們必須注重的環節，因此把握損傷發展的過程確是非常之關鍵。隨著損傷的逐漸擴展，要隨時調整監控的時間間隔，預防損傷的突變，以確保飛機發動機的安全有效，孔探檢測在這里起著至關重要的作用。

這里我們以PW-127F發動機AV0045為例：此發動機在2003年7月8日送修，（飛行總小時6864h/起落5328架次）送廠大修，2003年8月25日修理返回，同年11月23日吊上3026飛機使用，直至發動機2005年2月4日被吊下。以下是我們的孔探記錄。

表3  孔   探   記   錄

2005年2月4日因6、7號軸承腔泄露滑油返廠修理，（總飛行小時：10113:35/總起落8327架次、修理后飛行小時3249:32/飛行起落2999架次）

     從孔探記錄中可以看出，隨著熱部件損傷部位的不同，損傷程度的不同，損傷發展速率的不同，我們隨時調整孔探檢測監控的時間間隔，以預防損傷的突變。

結束語：

十四年來ATR 飛機在役營運總算有了圓滿，當我們反思十四年維護的過程，有得所思：

專業技能的培訓是十分必要的，但這里存在一個誤區。這個問題到現在都沒有引起主管們的足夠認識。現行的孔探培訓一般都是在新發動機上教程的，隨后就要靠自我的長時間經驗積累。這種長時間的自我經驗積累極大的延緩了掌握孔探經驗及綜合技能的時機。從PW-127F發動機維護的過程中就說明了這一點。培訓要切合實際，要與相關的單位取經交流，要定期到相關的發動機維修廠家分解實習，以便使得孔探專業技術人員對各個熱部件的損傷形態、發展趨勢、認識判定有一個全面的結構上的理解。

對于單一多發的損傷，一定要與發動機制造廠家反應，堅持找到解決的方案。PW-127F發動機冷卻環損傷的終解決就是一個典型的范例。

突發故障一定要同專業主管技術人員溝通分析，找出發生故障的原因。從專業的角度闡述對故障的認識和看法，要說明自己的觀點。我們在AV0045發動機空中停車前兩年就打過該損傷的專題報告，事后證明我們的分析是有道理的。

孔探專業技術人員可以在控制損傷擴展、維修成本控制、預測大修及修理費用等方面做許多的工作。他們也可以參與到發動機熱部件損傷機理的分析中來。PW-127F發動機AV0045發動機空中停車過程的全過程參與，使得我們的孔探專業技術人員從更深的層面得到了提高。

注1   P&WC公司的事故調查報告

注2  AVIO公司是國外一家PW-127F發動機大修公司   

1. 普惠公司-加拿大實驗室提供的檢查報告