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    C919 無損檢測工作探討

    發布日期:2017-07-07

    1 引言

    現代大型民用飛機是數百萬零部件級的超大規模集成創新,其中,以波音777和空客380飛機為例,結構件數量分別達到了75萬件和78萬件。

    飛機機體結構的安全決定著飛行的安全。民機產業中的無損檢測工作是指在民機項目的研製、生產、試驗、試飛和運營服務(含持續適航)等飛機全壽命過程中,按照規定的程序,對原材料、零部件、試驗件、結構件、機體及其相關產品進行無損檢測與評價的過程,其可預防飛機機體結構類零件的失效,從而提升飛行安全。

    美國航空航天總署總部安全與任務保障部,將無損檢測與評估列入其八大職能之一, 如圖1 所示,其從頂層規劃的角度,引領著NASA、波音、GE、洛克希德。 馬丁等航空航天機構和企業無損檢測領域的發展。

    圖1 NASA 安全與任務保障部的主要職能


    近年來,我國的無損檢測工作日益受到重視,無損檢測技術本身也處於蓬勃發展中。就我國民用航空領域而言,無損檢測設備或技術,尤其在生產製造環節采用的無損檢測技術,在許多方麵已處於國際先進甚至領先水平。

    但是,對於從事高度複雜的大型民機研製產業,其管理的複雜程度遠高於普通工業產品。無損檢測決非僅僅是檢查一下結構材料的缺陷、損傷、裂紋、分層、脫粘等這些處於技術末端的現象,而是應研究引起飛機結構材料特性變化、疲勞的機理及其物理參數的變化特點;這些關鍵或核心技術必須從飛機結構設計的最初概念階段就開展工作。

    我國民機產業無損檢測頂層策劃方麵的研究鮮有報道, 項目全壽命階段無損檢測工作缺乏統籌;從而導致上下遊執行機構經常各自為政,無損檢測工作難以形成一個相互支持體係,已嚴重製約我國民機領域無損檢測工作整體效能的發揮。

    本文從我國C919 大型客機和ARJ21 支線飛機兩個 項目的無損檢測工作的實踐出發,總結了歐美航空無損檢測工作的經驗,闡述民用航空產業無損檢測工作的主要內 容,界定集團總部、設計研發、生產製造、客服維修和航空公司等機構和單位的無損檢測工作職責,闡述民機產品項目研製階段無損檢測保證與監督工作,並介紹了我國民機產業無損檢測重點工作。

    2 民機產業無損檢測工作職能管理機構的職責劃分


    在以民機為代表的高度複雜產品的研製過程中,若要做到職責清晰、可操作性強,集團總部、設計研發、生產 製造、客服維修和航空運營等機構和單位的無損檢測工作 需要依托職能管理,明確責任分工(見表1)。

    表1 民機產業無損檢測工作職能管理機構的職責劃分


    2.1 集團總部的職能

    集團總部無損檢測管理部門是無損檢測工作的最高領導機構,除負責組織製定集團公司相關的規章製度和製定集團公司無損檢測工作發展戰略和規劃外,還需要組織建 立組織機構體係、技術體係、資質認定管理體係,並最終審定和發布集團公司的無損檢測標準規範。

    2.2 設計研發的職責

    項目設計研發單位是項目無損檢測工作的主要支撐機構,主要負責協助集團公司總部,建立無損檢測技術體係, 組織編製公司無損檢測技術標準、規範和方法,負責編製民機無損檢測通用要求,並及時完善。

    根據型號項目研製目標,對預采用航空領域新材料、 新工藝帶來的無損檢測技術難題,開展未來型號或改進型號的無損檢測技術預先研究。
    在項目研製過程中,對機體部段級和全機級的地麵試驗和試驗試飛過程的疲勞損傷和意外損傷實施無損檢測和監測,獲取損傷的動態擴展信息,建立項目全機損傷檢測 基本數據庫,為確定飛機壽命和設計改進提供依據。

    此外,項目設計研發單位需負責牽頭編製飛機的 《無損檢測手冊》(Non-destructive Testing Manual, NTM),明確飛機原位結構無損檢測程序,檢測程序中明確結構的損傷信息、檢測器材、檢測過程及損傷信號判讀標準等內容,同時研製滿足飛機工程設計結構安全要求的無損檢測對比試塊,用於指導飛機用戶在飛機持續適航過程中實施無損檢測。

