알로하 항공 243편 사고(1988년): 동체 겹치기 이음의 피로와 부식

1988년 4월 28일, 하와이의 섬들을 잇는 알로하 항공 243편 보잉 737-200은 고도 24,000 ft(약 7,300 m)에서 동체 상부가 떨어져 나가 폭발적 감압을 일으켰습니다. 기체는 근처의 마우이섬에 착륙했지만 객실 승무원 1명이 사망했습니다. 파손된 곳은 외판의 겹치기 이음으로, 접착이 박리되고 리벳 구멍에서 많은 피로 균열이 생겨 있었습니다. NTSB는 정비 프로그램이 이 손상을 발견하지 못한 것을 추정 원인으로 보았습니다.

무슨 일이 있었나

일시
1988년 4월 28일
장소
미국 하와이주 마우이섬 부근(힐로발 호놀룰루행 항공편)
기체
보잉 737-200(라인 번호 152). 그때까지 비행 35,496시간, 89,680회
피해
승객 89명·승무원 6명 중 객실 승무원 1명이 기체 밖으로 빨려 나가 사망으로 추정. 8명 중상
파손
객실 출입문 뒤쪽, 바닥보다 위의 외판과 구조가 약 18 ft(약 5.5 m)에 걸쳐 떨어져 나감
조사
미국 국가교통안전위원회(NTSB) 보고서 NTSB/AAR-89/03

사고 경과와 조사 결론

243편은 하와이섬의 힐로에서 호놀룰루로 향하는, 섬과 섬을 잇는 항공편이었습니다. 고도 24,000 ft에 이르렀을 무렵, 동체 상부의 외판과 구조가 객실 출입문 뒤쪽에서부터 약 18 ft에 걸쳐 날아가 폭발적 감압이 일어났습니다. 승무원은 비상 강하하여 마우이섬의 카훌루이 공항에 착륙했습니다.

NTSB는 추정 원인을, 알로하 항공의 정비 프로그램이 큰 접착 박리와 피로 손상을 발견하지 못한 것이라고 했습니다. 그 결과 S-10L이라고 부르는 위치의 겹치기 이음이 파손되어 동체 상부가 분리되었습니다. 기여 요인으로는 정비 감독이 불충분했던 것, FAA(연방항공청)가 감항성 개선 지시 AD 87-21-08에서 보잉이 제안한 모든 겹치기 이음의 점검을 요구하지 않은 것, 초기 737의 상온 접착 겹치기 이음의 문제(낮은 접착 내구성·부식·조기 피로 균열)에 대한 완전한 최종 대책이 없었던 것을 들었습니다.

재료 측면에서 본 원인의 연쇄

알로하 항공 243편: 재료 측면에서 본 원인의 연쇄제조 시의 접착 불량상온 경화 접착제의 겹치기 이음박리된 곳에 수분이 스며듦부식과 박리의 확대여압 하중을 리벳이 받음접시머리 구멍의 나이프 에지로 응력 집중비행마다 여압의 반복윗줄 리벳 구멍에서 많은 피로 균열균열이 이어져 긴 균열로S-10L 겹치기 이음 파단동체 상부가 비행 중 이탈
알로하 항공 243편: 재료 측면에서 본 원인의 연쇄

초기 737(라인 번호 291까지)은 외판의 겹치기 이음을 상온에서 경화하는 접착제를 함침한 천(스크림)으로 접착했습니다(콜드 본드). 제조 시의 문제로 접착이 약한 곳이나 전혀 접착되지 않은 곳이 생겨 부식되기 쉬운 상태였습니다. 박리된 곳에 수분이 스며들면 박리는 더 넓어집니다.

접착이 박리되면 여압 하중은 리벳이 떠맡게 됩니다. 리벳의 접시머리 구멍은 외판 두께를 관통해 있어 구멍 가장자리가 칼날처럼 얇아졌고(나이프 에지), 보통보다 높은 응력 집중을 일으켰습니다. 그 때문에 이웃한 많은 리벳 구멍에서 피로 균열이 생기고(다중 부위 손상, MSD), 작은 균열끼리 이어져 긴 임계 균열이 되었습니다. 육안으로 윗줄 리벳 구멍에서 뻗어 나간 균열이 확인되었습니다.

