Применение методики MSG-3 при проведении рейтинговой оценки коррозионных и случайных повреждений планера воздушного судна аттестованного типа на примере самолета Ту-154

УДК 620.193.013

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ MSG-3 ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РЕЙТИНГОВОЙ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННЫХ И СЛУЧАЙНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПЛАНЕРА ВОЗДУШНОГО СУДНА АТТЕСТОВАННОГО ТИПА НА

ПРИМЕРЕ САМОЛЕТА Ту-154

К.Э. АКОПЯН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.

В статье предложена и адаптирована методика рейтинговой оценки влияния коррозионных и случайных повреждений на целостность конструкции планера ВС.

Ключевые слова: рейтинговая оценка, конструктивно важный элемент, коррозионное повреждение, система оценки повреждений, фюзеляж, обшивка, шпангоут, стрингер.

В соответствии с Приложением 8 ИКАО (п. 4.3.7) для обеспечения летной годности воздушного судна (ВС) необходима программа сохранения целостности конструкции. "Программа сохранения целостности конструкции", помимо всего прочего, включает в себя "Программу предупреждения и контроля уровня коррозии" (ППКК) [1], которая должна содержать рекомендации по определению уровней коррозии, способам диагностики и восстановления, а также регистрации и отчетности результатов контроля. Степень коррозионной повреждаемости (КП) определяется по трехуровневой системе.

Уровень 1 коррозии:

- коррозионное повреждение, возникшее в период между двумя последовательными осмотрами, являющееся локальным, не выходящее за пределы, установленные производителем, которое может быть устранено по действующей ремонтной документации (Structure repair manual), или

- коррозионное повреждение, возникшее в период между двумя последовательными осмотрами, являющееся обширным, но находящееся значительно ниже пределов, определенных производителем, и может быть устранено по действующей документации или

- коррозионное повреждение, являющееся локальным, но в результате нескольких предшествующих устранений не может быть устранено без выхода за пределы, определенные производителем.

Уровень 2 коррозии:

- коррозионное повреждение, возникшее между двумя последовательными осмотрами, которое не может быть устранено без выхода за установленные ограничения и, следовательно, требующее ремонта, усиления или замены конструктивного элемента, или

- коррозионное повреждение, являющееся обширным, для устранения которого требуется приблизиться к установленным ограничениям.

Уровень 3 коррозии:

- коррозионное повреждение, найденное при первом осмотре, представляющее угрозу безопасности полетов и требующее принятия срочных мер.

Авиационные правила АП-25 содержат требование рассматривать в качестве источников повреждения конструкции, помимо усталости, коррозию и случайные повреждения. В МОС АП-25.571 представлен инструктивный материал общего характера по обеспечению соответствия вышеупомянутым требованиям авиационных правил. При этом никаких

конкретных методик по определению частоты осмотров, сроков службы элементов планера, оценке коррозионных и случайных повреждений в практике отечественных ОКБ нет [2].

В соответствии с МБО-Э ППКК разрабатывается как составная часть программы ТОиР планера. При этом предусмотрен следующий алгоритм действий. Конструкция ВС делится на зоны в соответствии со спецификациями Американской ассоциации воздушного транспорта. В пределах каждой зоны выделяются элементы конструкции, узлы, отдельные детали, сборочные единицы.

Следующим шагом является определение конструктивно важных элементов.

Конструктивно важный элемент - это сборочная единица, узел и т.д., который несет значительную нагрузку в полете и на земле, отказ которого может повлиять на безопасность полетов. В состав конструктивно важного элемента может входить принципиально важный элемент.

Принципиально важный элемент - элемент, несущий значительную нагрузку, чей отказ может привести к катастрофе. Все принципиально важные элементы являются конструктивно важными элементами, но не каждый конструктивно важный элемент является принципиально важным элементом. Конструктивные элементы, не являющиеся важными, считаются второстепенными или прочими.

Анализ конструкций проводится с помощью логической схемы, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Логическая схема для анализа конструкции воздушного судна

Каждый конструктивно важный элемент должен быть учтен в программе ТО конструкции и, следовательно, проанализирован на коррозионную и случайную повреждаемость с присвоением рейтинга для последующего определения периодичности ТО.