    2.3 生產製造的職責

    生產製造單位從飛機製造過程,按照零件圖紙的檢測要求,依據民航局認可的項目無損檢測工藝規範,對飛機零部件生產過程實施無損檢測,達到飛機零部件質量控製的目的。同時,組織開展零部件和結構件製造階段的無損檢測技術支持和工程研究。

    生產製造單位代表集團公司組織參加“國家航空航天和國防供應商授信項目”(National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program, NADCAP)無損檢測工作組,參與製修訂供應商無損檢測特種工藝能力審核準則的編製工作。

    負責對集團公司所屬單位無損檢測操作人員提供培訓和認證,並負責根據集團公司和相關國際航空行業能力審核準則對供應商進行 損檢測能力和過程質量控製審核,評估供應商的無損檢測能力和水平是否滿足公司無損檢測技術和型號設計要求。

    同時,生產製造單位負責收集供應商在生產製造環節中無損檢測出現的各類問題,按照《國際航空航天無損檢測人員資格鑒定與認證》(簡稱NAS410)的要求組織實施對集團外部無損檢測人員培訓機構的資質認定,承擔供應商所屬的二級、三級無損檢測操作人員雇主要求的培訓和認證。

    2.4 客服維修單位的職責

    客服維修單位負責歸口管理飛機無損檢測手冊,並作為責任主體代表集團公司接受適航當局對手冊的審查工作。

    負責組織開展飛機維護階段中無損檢測方法的工程研究,建立客戶服務無損檢測快速響應工作機製,並按照客戶需求,協調生產製造單位為客戶提供無損檢測技術能力 支持和駐場檢測服務。

    負責代表集團公司為客戶進行飛機無損檢測手冊的使用培訓。負責收集飛機運營服務階段中機體結構損傷的信息,建立飛機損傷信息數據庫,並向設計研究單位無損檢測主管部門備份,作為項目改進設計的 依據。

    2.5 航空公司的職責

    航空公司根據飛機無損檢測手冊和NADCAP 等供應商質量管理體係文件、標準,使用飛機製造商提供檢測用對比試塊,對飛機機體結構損傷開展無損檢測,並及時向 飛機製造商的客服維修機構反饋飛機運營服務階段中機體結構損傷的信息,便於飛機製造商製定維修方案和設計優化。

    3 項目經理係統與專業總師係統的職責

    3.1 項目經理係統

    項目主管材料工藝的項目經理是項目無損檢測工作的負責人,負責項目全壽命周期的無損檢測工作策劃。其領導下的項目經理係統,如圖2 所示,在飛機總體方案定義、 初步設計、詳細設計、全麵試製、試飛取證、批生產和持續適航各個階段實施無損檢測的相關工作。

    項目經理係統負責確定產品圖樣和有關技術文件上標注的零件類別、允許缺陷類型和尺寸、關鍵部位,建立無損檢測方法和規範、驗收標準,評估使用維護中需要無損檢測的項目、原位無損檢測的項目及原位無損檢測可達性等是否滿足飛機完整性要求,確保無損檢測技術水平與產品質量要求相一致。

    在項目轉階段評審期間,項目經理係統應組織專項的無損檢測評審工作,確保產品的檢測可行性和可靠性。項目經理係統應組織編製項目結構適航限製類專用無損檢測方法,組織開展驗證工作,並作為《飛機無損檢測手冊》的重要內容之一,用於確保項目在試飛和運營服務階段,原位無損檢測方法的有效性和適用性。

    圖2 民用飛機全壽命過程無損檢測工作流程圖


    3.2 項目無損檢測監督

    項目經理係統負責審查在役無損檢測的技術要求和無損檢測工藝,確定所提出的無損檢測方法和相應的無損檢測能力是否能滿足要求。項目經理係統負責審查開展無損 檢測可靠性和熟練度研究的方案,量化無損檢測能力以便 建立實際的複檢間隔。

    項目經理係統負責審查和批準用於建立複檢周期的對檢測能力的假設;推薦需確認的無損檢 測技術改進和演示項目,以及必要的過渡無損檢測方案以應付檢測能力缺口;向生產製造單位(含供應商)提供建 議和指導,對生產製造單位(含供應商)提出的無損檢測問題進行決策。

    3.3 專業技術總師的職責

    無損檢測主任設計師是集團公司無損檢測工作的技術負責人,負責集團公司無損檢測工作的策劃。在不承擔具體項目任務時,隸屬於材料工藝技術專業總師。

    其主要負 責在飛機設計、製造、試驗、試飛和運營服務各個階段, 組織實施無損檢測的技術工作,特別是無損檢測技術的預 先研究、工程化應用研究,以及新材料和新結構的無損檢測方法研究。

