CC BY
132
УДК 629.7.017.1: 620.193
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ САМОЛЕТОВ ПО УСЛОВИЯМ БЕЗОПАСНОСТИ ОТ КОРРОЗИИ
И.И. МИРКИН, А.В. МИХАЛЕВ, Ю.М. ФЕЙГЕНБАУМ Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В статье изложены основные положения действующей в РФ системы поддержания летной годности самолетов по условиям коррозионной прочности. Проанализирован опыт реализации этой системы при проведении работ по увеличению сроков службы самолетов ОАО «Туполев». Показано, что задача увеличения безопасных сроков службы может успешно решаться только при тесном взаимодействии разработчика, изготовителя, эксплуатанта и авиационных властей. Рассмотрены проблемы и слабые стороны как самой системы, так и практики ее реализации. Сформулированы предложения по совершенствованию системы работ по обеспечению безопасности эксплуатации самолетов по условиям стойкости к коррозионным повреждениям.
Ключевые слова: коррозия, контроль технического состояния, ресурс и срок службы.
Основными факторами, потенциально снижающими прочность конструкции в процессе длительной эксплуатации, являются усталость, коррозия, износ и случайные эксплуатационные повреждения.
Действующая в РФ система обеспечения и поддержания летной годности самолетов по условиям безопасности от коррозии является частью общей отечественной системы обеспечения прочности при длительной эксплуатации, однако имеет ряд особенностей, обусловленных следующими обстоятельствами.
Во-первых, в основе системы безопасности от возникновения и катастрофического развития усталостных повреждений лежат результаты фундаментальных научных исследований в области нагрузок, характеристик усталости материалов, механики хрупкого разрушения, позволяющие аналитически достаточно надежно прогнозировать как момент зарождения усталостного повреждения, так и скорость его развития. Вследствие этого расчетные методы анализа усталости и трещиностойкости широко используются при проектировании и сертификации, позволяя достаточно обоснованно формировать программы технического обслуживания в эксплуатации, оптимизируя сроки и объемы выполнения необходимых работ по контролю конструкции.
Современная наука располагает солидным объемом знаний относительно видов и механизмов коррозионного поражения, однако не предлагает разработчикам авиационной техники приемлемых методов прогнозирования времени зарождения коррозии и скорости её развития, которые могли бы лечь в основу разработки регламента технического обслуживания и контроля. Достаточно надежные расчетные методы могут использоваться только для оценки остаточной прочности.
Во-вторых, в силу чрезвычайной сложности адекватного воспроизведения действующих в эксплуатации поражающих факторов и их контролируемого форсирования по времени, испытания конструкций на воздействие окружающей среды и других вызывающих коррозию факторов, в отличие от ресурсных испытаний, не вошли широко в практику создания и сертификации авиаконструкций.
Проводимые ЦАГИ, ВИАМ, СибНИА работы в природных климатических лабораториях носят исследовательский характер, а практически экспериментальная часть работ по обеспечению и обоснованию безопасности конструкции от коррозионных поражений, в лучшем случае, ограничивается испытаниями на остаточную долговечность и остаточную прочность пораженных коррозией элементов конструкции и натурными испытаниями самолетов с наработкой в
эксплуатации, имеющих естественные или смоделированные коррозионные поражения. (Здесь уместно отметить, что с целью обоснования возможности увеличения ресурсов и сроков службы самолетов Ту-134 и Ту-154 были проведены полномасштабные ресурсные испытания 2-х экземпляров самолетов каждого типа с наработкой и еще 2-х экземпляров самолета Ту-134 с наработкой на остаточную прочность.)
Таким образом, из четырех основных методов обеспечения прочности при длительной эксплуатации - конструктивно-технологических, расчетных, экспериментальных и эксплуатационных (контроль технического состояния) - при обеспечении безопасности от коррозионных поражений в полной мере используются только первый и последний (рис. 1).
Рис. 1. Основные методы обеспечения прочности при длительной эксплуатации
Обеспечение безопасности от коррозионных поражений при проектировании достигается выбором материалов (материалы с улучшенными коррозионными свойствами, исключение неблагоприятного сочетания материалов и т.д.), конструктивно-технологическими мероприятиями (исключение застойных зон, применение крепежа с натягом, герметизация стыков и т. д.), выполнением защиты коррозионно-опасных мест (местное оксидирование, применение ЛКП и ингибирующих составов и т.д.) и обеспечением контролепригодности конструкции (использование люков-лазов, съемная ТЗИ и т.д.).