Фюзеляж самолета Ту-154 представляет собой цельнометаллическую конструкцию типа полумонокок с работающей обшивкой и силовым набором, состоящим из шпангоутов и стрингеров.

Фюзеляж состоит из трех технологических частей: передней, средней и хвостовой.

Передняя и средняя часть фюзеляжа представляют собой герметичный отсек, ограниченный гермошпангоутами №№4-5 и 67а.

Вышеуказанные отсеки расположены в герметичной части фюзеляжа, под полом пассажирской кабины.

В соответствии со спецификациями АТА-100 фюзеляж может быть разделен на главные зоны. Верхней части фюзеляжа (от пола пассажирской кабины и выше) присваивается номер 1, входящим в верхнюю часть фюзеляжа отсекам и помещениям присваиваются соответственно номера 101, 102 и т.д.

Нижней части фюзеляжа присваивается номер 2. Далее могут быть присвоены номера в следующем порядке: носовой обтекатель - 201, передний технический отдел - 202 , отсек передней опоры - 20Э, носовая стойка шасси - 20Э, технический отсек №2 - 205 и т.д.

Часть фюзеляжа с 22 по 41 шпангоут (стрингеры 21-Э6-21) состоит из двух отсеков: переднего грузового отделения, образованного шпангоутами 22-40, и отсека, образованного шпангоутами 40-41.

Указанные отсеки состоят из следующих конструктивных элементов: обшивки;

шпангоутов типовых 22-40; шпангоута усиленного 41; стрингеров;

выреза под дверь грузового отсека, образованного двумя шпангоутами, усиленными в зоне выреза, и двумя продольными балками;

балок пола, подкрепленных вертикальными стойками; продольных профилей по бортам фюзеляжа на уровне пола; продольных подцентропланных балок; фитингов;

продольных профилей грузового пола; профилей уголкового сечения; настила пола пассажирского салона; настила пола грузовых помещений;

вертикальных и горизонтальных зашивок грузового помещения; перегородок;

рельсов пассажирского пола.

Переднее грузовое отделение относится к отсекам, наиболее подверженным коррозии, что и определило выбор его для дальнейшего анализа. Применяя логику, описанную выше, можно определить конструктивно важные элементы для части фюзеляжа, ограниченной шпангоутами 22-40 и стрингерами 20-Э6-20, с помощью ниже приведенных вопросов:

1. Является ли отказ элемента угрозой безопасности?

2. Накладывает ли отказ ограничения на эксплуатацию?

3. Может ли плановое ТО экономически эффективно предотвратить или отложить отказ?

4. Является ли элемент конструкцией с однопутным нагружением?

5. Находится ли элемент под воздействием сравнительно высоких растягивающих напряжений?

6. Подвергается ли элемент растягивающим напряжениям с высокой частотой?

7. Является ли элемент крупным вырезом?

8. Отсутствует ли в элементе непрерывность в пути передачи нагрузки?

9. Относится ли элемент к основной конструкции?

Если ответ на все вышеперечисленные вопросы "нет", то элемент не является конструктивно важным.

В первую очередь к конструктивно важным элементам следует отнести основную конструкцию, т.е. стрингеры, шпангоуты, обшивку. Поперечные балки и профили по бортам фюзеляжа хоть и относятся к вспомогательной конструкции - каркасу пола пассажирской кабины (в соответствии с РТЭ), тем не менее, являются силовыми элементами, работающими совместно с основной конструкцией. Рельсы пассажирского пола являются вспомогательной конструкцией, не участвующей в работе основной схемы фюзеляжа, но вместе с тем их отказ напрямую влияет на эксплуатацию ВС. Поэтому, в соответствии с логикой MSG - 3, их можно отнести к конструктивно важным элементам. Однако рельсы пассажирского пола относятся к зоне, ограниченной верхней частью фюзеляжа (100), и поэтому не подвергаются анализу.

Остальные конструктивные элементы, перечисленные выше, относятся к второстепенной или прочей конструкции. Все конструктивно важные элементы сводятся в таблицу для дальнейшего анализа (табл. 1).

