分享：输油软管开裂原因

代晓瑛,卢玉蛟 

(中航西安飞机工业集团股份有限公司,西安 710089)

摘 要:某飞机输油软管发生漏油现象,经检查为软管开裂所致。采用宏观观察、断口分析、 红外光谱分析和热失重试验等方法,对软管开裂的原因进行了分析。结果表明:输油软管的开 裂性质为疲劳开裂,裂纹起源于螺纹凹槽的根部;输油软管装配后产生应力老化,导致其疲劳性 能下降,在振动和内部燃油压力等交变应力的作用下裂纹从凹槽根部的损伤位置起源,并最终 发生疲劳开裂。

关键词:输油软管;开裂;疲劳;应力老化;交变应力

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0037-04

某飞机输油软管出现漏油现象,将输油软管从 飞机上拆卸后对软管进行分解,发现输油软管漏油 一端最外层的棉线编织层已经断裂,内层橡胶管有 两处较短的裂缝,有一处裂缝已将胶管内、外壁接 通。输油软管的内胶层为5870丁腈橡胶,软管与金 属管子连接,连接过程中,金属管子螺纹在软管的橡 胶内壁形成螺纹凹槽。输油软管安装在飞机发动机 舱,所承受的环境应力主要包含振动、温度和内部燃 油压力等,振动量值为0.0125g2·Hz-1,环境温度 为0~90 ℃,内部燃油温度为0~20 ℃,内部燃油 压力为0~150kPa。

笔者对输油软管的裂缝断口和侧表面进行了一 系列检验和分析,综合分析了软管开裂的性质和原 因,并给出了改进建议。

1 理化检验 

1.1 宏观形貌

输油软管的整体形貌如图1a)所示,在橡胶管 的内壁可见2条裂缝,且有一条裂缝完全穿透橡胶 管内、外管壁,形成穿透性裂纹,如图1b)所示。

1.2 断口分析

对输油软管内、外壁贯穿的裂纹进行断口分析。 软管的裂纹起源于螺纹凹槽根部,为线源,由内向外 扩展,断口上可见明显的疲劳弧线,如图2所示。软 管穿透性裂纹所在的整圈凹槽内壁均出现开裂,但 未形成贯穿性开裂,裂纹断口上同样可见明显的疲 劳弧线,如图3所示。

软管裂纹断口侧表面的凹槽位置可见大量方向 一致的应力老化裂纹,如图4和图5所示。靠近凹 槽的光滑内壁表面同样可见大量方向一致的应力老 化裂纹,如图6所示。软管远离裂纹的另一端头内 壁同样可见老化开裂现象,如图7所示。

综上所述,软管的开裂起源于螺纹凹槽根部,在 受到振动和内部燃油压力等交变应力的作用下,裂 纹由内向外扩展。端口上可见明显的疲劳弧线,因 受力疲劳而逐步脱离,并向四周扩散,在应力方向产 生橡胶撕裂现象,形成疲劳扩展区,直至裂纹完全穿 透橡胶管内、外管壁,形成穿透性裂纹。

1.3 红外光谱 

分别对软管故障件和未使用件进行红外光谱 检测,结果如图8所示。5870丁腈橡胶结构中典型 的 亚 甲 基-CH2 (2920cm-1 ),双 键 (1660~ 1630cm-1)等典型特征吸收峰,由图中的特征峰 对照文献[1-2]可见。软管浸油后,二者的吸收峰 位置 和 强 度 基 本 一 致,但 是 耐 油 后 的 软 管 在 1716cm-1 处添加 剂 的 吸 收 峰 明 显 减 弱,主 要 是 由于橡胶内 层 胶 料 配 方 中 含 有 一 定 量 的 防 老 剂、 增塑剂等添 加 剂,但 胶 管 如 果 长 期 处 于 高 温 油 液 或处于高温环境中,添加剂在一定温度下会溢出, 迁移到油 液 中,同 时 液 压 系 统 中 的 油 缸、阀、泵 或 其他元件,由 于 压 降 的 原 因 会 使 油 液 逐 渐 发 生 化 学分解,也会使胶管内层发生氧化、变质、硬化,胶 管在运动或弯曲时,内层就会出现开裂,产生明显 的裂纹,从而出现渗油[3]。 

