阿囉哈航空 243 號班機事故(1988 年):機身搭接接頭的疲勞與腐蝕

1988年4月28日,往來夏威夷各島的阿囉哈航空 243 號班機(波音 737-200),在高度 24,000 ft(約 7,300 m)失去機身上部,發生爆炸性減壓。飛機降落在附近的茂宜島,但有 1 名空服員罹難。損壞的是蒙皮的搭接接頭,黏著已經剝離,並從鉚釘孔產生了許多疲勞裂縫。NTSB 認定的可能原因是維修計畫未能發現這些損傷。

發生了什麼

日期
1988年4月28日
地點
美國夏威夷州茂宜島附近(希洛飛往檀香山的班機)
機體
波音 737-200(生產線號 152)。在此之前累計飛行 35,496 小時、89,680 次
傷亡
乘客 89 人、機組員 6 人中,1 名空服員被吸出機外,推定死亡。8 人重傷
損壞
客艙入口門後方、地板以上的蒙皮與結構,約 18 ft(約 5.5 m)的範圍脫落
調查
美國國家運輸安全委員會(NTSB)報告 NTSB/AAR-89/03

事故經過與調查結論

243 號班機是從夏威夷島的希洛飛往檀香山的島際航班。到達高度 24,000 ft 時,機身上部的蒙皮與結構從客艙入口門後方約 18 ft 的範圍飛脫,發生爆炸性減壓。機組員緊急下降,降落在茂宜島的卡胡盧伊機場。

NTSB 認定的可能原因,是阿囉哈航空的維修計畫未能發現大範圍的黏著剝離與疲勞損傷。結果,稱為 S-10L 位置的搭接接頭損壞,機身上部分離。肇因因素包括:維修的監督不足;FAA(美國聯邦航空總署)在適航指令 AD 87-21-08 中,沒有要求檢查波音所提議的所有搭接接頭;以及早期 737 常溫黏著搭接接頭的問題(黏著耐久性低、腐蝕、早期疲勞裂縫)沒有完整的最終對策。

從材料角度看原因的連鎖

阿囉哈航空 243 號班機:從材料角度看原因的連鎖製造時的黏著不良以常溫硬化黏著劑接合的搭接接頭水分滲入剝離處腐蝕與剝離的擴大由鉚釘承受加壓負荷埋頭孔的刀刃狀邊緣造成應力集中每次飛行反覆加壓上排鉚釘孔產生許多疲勞裂縫裂縫相連成為長裂縫S-10L 的搭接接頭斷裂機身上部在飛行中脫落
阿囉哈航空 243 號班機:從材料角度看原因的連鎖

早期的 737(至生產線號 291 為止),是以浸漬常溫硬化黏著劑的布(scrim)黏著蒙皮的搭接接頭(冷黏接)。由於製造時的問題,產生了黏著弱的地方,或完全沒有黏著的地方,因而容易腐蝕。水分滲入剝離處後,剝離會進一步擴大。

黏著剝離之後,加壓負荷就改由鉚釘承受。鉚釘的埋頭孔貫穿蒙皮的厚度,孔緣變得像刀刃一樣薄(刀刃狀邊緣),產生比一般更高的應力集中。因此,許多相鄰的鉚釘孔產生了疲勞裂縫(多處損傷,MSD),小裂縫互相串連,成為很長的臨界裂縫。目視已確認有從上排鉚釘孔延伸出的裂縫。

決定疲勞裂縫產生與成長的不是飛行時數,而是飛行次數(加壓的反覆次數)。阿囉哈航空的機體,飛行頻率約為波音假設的 2 倍。搭接接頭的腐蝕在 1970 年就首次被報告,事故後的檢查中,在同型機上發現了接頭鼓起、鉚釘浮起與塗裝起泡。

關於原因的看法:一篇大學生的論文(Hashmi)推定,海邊營運環境中的氯化物很可能引起孔蝕,促進了腐蝕與腐蝕疲勞。NTSB 認定的可能原因,則是維修計畫未能發現黏著剝離與疲勞損傷。

從哪些線索查明了原因

以這個案例的線索開啟診斷指引

以這些線索開啟診斷指引,腐蝕疲勞與疲勞會成為前幾名的候選。由於有水分與腐蝕的線索,腐蝕疲勞排在前面;但 NTSB 認定的可能原因是未能發現黏著剝離與疲勞損傷,並沒有特定為腐蝕疲勞。

相關的破損形態: 疲勞 / 腐蝕疲勞

事後改變的設計、標準與檢查

可以學到的事

確認問題

因疲勞而破斷之零件的破斷面上,有肉眼可見的貝殼狀花紋(海灘紋),以及以電子顯微鏡可見的細紋(疲勞紋)。關於這些的敘述,下列何者正確?

