CC BY
107
УДК 662.6:629.5
Н.П. Демидова1, А.А. Марченко2, О.А. Онищенко1
'Одесская национальная морская академия, Украина, Одесса, 65029;
2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: Marchencko29@mail.ru
ОЦЕНКА СОВМЕСТИМОСТИ СУДОВЫХ ТЯЖЕЛЫХ ТОПЛИВ
Целью данной статьи является анализ различных физико-химических показателей судового топлива и их влияния на эксплуатационные характеристики и свойства всей топливной системы судна. В статье объясняются причины необходимости понимания экипажем судна всех качеств судового топлива.
Также в статье приведены все основные физико-химические свойства судовых тяжелых топлив, которые необходимы для экономически и технологически обоснованного выбора типа и марки топлива в конкретных условиях бункеровки или заказа топлива.
Ключевые слова: судовое топливо, вязкость, плотность, механические примеси, износ цилиндров.
N.P. Demidova1, A.A. Marchenko2, O.A Onischenko1 ^Odessa National Marine Academy, Ukraina, Odessa, 65029; 2Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk- Kamchatsky, 683003) Assesment of compatibility of ship heavy fuels
The purpose of this article is to analyze various physical and chemical indicators of ship fuel and their influence on operational characteristics and properties of the whole fuel system of the vessel. The necessity for the crew of the vessel to understand all the qualities of ship fuel is explained in the article. Also the main physical and chemical properties of ship heavy fuels which are necessary for economically and technologically reasonable choice of type and trade mark of fuel in specific conditions of bunkering and ordering fuel are given in the article.
Key words: ship fuel, viscosity, density, mechanical admixtures, wear of cylinders.
DOI: '0.'72'7/2079-0333-20'6-35-'5-20
В последние годы определилась устойчивая тенденция ухудшения качества судовых топлив, связанная с ростом использования остаточных продуктов крекинг -процессов. При этом значительно увеличилась доля асфальтосмолистых фракций в составе тяжелых топлив, что вызывает ряд эксплуатационных проблем и при топливоподготовке и в процессе хранения топлива. Эти осложнения проявляются в образовании отложений в топливных танках и фильтрах, в топливоподогревателях и сепараторах, а также приводят к повышению отказов топливной аппаратуры.
Согласно коллоидно-химическим представлениям [1, 2] тяжелое остаточное топливо является сложной дисперсной системой: коллоидные частицы состоят из высокомолекулярных соединений (типа асфальтенов и твердых парафинов) и окружены поверхностными слоями (сольват-ными оболочками) высокомолекулярных соединений.
Асфальтены являются твердыми веществами, хорошо растворимыми в ароматических углеводородах и плохо растворимыми в других компонентах нефти, и составляют наиболее тяжелую часть топлива. В зависимости от углеводородного состава топлива асфальтены находятся либо в коллоидно-диспергированном состоянии (во взвешенном виде), либо образуют истинные растворы, либо выпадают в виде твердой фазы (осадка).
В высокоароматизированной среде при небольшой концентрации асфальтенов образуются истинные растворы либо стабильные (устойчивые) тонкодисперсные системы. Увеличение молекулярной массы, снижение температуры и ароматичности дисперсионной среды приводит к укрупнению отдельных частиц, появлению ассоциатов и образованию неустойчивой системы, в результате чего возможно образование осадков.
Коллоидно-химические превращения, которые происходят в нефтяных дисперсных системах при смешении различных компонентов тяжелых топлив, определяют, в конечном счете, свойства получаемой смеси.
Нестабильным является топливо, которое в процессе его хранения образует осадки асфаль-тенов. Два топлива несовместимы, если их смесь получается нестабильной, то есть если в смеси происходит выпадение осадков [3, 4].
Такая ситуация может возникнуть с принятым на судно бункером, который приготовлен в береговых смесительных установках из несовместимых компонентов или неправильной их пропорции, а также при смешивании имеющихся на судне несовместимых различных топлив.
Таким образом, крайне важно старшему судовому механику понимать теоретические особенности и нюансы физико-химических различий разных сортов, марок и типов топлива. Именно поэтому представляемый материал актуален, так как позволяет при заказе бункера принимать экономически и технологически обоснованные решения [3, 5].
Целью статьи является анализ характеристик судовых топлив и объективная оценка их влияния на свойства смеси, получаемой при смешении различных топлив.
