輸油軟管開裂原因

代曉瑛,盧玉蛟

(中航西安飛機工業集團股份有限公司,西安 710089)

某飛機輸油軟管出現漏油現象，將輸油軟管從飛機上拆卸后對軟管進行分解，發現輸油軟管漏油一端最外層的棉線編織層已經斷裂，內層橡膠管有兩處較短的裂縫，有一處裂縫已將膠管內、外壁接通。輸油軟管的內膠層為5870丁腈橡膠，軟管與金屬管子連接，連接過程中，金屬管子螺紋在軟管的橡膠內壁形成螺紋凹槽。輸油軟管安裝在飛機發動機艙，所承受的環境應力主要包含振動、溫度和內部燃油壓力等，振動量值為0.012 5 g2·Hz-1，環境溫度為0～90 ℃，內部燃油溫度為0～20 ℃，內部燃油壓力為0～150 kPa。

筆者對輸油軟管的裂縫斷口和側表面進行了一系列檢驗和分析，綜合分析了軟管開裂的性質和原因，并給出了改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

輸油軟管的整體形貌如圖1a)所示，在橡膠管的內壁可見2條裂縫，且有一條裂縫完全穿透橡膠管內、外管壁，形成穿透性裂紋，如圖1b)所示。

圖1 輸油軟管宏觀形貌

1.2 斷口分析

對輸油軟管內、外壁貫穿的裂紋進行斷口分析。軟管的裂紋起源于螺紋凹槽根部，為線源，由內向外擴展，斷口上可見明顯的疲勞弧線，如圖2所示。軟管穿透性裂紋所在的整圈凹槽內壁均出現開裂，但未形成貫穿性開裂，裂紋斷口上同樣可見明顯的疲勞弧線，如圖3所示。

圖2 軟管裂紋斷口微觀形貌

圖3 軟管凹槽內壁開裂形貌

軟管裂紋斷口側表面的凹槽位置可見大量方向一致的應力老化裂紋，如圖4和圖5所示?？拷疾鄣墓饣瑑缺诒砻嫱瑯涌梢姶罅糠较蛞恢碌膽匣鸭y，如圖6所示。軟管遠離裂紋的另一端頭內壁同樣可見老化開裂現象，如圖7所示。

圖4 軟管凹槽裂紋根部微觀形貌

圖5 軟管未開裂區域凹槽位置的應力老化裂紋微觀形貌

圖6 軟管靠近凹槽的光滑內壁的應力老化裂紋微觀形貌

圖7 軟管遠離開裂的另一端頭內壁的老化裂紋微觀形貌

綜上所述，軟管的開裂起源于螺紋凹槽根部，在受到振動和內部燃油壓力等交變應力的作用下，裂紋由內向外擴展。端口上可見明顯的疲勞弧線，因受力疲勞而逐步脫離，并向四周擴散，在應力方向產生橡膠撕裂現象，形成疲勞擴展區，直至裂紋完全穿透橡膠管內、外管壁，形成穿透性裂紋。

1.3 紅外光譜

分別對軟管故障件和未使用件進行紅外光譜檢測，結果如圖8所示。5870丁腈橡膠結構中典型的亞甲基-CH2(2 920 cm-1)，雙鍵(1 660～1 630 cm-1)等典型特征吸收峰，由圖中的特征峰對照文獻[1-2]可見。軟管浸油后，二者的吸收峰位置和強度基本一致，但是耐油后的軟管在1 716 cm-1處添加劑的吸收峰明顯減弱，主要是由于橡膠內層膠料配方中含有一定量的防老劑、增塑劑等添加劑，但膠管如果長期處于高溫油液或處于高溫環境中，添加劑在一定溫度下會溢出，遷移到油液中，同時液壓系統中的油缸、閥、泵或其他元件，由于壓降的原因會使油液逐漸發生化學分解，也會使膠管內層發生氧化、變質、硬化，膠管在運動或彎曲時，內層就會出現開裂，產生明顯的裂紋，從而出現滲油[3]。