Таблица 1

Перечень конструктивно важных элементов, расположенных в зоне, ограниченной шп. 22-40 и стрингерами 21-36-21

№№ Наименование Зона Доступ: внешний/внутренн.

1 Обшивка 22-40 шп. стр. 21-36-21 +/+

2 Шпангоуты 22-40 шп. стр. 21-36-21 -/+

3 Стрингеры 22-40 шп. стр. 21-36-21 -/+

4 Поперечные балки 22-40 шп. стр. 21-36-21 -/+

5 Вертикальные стойки 22-40 шп. стр. 21-36-21 -/+

6 Вырез под грузовой люк -/+

В соответствии с положениями МБО-3, система рейтинговой оценки должна учитывать вероятность повреждения и своевременность его обнаружения.

Система оценки повреждений, вызванных взаимодействием с окружающей средой, качественно оценивает вероятность возникновения и своевременность обнаружения коррозионных повреждений и коррозионного растрескивания. При этом учитываются подверженность вредному воздействию окружающей среды (конденсат, агрессивные жидкости), контакт между неоднородными материалами, повреждение защитных покрытий. Своевременность обнаружения основывается на оценке чувствительности к относительному размеру повреждения и контролепригодности.

Система оценки случайных повреждений в качестве источников повреждений рассматривает наземное и погрузочно-разгрузочное оборудование, ошибки при производстве ТО, эксплуатации, атмосферные осадки, удары молнией, разливы жидкостей. Оценивается вероятность возникновения повреждений и остаточная прочность. Своевременность обнаружения базируется на относительном росте повреждения и контролепригодности элемента конструкции. Для анализа была использована трехбалльная система оценки по каждому критерию, принятая ведущими производителями авиационной техники (табл. 2).

При назначении рейтингов было предложено использовать следующие условия.

1. Если после обеспечения доступа конструктивный элемент может быть осмотрен с расстояния не более вытянутой руки и при этом внешнего освещения или переносного источника света достаточно, то контролепригодность считается хорошей. В этом случае присваивается рейтинговая оценка "2". В том случае, если доступ частично затруднен, для осмотра требуется применение специальных инструментов, например, зеркал, требуется

дополнительный источник освещения, то контролепригодность считается достаточной и присваивается рейтинговая оценка "1". В том случае, если доступ к элементу не может быть обеспечен в процессе эксплуатации, то контролепригодность считается плохой или недостаточной - рейтинговая оценка "0".

Таблица 2

Подверженность агрессивному воздействию или случайному повреждению Предполагаемая Вероятная Маловероятная

Оценка 0 1 2

Защита от окружающей среды Обычная Улучшенная Хорошая

Оценка 0 1 2

Контролепригодность Плохая Достаточная Хорошая

Оценка 0 1 2

Чувствительность к размерам повреждения Высокая Средняя Низкая

Оценка 0 1 2

Остаточная прочность после случайного повреждения Низкая Средняя Высокая

Оценка 0 1 2

2. Если защита от окружающей среды применялась на предыдущих ВС и опыт эксплуатации показал недостаточную ее эффективность, то защищенность считается обычной и присваивается оценка "0". Если опыт эксплуатации подтвердил эффективность защитных мероприятий или были внедрены дополнительные меры защиты, то система защиты считается улучшенной и присваивается оценка "1". В том случае, если изменения были серьезными, например, заменен материал, то защита считается хорошей и присваивается соответственно оценка "2".

3. Подверженность агрессивному воздействию окружающей среды оценивается исходя из следующих соображений. Если конструктивный элемент расположен в месте вероятного воздействия агрессивных жидкостей (протечки санузлов, буфетов-кухонь, электролита), то подверженность считается предполагаемой и рейтинговая оценка в этом случае - "0". Если элемент подвержен воздействию атмосферных осадков, внутрикабинного конденсата, ГСМ, то подверженность считается вероятной - рейтинговая оценка "1". Во всех иных случаях подверженность считается маловероятной, рейтинговая оценка - "2".