1.4 热失重试验 

分别对软管故障件和未使用件进行热失重试 验,试验结果如图9所示。未使用件存在2个热分解区间,第1热分解区间温度为200~340 ℃,失重 率为8.92%,此时材料中的添加剂成分挥发;第2热 分解区间温度为340~500℃,失重率为39.10%,其 总失重率为48.02%,此时材料发生无规则降解,大 分子主链发生断裂[4]。软管仅存在1个热分解区 间,其热分 解 温 度 区 间 为 200~500 ℃,失 重 率 为 46.06%;软管的第1热分解区间消失,且总的失重 率小于未使用的新件,表明其发生老化,部分小分子 助剂在老化过程中已经挥发或分解。

2 分析与讨论 

输油软管的裂纹断口上可见疲劳弧线,其开裂 性质为疲劳开裂。输油软管与金属管子软硬结合 后,金属管子的螺纹在橡胶软管的内壁形成凹槽且 对软管内壁产生一定的损伤。输油软管的凹槽根部 及其附近的光滑内壁表面均可见大量方向一致的微 裂纹,裂纹方向一致,说明其为应力老化裂纹,这是 由于金属管子与橡胶软管形成过盈配合,橡胶软管 在二者结合位置始终受到径向的张力而导致的。红 外和热失重试验结果也均显示使用后的输油软管发 生老化。老化裂纹的产生会降低橡胶软管的承载能 力,同时凹槽根部在金属管子螺纹与软管内壁结合 的过程中产生一定的损伤[5],使得该位置成为应力 集中部位,为软管内壁最薄弱的位置。因此,输油软 管裂纹在振动和内部燃油压力等交变载荷的作用下 从凹槽根部损伤位置起源并最终产生疲劳开裂[6-8]。

针对输 油 软 管 产 生 失 效 原 因,提 出 以 下 预 防 措施:(1)确保胶管胶层的加工质量。软管的内胶层 厚度要保持均匀,如果厚度不均匀,压缩后容易在内 胶层表 面 造 成 一 面 断 裂 或 堆 胶,从 而 造 成 渗 漏 现象[9]。(2)优化金属管子螺纹连接凹槽处的尖角形 状,应圆滑过渡,避免出现毛刺、飞边、切边等缺陷。

金属管子加工表面如有毛刺、飞边、裂纹等缺陷或几 何尺寸及精度不符合标准要求、表面粗糙度过低、加 工纹理不合理等问题[10],在与软管装配过程中,会 产生一定的损伤,使得该位置成为应力集中部位,产 生疲劳开裂,造成软管漏油。安装前,金属螺纹管子 的凹槽必须清洗干净,不能附有毛丝、灰尘,无尖端、 刃口,以免损伤软管。必要时,可对软管装配中的接 触表面涂敷润滑脂。 

(3)设定合理的装配方式。在安装过程中不应 有扭曲和压扁现象,接头轴线应尽量布置在运动平 面内,软管受到轻微扭转就有可能使其强度降低,装 配时应将金属管子拧紧在软管上,而不是将软管拧 紧在金属管子上。同时,软管安装时应避免处于拉 紧状态,即使软管两端没有相对运动的地方,也要保 持软管松弛,张紧的软管在压力作用下会膨胀,产生 应力老化,导致强度降低[11]。此外,软管用于固定 件的直线安装时,要留有2%~4%的长度余量,以 防止由于温度变化、振动等引起的受拉现象[12]。 

3 结论及建议 

输油软管的开裂性质为疲劳开裂,裂纹起源于 螺纹凹槽的根部。输油软管装配后产生应力老化, 导致其疲劳性能下降,裂纹在振动和内部燃油压力 等交变应力的作用下从凹槽根部的损伤位置起源并 最终发生疲劳开裂。 建议优化金属管子螺纹连接凹槽处的尖角形状 以及设定合理的装配方式,确保软管胶层的加工质 量,以降低输油软管的失效概率。 

参考文献:

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