Мероприятия по повышению коррозионной стойкости самолетов Ту-134 и Ту-154 разрабатывались и внедрялись в течение всего периода производства и эксплуатации этих самолетов.
Перечислим лишь некоторые их них:
- доработана система дренажа;
- улучшена система лакокрасочной защиты подпольной части фюзеляжа на основе грунта ЭП-0215 и ЭП-140М;
- введена технология местного оксидирования деталей и головок заклепок;
- введена окраска внешней поверхности самолета системой высококачественных полиуретановых ЛКП и окраска внутренних поверхностей кессон-баков;
- выполнена замена материалов отдельных деталей (М^ на ЛЬ);
- введена обработка наиболее коррозионно - опасных мест профилактическим ингибирующим составом типа БткгО или НГ - 222 АФ в производстве и в эксплуатации;
- для защиты зачищенных под металлизацию мест применены токопроводящие пасты;
- по стыкам обшивки введен регламентированный зазор, заполняемый герметиком, а также герметизация швов в туалетах и буфетах.
При создании нового поколения самолетов Ту-204, Ту-214 и Ту-334 использован весь опыт, накопленный при сопровождении эксплуатации и доводке конструкции самолетов Ту-134 и Ту-154, кроме того в их конструкции использованы новые дополнительные конструктивнотехнологические мероприятия, позволившие перейти на безремонтную эксплуатацию этих самолетов и обеспечившие возможность эксплуатации этих самолетов за пределами проектного срока службы:
- применены листы с регламентированной плакировкой из 1163РДТВ;
- применены плиты из материала 1163 взамен Д16;
- введена легкосъемная ТЗИ с гидрофобной защитой;
- исключены закрытые профили на гермошпангоутах;
- широко использован герметичный заклепочный, болт - заклепочный и болтовой (с натягом до 1, 2%) крепеж и т.д.
К сожалению, несмотря на большой объем внедренных в практику проектирования, производства и эксплуатации антикоррозионных мероприятий, современный уровень материалов и технологии позволяет только в той или иной степени снизить вероятность и масштабы возможного коррозионного поражения конструкции.
Именно несовершенством конструктивно-технологических методов предотвращения коррозии в совокупности с отсутствием серьезной расчетно-экспериментальной базы объясняется тот факт, что подавляющее большинство выявляемых в эксплуатации и при ремонтах дефектов силовой конструкции составляют коррозионные поражения. Так по результатам исследования технического состояния самолетов Ту-154М доля коррозионных поражений из общего числа выявленных дефектов составляет 68% , случайных механических повреждений - 30%, а усталостных дефектов - всего 2%.
В этой ситуации необходимый уровень безопасности полетов по условиям прочности силовой конструкции может быть в полной мере обеспечен только эффективно действующей системой поддержания летной годности, обеспечивающей тщательный контроль конструкции в эксплуатации с целью своевременного выявления и устранения коррозионных поражений и факторов, способствующих активному образованию коррозии (нарушения защитных покрытий, повышенная влажность и т. д.).
Действующая в РФ система поддержания летной годности ВС по условиям безопасности от коррозионных поражений базируется на следующих основных принципах:
- постоянный мониторинг и анализ условий эксплуатации и технического состояния парка; корректировка ЭД по результатам анализа;
- участие в работах по поддержанию летной годности Разработчика, НИИ промышленности и гражданской авиации, эксплуатанта и авиационных властей;
- максимальное привлечение к оценке технического состояния ВС независимых центров ТОиР;
- постоянное совершенствование конструкции, методов защиты от воздействия агрессивных сред, методов и средств неразрушающего контроля;
- формирование Регламента обслуживания и Программ исследования технического состояния Разработчиком;
- поэтапность установления допустимого в эксплуатации срока службы для данного типа самолетов вплоть до проектных значений;
- поэтапность отработки каждым экземпляром допустимого для парка срока службы;
- индивидуальное продление срока службы каждого экземпляра сверх проектных значений.