4. Остаточная прочность после случайного повреждения оценивается исходя из следующих соображений: материал с наибольшей вязкостью разрушения имеет наибольшую остаточную прочность или иными словами допускает большие размеры повреждения при одинаковых относительных размерах прочности. Следовательно, при прочих равных условиях рейтинговые оценки основных конструкционных материалов располагаются в следующем порядке: сталь -"0", титан - "1", алюминий - "2". Однако при назначении рейтингов также необходимо учитывать возможные источники повреждения и в некоторых случаях стали и титану может быть присвоена оценка "2".

5. Чувствительность к размерам повреждения зависит от времени развития повреждения до критического размера. Хардратом были проведены исследования времени развития трещин от начальных размеров на базе 107 циклов. Для сравнения были использованы сталь, титан и алюминий. Результаты исследования позволяют оценить чувствительность к размерам повреждения стали как высокую (рейтинговая оценка - "0"), рейтинговая оценка титана и алюминия - "1" и "2" соответственно.

6. При оценке коррозии под напряжением принимаются во внимание склонность материала к коррозии под напряжением, нахождение материала под воздействием постоянных растягивающих напряжений и вероятность производственных дефектов, например нерасчетный натяг в соединениях. В том случае, если материал склонен к коррозии под напряжением, то присваивается рейтинговая оценка "0". Если материал склонен к коррозии под напряжением и возникновение недопустимых напряжений практически невероятно или если материал не склонен к коррозии под напряжением, но возникновение недопустимых напряжений возможно, то присваивается оценка "1". Если материал не склонен к коррозии под напряжением и возникновение недопустимых напряжений практически невероятно, то присваивается оценка "2".

Рейтинги по каждому критерию назначаются в соответствии с изложенной выше методикой и информацией.

Интервалы ТО для анализируемой зоны назначаются по наименьшему суммарному рейтингу с помощью матрицы определения периодичности.

Периодичность назначается, как правило, на основе опыта эксплуатации аналогичных конструкций. В случае отсутствия подобного опыта начальные интервалы определяются на основе данных лабораторных испытаний. Для непосредственного определения частоты осмотров производителем составляются таблицы для каждого агрегата планера: фюзеляжа, крыла, хвостового оперения, пилонов (табл. 3) [2].

Таблица 3

Таблица определения периодичности осмотров

Рейтинг оценки коррозионного / случайного повреждения Периодичность для внешней поверхности Периодичность для внутренних полостей

1 2 месяца 12 месяцев

2

3 12 месяцев 24 месяцев

4

5 24 месяца 48 месяцев

6 и более 96 месяцев

Для составления таблицы определения периодичности были использованы следующие соображения. В соответствии с МОС АП-25.571 (п. 4.2.4) осмотры конструкции на предмет выявления коррозионных поражений рекомендуется проводить не реже, чем со следующей периодичностью:

внешних поверхностей - ежегодно;

внутренних элементов конструкции в местах возможного скопления влаги - один раз в два

- четыре года;

внутренних элементов конструкции - не реже чем один раз в восемь - десять лет.

Следует также иметь в виду необходимость поддержания коррозионного состояния конструкции на уровне не ниже первого. Средняя скорость развития атмосферной коррозии для алюминиевых сплавов составляет - 0,02 мм/г, для титановых сплавов и стали она значительно выше [3]. Разработчиком ВС в качестве первого уровня коррозии допускается повреждение глубиной не более 10%. Наименьшая толщина обшивки фюзеляжа составляет 1,5 мм, следовательно, время развития коррозии в незащищенном алюминиевом сплаве в атмосфере составит 7,5 лет. Для этого случая средняя рейтинговая оценка равна "4". Для данной рейтинговой оценки была назначена периодичность с использованием коэффициента "2".

Наименьшая суммарная рейтинговая оценка, полученная в результате анализа, - "4". Следовательно, начальная периодичность работ по ППКК для зоны переднего багажного отделения может быть установлена равной 4 годам.

В работе [4] был проведен анализ состояния ВС, прошедших капитальный ремонт на заводах "ВАРЗ 400" и "АРЗ-411 ГА". По результатам анализа было установлено, что при межремонтном сроке службы, равном 4 годам, замен конструктивных элементов, поврежденных коррозией, не требуется. Следовательно, уровень коррозионного поражения конструкции будет не ниже первого уровня, что соответствует требованиям ИКАО [1].