    組織建立並完善無損檢測新技術標準、規範和方法體係,並組織跟蹤主流民機主製造商無損檢測技術的最新應用進展。

    4 民機產業無損檢測的重點工作

    4.1 項目無損檢測IPT 團隊

    在大型項目立項初期,以集成項目團隊(IPT)的形式,組建跨單位和職能的項目無損檢測IPT 團隊。該團隊成員由設計研發、生產製造和客服等單位組成,作為項目結構工藝團隊下的二級團隊,並由項目管理部門歸口管理。

    該IPT 團隊負責人由設計研發單位無損檢測主任設計師兼任,直接向項目主管材料工藝的副總經理匯報,並由生產製造背景的無損檢測三級人員資質的主任工程師或副主任工程師1 名作為副手,團隊成員還有強度、結構、材料、 工藝、製造、維修、適航等專業人員,並實施獨立的績效 考核和工時管理機製。

    項目無損檢測IPT 團隊根據《民機無損檢測通用要求》 和項目的實際需求,在飛機結構設計的最初概念階段,編製《項目無損檢測大綱》,如圖2 所示,指導項目各階段 無損檢測工作,從而將項目無損檢測工作貫穿整個項目研製的流程中。

    具體開展結構設計過程中,可檢測性、檢測 成本、檢測時間消耗及可移除性等方麵的研究工作。 其中,結構、強度人員負責可檢測設計工作,確保研製、 生產和運營服務時檢測工作的結構可達、設備可達以及檢測能力可達。

    在大型力學試驗中,特別是金屬機體的全機疲勞試驗和靜力試驗中,應采用聲發射等無損檢測技術開展裂紋監控等工作,而大型協調加載係統應實現整體計量校準。對於項目中出現的部分無法短期攻關但可以替代的技術,提交預先研究中心組織攻關,為下一個項目使用做準備。

    4.2 大型力學試驗過程中無損檢測工作

    在民機研製過程中,通過聲發射等無損檢測獲得大型力學試驗的數據是編製《飛機無損檢測手冊》的主要依據, 翼身強度試驗現場圖片如圖3 所示。

    在試驗規劃階段,項目管理部門委托項目無損檢測IPT 團隊編製《大型力學試 驗專項無損檢測工作方案》並組織實施。《大型力學試驗 專項無損檢測工作方案》應由分管該試驗任務的結構工藝 總師負責審批。

    在開展大型力學試驗(含外協試驗)任務時,項目無損檢測IPT 團隊應提前規劃無損檢測能力的建設,確保試驗過程中無損檢測設備的監測能力,監督相關無損檢測製 度、標準和規範的落實,加強相關試驗數據的采集、存儲 和備份,所有數據應同時備份至集團公司試驗驗證工作的 技術支撐機構。

    圖3 翼身強度試驗


    4.3 無損檢測測量係統分析

    無損檢測測量係統分析係統的建立應當充分評估以識別所有可能影響結果的因素。如圖4所示,在民機產業常常采用三層樹狀圖來分析相關因素。

    在民機產業,需要重點考慮影響樣本選擇的因素包括: 大部件的臨界尺寸、被測對象的構型、航空公司的特殊需 求,樣本應該覆蓋的整個產品的使用範圍和理論允許公差 範圍。所使用的分析技術假定單個數據點的統計獨立性, 必須進行隨機測量以確保操作者無法識別該零件。

    測量係統受人為影響的過程,需要每名測量人員進 行大量的重複測量。每個測量人員須測量每個樣本三次 或者更多次。當樣本能表現出很好的控製水平時,單人測量單個樣本的最低要求是兩次。在研究測量係統分析因素時,應盡可能體現實際使用該測量設備的操作員的代表樣本。

    如果操作人員多於3人時,那麽至少需要選擇2個人。需要考慮的重要因素包括:最多和最少的有經驗人員、工作在不同位置的人員、工作在不同班次的 人員、任何可能影響測量過程的生理因素等:例如左右撇子,不同層次的視覺敏銳度、身高、血壓等人為因素。所有測量研究的參與者應受過足夠的培訓。在使用自動測量係統(如大型超聲C掃設備等)時人為因素才可忽略不計。

    圖4 民機產業無損檢測測量係統分析研究因素樹狀示例


    5 結語

    長期以來,我國民用航空產業缺乏頂層策劃。雖然大量引進了國外先進無損檢測設備,並培訓了一批擁有 NAS410 或等同資質的人員,但就整體效能和發展上,並非處於有序發展中。

     

     

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