Общий алгоритм работы данной системы приведен на рис. 2.
Опыт эксплуатации прототипов Разработчик Имеющиеся расчетноэкспериментальные данные
і
Анализ коррозионноопасных зон и элементов конструкции
л
Требования Требования по предоставлению Критерии Ограничения
по контролю информации отбраковки
I
РО, РЭ, Специальные Программы контроля
Эксплуатант Ремонтные предприятия Центры ТО и Р +
Проведение исследования технического состояния +
Акты, паспорт коррозионного состояния, материалы фотодокументирования
Корректировки условий отработки КСС Компетентные органы
Анализ данных
Разработчик
Рис. 2. Система поддержания летной годности по условиям безопасности от коррозии
Отметим только, что в соответствии с отечественной системой исключительно Разработчик формирует программу технического обслуживания (РО, РЭ и специальные программы контроля), согласовывая их с НИИ гражданской авиации и утверждая в органах авиационной власти. При этом за Эксплуатантом остается лишь обязанность выполнения указаний Разработчика.
Западные же процедуры, отраженные, в частности, в Руководстве МБО-3, подразумевают совместное участие в разработке программ технического обслуживания Разработчика (Изготовителя), Эксплуатанта и Авиационных властей, предоставляя возможность Эксплуатанту адаптировать программы контроля к особенностям условий эксплуатации и технического состояния своего парка самолетов.
Остановимся подробнее на принципе поэтапности, т. к. именно он наиболее принципиально отличает нашу систему поддержания летной годности от принятой за рубежом.
При этом речь идет как о поэтапности установления допустимого для парка срока службы, так и поэтапности отработки каждым экземпляром самолета допустимого для парка срока службы.
Суть поэтапности установления допустимого для парка срока службы заключается в следующем.
При сертификации устанавливается некоторое начальное значение допустимого срока службы самолетов парка, которое по мере накопления и анализа опыта эксплуатации поэтапно увеличивается соответствующими Заключениями и Решениями вплоть до величины проектного срока службы и далее.
При этом увеличение допустимого срока службы сверх проектного значения осуществляется поэтапно, но уже только в индивидуальном порядке на основе так называемых “рамочных” заключений и решений.
Процедуры поэтапного установления допустимого для парка срока службы, а также индивидуального продления срока службы отдельных экземпляров сверх проектного ресурса строго регламентированы и в том или ином виде включают в себя:
- исследование технического состояния отдельных экземпляров в условиях АТБ, ремонтного завода, завода-изготовителя или центра ТОиР и анализ технического состояния парка в целом;
- оформление Разработчиком доказательной документации;
- последовательное согласование доказательной документации с ЦАГИ и ГосНИИ ГА и (для сертифицированных самолетов) представление ее в АР МАК;
- оформление решений, утверждаемых авиационными властями.
Отдельно отметим процедуру поэтапной отработки проектного срока службы каждым экземпляром самолета, введенной “Туполевым” для самолетов Ту-204 и Ту-214.
Необходимость введения этих процедур обусловлена тем, что эти самолеты эксплуатируются без капитальных ремонтов, сыгравших в свое время важную роль в обеспечении длительной безопасной эксплуатации самолетов Ту-134 и Ту-154. Введение периодического (1 раз в 6 лет) детального исследования технического состояния по специальной программе и с участием Разработчика и ГосНИИ ГА в независимых центрах ТОиР призвано компенсировать отсутствие детальной дефектации при ремонтах и, в частности, способствовать максимально полному выявлению возможных коррозионных поражений и их своевременному устранению.
Действующая в РФ система поддержания летной годности по условиям безопасности от коррозионных поражений доказала свою надежность и эффективность. В кризисные для гражданской авиации годы эта система не только не была разрушена, но и получила свое развитие. Это позволило в значительной степени сохранить, в частности, парк самолетов Ту-134 и Ту-154, обеспечив их безопасную эксплуатацию в течение сроков службы, в 2 раза превышающих проектные значения при значительно больших, чем планировалось, межремонтных сроках службы (табл. 1).