Таблица 4

Рейтинг коррозионной/случайной повреждаемости Внешние поверхности, периодичность Внутренние поверхности, периодичность

1-2 1 год 1 год

3-5 1 год 4 года

6-8 1 год 8 лет

Данные, приведенные в работе [4], косвенно подтверждают правильность выбора периодичности осмотров. Необходимо отметить, что эти данные являются средними по парку и могут быть использованы для определения начальной периодичности осмотровых работ. Коррозионное состояние ВС, как отмечалось выше, сильно варьируется в зависимости от места базирования, условий эксплуатации, качества ТО и т.д. Например, по результатам исследования технического состояния самолетов "Аэрофлот" были получены величины средних скоростей роста коррозионных повреждений в период 2005-2006 гг. [5]. Скорость коррозии за один год составляла от 0,1 мм для обшивки до 0,75 мм для фитингов. В этом случае периодичность выполнения работ по ППКК не может быть выше одного года.

Однако подобные показатели, скорее всего, были связаны с некачественным выполнением ТО и ремонта. После выполнения ТО в условиях ЗАО "АТБ Домодедово" в соответствии с решением о переводе парка ВС ОАО "Аэрофлот" на эксплуатацию по БРТ коррозионное состояние ВС значительно улучшилось [6].

Таким образом, для поддержания уровня коррозионного состояния не ниже первого может потребоваться уменьшение периодичности в соответствии с опытом эксплуатации. Корректировка также возможна в сторону увеличения интервалов при отсутствии коррозии.

Выводы

1. Предложенная методика рейтинговой оценки влияния коррозионных и случайных повреждений на целостность конструкции планера ВС аттестованного типа на примере самолета Ту-154 может быть использована для анализа обоснованности периодичности технического обслуживания планеров ВС других типов, находящихся в эксплуатации в гражданской авиации.

2. Определены рейтинги коррозионной и случайной повреждаемости одной из наиболее подверженных коррозии зон планера самолета с использованием современных подходов к разработке программ (регламентов ТОиР), в соответствии с положениями MSG-3. На основании рейтинговых оценок зоны фюзеляжа (шп. 22-40, с. 21-36-21) и на основании опыта эксплуатации обоснована возможность увеличения периодичности работ по контролю коррозионного состояния с одного года (РО-02) до 4 лет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по летной годности ИКАО DOC 9760.

2. Стрижиус В.Е. Нормативные требования, теория и практика разработки программ контроля и предупреждения коррозии транспортных самолетов // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2007. - № 119.

3. Методические рекомендации по исследованию деталей и узлов авиационной техники, пораженных коррозией. - М.: МГА, ГосНИИ ГА, 1985.

4. Анализ коррозионных повреждений самолетов Ту-154 Б, М, прошедших капитальный ремонт на предприятиях ОАО "ВАРЗ-400" и ОАО "АРЗ-411 ГА" в период с июля 1995 г. по июнь 2000 г. Отчет ГосНИИ ГА, 2000.

5. Акопян К.Э., Бутушин С.В., Семин А.В. Анализ данных о коррозионном состоянии самолетов типа Ту-154, базирующихся в различных региональных управлениях ГА // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2007. - № 119.

6. Материалы технической конференции по опыту и проблемам эксплуатации самолетов Ту-154. ЗАО АТБ Домодедово, 2008.

APPLICATION OF RATING SYSTEM FOR AD AND ED BY THE EXAMPLE OF TU-154

Akopyan K.E.

Suggested and adopted rating system for evaluation of accidental and environmental damage effect on aircraft fuselage.

Key words: rating estimation, constructively significant element, corrosional defect, defect estimation system, fuselage, skin, frame, stringer.

Cведения об авторе

Акопян Карен Эдуардович, 1966 г.р., окончил МГТУ ГА (1993), канд. техн. наук, заместитель директора, начальник отдела НЦ ПЛГ ВС ГосНИИ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, прочность летательных аппаратов.