피로 균열의 발생과 진전을 결정하는 것은 비행 시간이 아니라 비행 횟수(여압 반복 횟수)입니다. 알로하 항공의 기체는 보잉이 상정한 빈도의 약 2배로 비행하고 있었습니다. 겹치기 이음의 부식은 1970년에 처음 보고되었고, 사고 후 점검에서는 같은 기종 기체의 이음 부풀음, 리벳 들뜸, 도장 부풀음이 발견되었습니다.

원인에 대한 견해: 대학 학생의 논문(Hashmi)은 해안 운항 환경의 염화물이 공식 부식을 일으켜 부식과 부식 피로를 진행시켰을 가능성이 높다고 추정합니다. NTSB의 추정 원인은 정비 프로그램이 접착 박리와 피로 손상을 발견하지 못한 것입니다.

어떤 단서로 원인을 알았나

이 사례의 단서로 진단 가이드 열기

이 단서로 진단 가이드를 열면 부식 피로와 피로가 상위 후보가 됩니다. 수분과 부식의 단서가 있으므로 부식 피로가 위에 오지만, NTSB의 추정 원인은 접착 박리와 피로 손상을 발견하지 못한 것이며, 부식 피로라고 특정하지는 않았습니다.

관련 파손 형태: 피로 / 부식 피로

이후 바뀐 설계·규정·검사

배울 점

확인 질문

피로로 파단된 부품의 파면에 육안으로 보이는 조개껍데기 모양의 무늬(비치 마크)와 전자 현미경으로 보이는 미세한 줄무늬(스트라이에이션)가 있었다. 이들에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A둘 다 하중의 1사이클마다 1개씩 생기므로, 세어 보면 파단까지의 반복 횟수를 알 수 있다
  2. B스트라이에이션은 거의 1사이클마다의 균열 전진을, 비치 마크는 운전 정지 등의 이력을 나타낸다
  3. C둘 다 마지막에 한꺼번에 파괴된 최종 파단부에 생기며, 파괴의 기점에서 가장 먼 곳에 모인다
정답과 해설 보기

정답: B. 스트라이에이션은 거의 1사이클마다의 균열 전진을, 비치 마크는 운전 정지 등의 이력을 나타낸다

스트라이에이션은 균열 선단이 1사이클마다 벌어져 무디어지고, 닫혀 다시 날카로워지는 과정에서 남는 줄무늬로, 그 간격은 대략 1사이클당 균열 진전량 da/dN에 대응합니다. 간격은 µm 이하로 미세하여 전자 현미경이 아니면 보이지 않습니다. 비치 마크는 운전의 정지와 재개, 하중 크기의 변화, 부식 진행 정도의 차이 등으로 균열 전연의 위치가 기록된 무늬로, 줄 하나의 간격에 많은 사이클이 포함됩니다. 둘 다 피로 균열이 조금씩 진전한 영역에 나타나며, 무늬의 동심 중심이 기점을 나타냅니다. 최종 파단부는 남은 단면이 한꺼번에 파괴된 부분으로, 연성 파괴나 취성 파괴의 파면이 됩니다.

피로 균열의 진전 속도 da/dN을 응력 확대 계수 범위 ΔK에 대해 양대수로 그린 곡선에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A중간 영역은 파리스 법칙 da/dN = C(ΔK)ᵐ의 직선이며, ΔK_th 미만에서는 균열이 거의 진전하지 않는다
  2. Bda/dN은 ΔK와 관계없이 일정하며, 균열의 길이와 재료의 항복 응력만으로 정해진다
  3. CΔK가 커질수록 직선의 기울기가 작아지며, 최대 응력 확대 계수가 K_IC에 가까워지면 균열의 진전은 멈춘다
정답과 해설 보기

정답: A. 중간 영역은 파리스 법칙 da/dN = C(ΔK)ᵐ의 직선이며, ΔK_th 미만에서는 균열이 거의 진전하지 않는다

이 곡선은 보통 세 영역으로 나뉩니다. ΔK가 하한계값 ΔK_th에 가까운 낮은 영역에서는 진전 속도가 급격히 작아지며, ΔK_th보다 아래에서는 균열이 실질적으로 진전하지 않습니다. 중간 영역은 양대수 그래프에서 직선이 되며, 파리스 법칙 da/dN = C(ΔK)ᵐ으로 나타낼 수 있습니다. 지수 m은 금속에서 대략 2~4입니다. 최대 응력 확대 계수 K_max가 파괴 인성 K_IC에 가까워지는 높은 영역에서는 속도가 급격히 증가하여 불안정 파괴에 이르므로, 진전이 멈춘다는 설명은 반대입니다. ΔK = YΔσ√(πa)는 응력 범위와 균열 길이 모두로 정해지므로, 속도가 균열 길이만으로 정해지는 것은 아닙니다.