Таблица 1
Проектные и достигнутые сроки службы эксплуатирующихся самолетов "Ту"
Самолеты Назначенные сроки службы
Проектный Достигнутый в эксплуатации Обоснованный "рамочным" заключением Целевая программа
Ту-134 20 лет 38 лет 6 мес. 40 лет 40 лет
Ту-154Б 15 лет 31 год 11 мес. 40 лет 40 лет
Ту-154М 20 лет 25 лет 11 мес. 35 лет 40 лет
Ту-204-100 20 лет 17 лет 3 мес. 20 лет 25 лет
Межремонтные сроки службы
Ту-134 4 года 6 мес. 11 лет 10 лет 12 лет
Ту-154Б 4 года 17 лет 6 мес. 20 лет 20 лет
Ту-154М 4 года 17 лет 20 лет 20 лет
Многолетний опыт работы в рамках существующей системы позволяет не только констатировать ее высокую эффективность, но и говорить о целом ряде ее недостатков и необходимости ее совершенствования и постепенного реформирования.
Календарные годы ПГТР
Рис. 3. "Зависимость" числа коррозионных повреждений от срока службы ППР
Места исследования
Рис. 4. Количество коррозионных повреждений, выявленных на самолетах Ту-154М при исследовании технического состояния в эксплуатации (АТБ) и ЦТОиР
3-кй ежегодный 31
Центр ТО и Р . А“ -11 самолетов Центр ТО н Р „В“ - 9 самолетов
Рис. 5. Среднее (на самолет) количество коррозионных повреждений силовой конструкции самолетов Ту-154М, выявленных при исследованиях технического состояния
К числу основных проблем существующей системы следует отнести субъективность оценок технического состояния конструкции, а порой и просто низкое качество проводимых Эксплуатантами работ по выполнению требований Разработчика в части контроля конструкции и проведения профилактических мероприятий.
Именно качество обслуживания и дефектации, а не календарный срок службы определяют в конечном итоге техническое состояние конструкции. Представленные на рис. 3, 4 данные о количестве выявленных при детальном исследовании в Центре ТОиР очагов коррозии в конструкции самолетов с различными сроками службы после последнего ремонта наглядно это подтверждают.
На самолетах, проходивших исследование технического состояния по программе Разработчика в условиях АТБ (рис. 5) выявляют не более 5 коррозионных поражений, а через год в условиях Центра ТОиР - около 100 коррозионных зон. При этом, при последующем ежегодном проведении исследования технического состояния в центре ТОиР количество дефектов неуклонно снижается.
Эти факты лишний раз подтверждают как довольно часто встречающийся низкий уровень выполнения контроля в эксплуатации, так и необходимость регулярного исследования технического состояния самолетов в независимых специализированных центрах ТОиР, располагающих квалифицированными кадрами и оборудованием.
Однако и сами по себе центры ТОиР не являются панацеей и гарантией объективного контроля.
При исследовании в двух центрах ТОиР (рис. 5) примерно равного количества самолетов среднее на один самолет количество выявленных коррозионных поражений отличается в 5 раз.
При исследовании в центре ТОиР (рис. 6) выявлено более 120 зон коррозии, через год в другом центре ТОиР дефектов практически не находят, а еще через год машина проходит исследование в первом центре и количество коррозионных поражений опять исчисляется несколькими десятками.
Эти данные свидетельствуют о необходимости унификации методик контроля и более широком использовании средств объективного контроля, а также необходимости оснащения центров ТОиР квалифицированными кадрами и оборудованием.
В целом, основные проблемы существующей системы поддержания летной годности по условиям безопасности от коррозионных поражений могут быть сформулированы следующим образом:
- система носит жесткий административноразрешительный характер и требует больших временных и трудозатрат на оформление документов;
- слабое использование современных информационных технологий не позволяет обеспечить необходимую оперативность обмена информацией, ее полноту и доступность для анализа и систематизации;
- система построена по “последовательному” принципу. Координация действий участников процесса затруднена;
- ограниченные возможности адаптации к особенностям условий эксплуатации и уровню технического обслуживания конкретного эксплуатанта;
- субъективность оценок технического состояния. Дефицит квалифицированных кадров;
- функции Разработчика перенасыщены и зачастую не соответствуют его реальным возможностям.
Задача создания конкурентоспособных самолетов и обеспечения их безопасной и экономически эффективной эксплуатации не может быть решена без развития и совершенствования системы обеспечения и поддержания их летной годности.