  1. A兩者都是負荷每1個循環形成1條,計數即可得知至破斷的循環數
  2. B疲勞紋大致對應每1個循環的裂縫前進,海灘紋則記錄運轉停止等歷程
  3. C兩者都形成於最後瞬間斷裂的最終破斷區,集中在距起點最遠的地方
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正確答案:B. 疲勞紋大致對應每1個循環的裂縫前進,海灘紋則記錄運轉停止等歷程

疲勞紋是裂縫尖端在每1個循環中張開而鈍化、閉合後再變尖銳的過程中留下的條紋,其間距大致對應每1個循環的裂縫擴展量 da/dN。間距在µm以下而很細,不用電子顯微鏡看不到。海灘紋是因運轉的停止與重新啟動、負荷大小的變化、腐蝕進行方式的差異等,記錄下裂縫前緣位置的花紋,1條之間包含許多循環。兩者都出現在疲勞裂縫逐漸擴展的區域,花紋的同心中心表示起點。最終破斷區是剩餘斷面一口氣破壞的部分,呈現延性破壞或脆性破壞的破斷面。

將疲勞裂縫擴展速率 da/dN 對應力強度因子範圍 ΔK 以雙對數作圖的曲線,下列敘述何者正確?

  1. A中間區域為Paris定律 da/dN = C(ΔK)ᵐ 的直線,ΔK 小於 ΔK_th 時裂縫幾乎不擴展
  2. Bda/dN 與 ΔK 無關而固定,只由裂縫長度與材料的降伏應力決定
  3. CΔK 越大,直線的斜率就變得越小,當最大應力強度因子逐漸接近材料的 K_IC 時,裂縫的擴展就會完全停止下來
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正確答案:A. 中間區域為Paris定律 da/dN = C(ΔK)ᵐ 的直線,ΔK 小於 ΔK_th 時裂縫幾乎不擴展

這條曲線通常分為3個區域。ΔK 接近門檻值 ΔK_th 的低區域中,擴展速率急遽變小,低於 ΔK_th 時裂縫實質上不擴展。中間區域在雙對數下成為直線,可用Paris定律 da/dN = C(ΔK)ᵐ 表示,金屬的指數 m 約為2〜4。在最大應力強度因子 K_max 接近破壞韌性 K_IC 的高區域,速率急遽增加而導致不穩定破壞,因此擴展停止的說法是相反的。ΔK = YΔσ√(πa) 由應力範圍與裂縫長度兩者決定,因此速率並非只由裂縫長度決定。

某鋼板的疲勞裂縫擴展可用Paris定律 da/dN = C(ΔK)ᵐ(C = 1.0×10⁻¹²,da/dN 的單位為 m/cycle,ΔK 的單位為 MPa·√m,m = 4)表示,並設 ΔK = Δσ√(πa)(形狀係數1)。在應力範圍 Δσ = 200 MPa 的反覆負荷下,裂縫長度從1.0 mm擴展到5.0 mm的次數最接近下列何者?假設這段期間的 ΔK(約11〜25 MPa·√m)遠大於門檻值,位於Paris定律成立的範圍內。

  1. A約2.5×10⁵ 次
  2. B約5.1×10⁴ 次
  3. C約6.3×10⁴ 次
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正確答案:B. 約5.1×10⁴ 次

m = 4 時 da/dN = C(Δσ√π)⁴a²,分離變數後積分得 N = (1/a₀ − 1/a_f)/[C(Δσ√π)⁴]。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⁻¹,因此 N ≈ 800/(1.58×10⁻²) ≈ 5.1×10⁴ 次。約2.5×10⁵ 次是假設初始1.0 mm時的速率 1.58×10⁻⁸ m/cycle 一直持續到最後的值,忽略了裂縫延伸時 ΔK 增加而加速。約6.3×10⁴ 次是漏掉 1/a_f 項的值。壽命的大部分,是在裂縫還短的初期消耗掉的。

某鋼零件在應力振幅 σ₁ 下經1.0×10⁵ 次、在 σ₂ 下經1.0×10⁶ 次發生疲勞破壞。在 σ₁ 下使用4.0×10⁴ 次後,改在 σ₂ 下繼續使用。以Miner法則(Σn/N = 1 時破壞)估算的剩餘壽命最接近下列何者?

  1. A約6.0×10⁵ 次
  2. B約9.6×10⁵ 次
  3. C約6.0×10⁴ 次
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正確答案:A. 約6.0×10⁵ 次

σ₁ 下的損傷為 n₁/N₁ = 4.0×10⁴/1.0×10⁵ = 0.40,剩下 1 − 0.40 = 0.60。在 σ₂ 下每1次的損傷為 1/N₂,因此剩餘次數為 0.60×1.0×10⁶ = 6.0×10⁵ 次。約9.6×10⁵ 次是不用損傷比例而直接從 N₂ 減去次數本身的值,忽略了每1次的權重隨應力而不同。約6.0×10⁴ 次是把剩餘比例乘上 σ₁ 下的壽命 N₁ 的值。Miner法則雖然簡便,但無法表示負荷順序的影響;已知從高應力轉到低應力的順序下,實際壽命容易比估計值短。

相關名詞

疲勞限 疲勞紋 Paris定律 應力集中係數 Miner法則

主要出處

  1. NTSB, Aircraft Accident Report NTSB/AAR-89/03: Aloha Airlines, Flight 243, Boeing 737-200, N73711, near Maui, Hawaii, April 28, 1988(摘要;UNT 圖書館保存的政府網站版本)
  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(引用 NTSB 報告頁面的論文)

日期、人數、尺寸、溫度等數值,是以上方的官方報告及引用它的資料確認過的。

其他案例

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