圖8 開裂軟管和未使用軟管的紅外光譜

1.4 熱失重試驗

分別對軟管故障件和未使用件進行熱失重試驗，試驗結果如圖9所示。未使用件存在2個熱分解區間，第1熱分解區間溫度為200～340 ℃，失重率為8.92%，此時材料中的添加劑成分揮發；第2熱分解區間溫度為340～500 ℃，失重率為39.10%，其總失重率為48.02%，此時材料發生無規則降解，大分子主鏈發生斷裂[4]。軟管僅存在1個熱分解區間，其熱分解溫度區間為200～500 ℃，失重率為46.06%；軟管的第1熱分解區間消失，且總的失重率小于未使用的新件，表明其發生老化，部分小分子助劑在老化過程中已經揮發或分解。

圖9 開裂軟管和未使用軟管的的熱失重曲線

2 分析與討論

輸油軟管的裂紋斷口上可見疲勞弧線，其開裂性質為疲勞開裂。輸油軟管與金屬管子軟硬結合后，金屬管子的螺紋在橡膠軟管的內壁形成凹槽且對軟管內壁產生一定的損傷。輸油軟管的凹槽根部及其附近的光滑內壁表面均可見大量方向一致的微裂紋，裂紋方向一致，說明其為應力老化裂紋，這是由于金屬管子與橡膠軟管形成過盈配合，橡膠軟管在二者結合位置始終受到徑向的張力而導致的。紅外和熱失重試驗結果也均顯示使用后的輸油軟管發生老化。老化裂紋的產生會降低橡膠軟管的承載能力，同時凹槽根部在金屬管子螺紋與軟管內壁結合的過程中產生一定的損傷[5]，使得該位置成為應力集中部位，為軟管內壁最薄弱的位置。因此，輸油軟管裂紋在振動和內部燃油壓力等交變載荷的作用下從凹槽根部損傷位置起源并最終產生疲勞開裂[6-8]。

針對輸油軟管產生失效原因，提出以下預防措施：

(1)確保膠管膠層的加工質量。軟管的內膠層厚度要保持均勻，如果厚度不均勻，壓縮后容易在內膠層表面造成一面斷裂或堆膠，從而造成滲漏現象[9]。

(2)優化金屬管子螺紋連接凹槽處的尖角形狀，應圓滑過渡，避免出現毛刺、飛邊、切邊等缺陷。金屬管子加工表面如有毛刺、飛邊、裂紋等缺陷或幾何尺寸及精度不符合標準要求、表面粗糙度過低、加工紋理不合理等問題[10]，在與軟管裝配過程中，會產生一定的損傷，使得該位置成為應力集中部位，產生疲勞開裂，造成軟管漏油。安裝前，金屬螺紋管子的凹槽必須清洗干凈，不能附有毛絲、灰塵，無尖端、刃口，以免損傷軟管。必要時，可對軟管裝配中的接觸表面涂敷潤滑脂。

(3)設定合理的裝配方式。在安裝過程中不應有扭曲和壓扁現象，接頭軸線應盡量布置在運動平面內，軟管受到輕微扭轉就有可能使其強度降低，裝配時應將金屬管子擰緊在軟管上，而不是將軟管擰緊在金屬管子上。同時，軟管安裝時應避免處于拉緊狀態，即使軟管兩端沒有相對運動的地方，也要保持軟管松弛，張緊的軟管在壓力作用下會膨脹，產生應力老化，導致強度降低[11]。此外，軟管用于固定件的直線安裝時，要留有2%～4%的長度余量，以防止由于溫度變化、振動等引起的受拉現象[12]。

3 結論及建議

輸油軟管的開裂性質為疲勞開裂，裂紋起源于螺紋凹槽的根部。輸油軟管裝配后產生應力老化，導致其疲勞性能下降，裂紋在振動和內部燃油壓力等交變應力的作用下從凹槽根部的損傷位置起源并最終發生疲勞開裂。

建議優化金屬管子螺紋連接凹槽處的尖角形狀以及設定合理的裝配方式，確保軟管膠層的加工質量，以降低輸油軟管的失效概率。