Основные направления совершенствования такой системы нам представляются следующими:
- развитие экспериментальной базы и расширение исследований закономерностей образования и развития коррозии;
- развитие нормативной базы, регламентирующей объем работ по доказательству соответствия конструкции требованиям безопасности от коррозии;
- совершенствование материалов, конструкций и повышение их контролепригодности;
- разработка и внедрение более совершенных средств неразрушающего объективного контроля;
- развитие сети независимых центров ТОиР и их оснащение оборудованием и квалифицированными кадрами;
- повышение квалификации и исполнительской дисциплины специалистов АТБ в части выполнения указаний ЭД;
- развитие информационных технологий мониторинга технического состояния конструкций;
- гармонизация отечественных и западных методов поддержания летной годности:
• разработка единых принципов формирования программ ТО (аналог МБО-3);
• привлечение эксплуатантов к разработке Регламентов обслуживания;
• улучшение координации действий всех участников процесса поддержания летной годности (аналог МЯВ процесса).
Рис. 6. Количество коррозионных повреждений самолетов Ту-154М, выявленных при ежегодных исследованиях технического состояния в различных ЦТОиР
Выводы
1. Безопасность эксплуатации ВС по условиям коррозионной прочности в процессе длительной эксплуатации во многом определяется уровнем работ по исследованию технического состояния конструкции в эксплуатации и качеством выполняемых в соответствии с требованиями ЭД профилактических мероприятий.
2. Опыт эксплуатации самолетов разработки ОАО “Туполев” в рамках действующей в РФ системы поддержания летной годности ВС по условиям безопасности от коррозионных поражений свидетельствует как о ее надежности, так и о необходимости ее совершенствования.
3. Предлагаемые мероприятия по совершенствованию системы поддержания летной годности должны способствовать повышению ее эффективности, интеграции применяемых методов сопровождения эксплуатации с общемировой практикой и обеспечению конкурентоспособности отечественной авиационной техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акопян К.Э., Бутушин С.В., Гришин А.Н., Лапаев А.В., Семин А.В., Шапкин В.С. Теория и практика оценки коррозионных повреждений элементов конструкции планера воздушных судов. - М.: НЦ ПЛГВС, 2010.
2. Арепьев А.Н.,Гипич Г.Н., Громов М.С., Шапкин В.С. Основы концепции поддержания летной годности воздушных судов России // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, №13, 1999.
3. Акты оценки технического состояния самолетов Ту-154М за 2006-2010гг.
4. Отчет ЗАО «АТБ «Домодедово» от 26.03.2008г. - «Опыт и проблемы технической эксплуатации самолетов Ту-154Б,М и задачи по поддержанию их летной годности».
ESTIMATION OF PROBABILITY OF DEVELOPMENT OF FATIGUE DAMAGE TO ELEMENTS OF A DESIGN OF THE AIRCRAFT, REPLACED AS A RESULT OF REGENERATIVE WORKS
Mirkin I.I., Mikhalev A.V., Feygenbaum Y.M.
The article states main regulations of the Russian Federation current system of airworthiness maintenance according to corrosion damage safety conditions. The experience of system realization during works for aircrafts service life extension on PC Tupolev is analysed. The task is successfully performed on condition of designer, manufacturer, operator cooperation with aviation authorities. The main problems and disadvantages of the airworthiness maintenance system and its usage are described. Several suggestions for developing of the system are formulated.
Key words: connection of constructive elements by force points, concentration of pressure, crack of fatigue, probability of development of a crack.
Сведения об авторах
Миркин Илья Исакович, 1944 г.р., окончил МАТИ (1967), начальник сектора в центре «Технология, материалы и стандартизация» ОАО «Туполев», автор 5 научных работ, область научных интересов -технология изготовления и эксплуатации авиационных конструкций.
Михалев Андрей Владимирович, 1981 г.р., окончил МАМИ (2004), инженер-конструктор ПКЦ "Прочность" ОАО "Туполев", автор 1 научной работы, область научных интересов - поддержание летной годности ВС.
Фейгенбаум Юрий Моисеевич, 1950 г.р., окончил МАИ (1974), главный специалист ГосНИИ ГА, автор 12 научных работ, область научных интересов - прочность и ресурс ВС.