어떤 강판의 피로 균열 진전은 파리스 법칙 da/dN = C(ΔK)ᵐ(C = 1.0×10⁻¹², da/dN의 단위는 m/cycle, ΔK의 단위는 MPa·√m, m = 4)으로 나타낼 수 있고, ΔK = Δσ√(πa)(형상 계수 1)로 한다. 응력 범위 Δσ = 200 MPa의 반복에서 균열의 길이가 1.0 mm에서 5.0 mm까지 진전하는 횟수에 가장 가까운 것은 무엇인가? 이 사이의 ΔK(약 11~25 MPa·√m)는 하한계값보다 충분히 크고, 파리스 법칙이 성립하는 범위에 있다고 한다.

  1. A약 2.5×10⁵회
  2. B약 5.1×10⁴회
  3. C약 6.3×10⁴회
정답과 해설 보기

정답: B. 약 5.1×10⁴회

m = 4일 때 da/dN = C(Δσ√π)⁴a²이므로, 변수를 분리하여 적분하면 N = (1/a₀ − 1/a_f)/[C(Δσ√π)⁴]입니다. C(Δσ√π)⁴ = 1.0×10⁻¹²×200⁴×π² ≈ 1.58×10⁻² m⁻¹, 1/a₀ − 1/a_f = 1000 − 200 = 800 m⁻¹이므로, N ≈ 800/(1.58×10⁻²) ≈ 5.1×10⁴회입니다. 약 2.5×10⁵회는 처음 1.0 mm에서의 속도 1.58×10⁻⁸ m/cycle이 끝까지 계속된다고 한 값으로, 균열이 늘어나면 ΔK가 증가하여 가속된다는 점을 무시한 것입니다. 약 6.3×10⁴회는 1/a_f 항을 빠뜨린 값입니다. 수명의 대부분은 균열이 아직 짧은 초기에 소비됩니다.

어떤 강 부품은 응력 진폭 σ₁에서는 1.0×10⁵회, σ₂에서는 1.0×10⁶회에서 피로 파괴된다. σ₁에서 4.0×10⁴회 사용한 뒤 σ₂에서 계속 사용한다. 마이너 법칙(Σn/N = 1에서 파괴)으로 추정한 남은 수명에 가장 가까운 것은 무엇인가?

  1. A약 6.0×10⁵회
  2. B약 9.6×10⁵회
  3. C약 6.0×10⁴회
정답과 해설 보기

정답: A. 약 6.0×10⁵회

σ₁에서의 손상은 n₁/N₁ = 4.0×10⁴/1.0×10⁵ = 0.40이고, 남은 것은 1 − 0.40 = 0.60입니다. σ₂에서는 1회당 손상이 1/N₂이므로, 남은 횟수는 0.60×1.0×10⁶ = 6.0×10⁵회가 됩니다. 약 9.6×10⁵회는 손상의 비율이 아니라 횟수 자체를 N₂에서 뺀 값으로, 응력에 따라 1회의 무게가 다르다는 점을 무시한 것입니다. 약 6.0×10⁴회는 남은 비율에 σ₁에서의 수명 N₁을 곱해 버린 값입니다. 마이너 법칙은 간편하지만 하중 순서의 영향은 나타낼 수 없으며, 높은 응력에서 낮은 응력으로 옮겨 가는 순서에서는 실제 수명이 추정보다 짧아지기 쉽다고 알려져 있습니다.

관련 용어

피로 한도 스트라이에이션 파리스 법칙 응력 집중 계수 마이너 법칙

주요 출처

  1. NTSB, Aircraft Accident Report NTSB/AAR-89/03: Aloha Airlines, Flight 243, Boeing 737-200, N73711, near Maui, Hawaii, April 28, 1988(요약. UNT 도서관의 정부 사이트 보존판)
  2. FAA, Lessons Learned from Transport Airplane Accidents: Boeing 737-200 N73711
  3. N. Hashmi, Revisiting Aloha Airline Flight 243: Corrosion Engineer’s Stand point(NTSB 보고서의 쪽수를 인용한 논문)

날짜·인원·치수·온도 등의 값은 위의 공식 보고서와 이를 인용한 자료로 확인한 것입니다.

다른 사례

파손 분석 가이드로