Название «ароматический» возникло для характеристики производных бензола, обладающих приятным «ароматическим» запахом, и затем было распространено на целый класс углеводородов и подобных веществ, содержащих в своей молекулярной структуре бензольные ядра.
Количество ароматических соединений в топливе зависит от природы нефти, из которой оно получено, и технологии нефтепереработки.
Применительно к тяжелым топливам понятие «ароматичность» определяет его физико-химические характеристики, обусловленные содержанием в топливе ароматических соединений. Ароматические соединения способствуют удержанию асфальтенов в растворенном или тонкодисперсном состоянии и обеспечивают асфальтеновую стабильность топлива.
Для оценки растворяющей способности топлива по отношению к содержащемуся в нем асфальту используется критерий ароматичности, предложенный Горнорудным бюро США, корреляционный индекс бюро шахт, который характеризует имеющуюся растворяющую способность неасфальтенов (BUREAN of mines correlation index). Он определяется уравнением:
BMCI = 527,9 • р 15 - 0,166 • v юс - 442,5,
где р 15 - плотность смеси при 15°С, кг/м3; v 100 - кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с.
В стабильном топливе (или смеси топлив) все асфальтены находятся в растворенном состоянии и способны оставаться в таком состоянии продолжительное время. В этом случае считается, что «растворяющая способность» топлива по отношению к его асфальтенам достаточна.
Минимальная «растворяющая способность», обеспечивающая удержание асфальтенов в растворе, оценивается «точкой эквивалентности толуола» (ТЕ). ТЕ определяется путем растворения испытуемого топлива в различных смесях толуола и нормального гептана (н -гептана) и определения момента начала осаждения асфальтенов по методу пятна. Эта методика требует специального оборудования и может быть выполнена только в лаборатории.
Проведенные фирмой «Еххоп Mobil Corporation» [3-5] исследования позволили сформулировать следующий критерий стабильности смесей: топливо, полученное смешением компонентов, является стабильным, а исходные топлива совместимыми, если имеющаяся «растворяющая способность» (ароматичность) смеси больше минимальной «растворяющей способности», необходимой для удержания асфальтенов в растворе.
В результате сопоставления значений BMCI и ТЕ для большого количества смесей остаточных топлив как совместимых, так и несовместимых, было установлено, что для всех смесей критерий совместимости можно выразить в следующей форме:
BMCI - ТЕ > К,
где BMCI - корреляционный индекс горнорудного бюро, который характеризует имеющуюся растворяющую способность топлива; ТЕ - численное значение точки эквивалентности толуола, которое характеризует необходимую растворяющую способность конкретного типа топлива; К - постоянная, зависящая от конкретных составляющих смеси.
Для большинства смесей крекинговых остаточных нефтепродуктов и обычных разбавителей постоянная К находится в диапазоне от 7 до 14.
Основной вопрос, относящийся к проблеме совместимости топлив, - будут ли два топлива разных источников после смешения в топливном танке представлять собой стабильную смесь без выделения осадка? - может быть решен путем предварительного расчета показателей BMCI и ТЕ для смеси проб этих топлив в разных пропорциях.
При этом можно предсказать, допустимо ли смешивание этих топлив и какие пропорции обеспечат минимальное выпадение асфальтенов.
Показателем совместимости является количество отстоя (после смешивания топлив), замеренного при горячей фильтрации. Он выражается в процентах от общей массы смешанного топлива. Этот показатель в мировой практике обозначен как SHF - Sediment by Hot Filtration (осадок при горячей фильтрации).
На рис. 1 в качестве примера показаны графики изменения BMCI, TE и осадка смеси SHF в зависимости от состава топлив для смесей крекинг-остатка и некрекированного топлива. На графике четко прослеживается прямолинейная зависимость (1) величины ВМС1 от состава смеси. Величина ТЕ при небольшом добавлении некре-кированно го маловязкого компонента изменяется незначительно, однако при увеличении доли некрекирован-ного компонента ТЕ уменьшается и достигает значения ТЕ некрекирован-ного топлива. При составе смесей, содержащих от 30 до 60% крекированного компонента, разница между ВМС1 и ТЕ падает ниже 7 и наблюдается выпадение значительных количеств осадков.
Для вспомогательных двигателей, при отсутствии газотурбинного топлива, часто используется смесь мазута с дизельным топливом, которая дешевле, чем дизельное топливо, и имеет вязкость, намного меньшую, чем у мазута.
Требуемое соотношение смешиваемых компонентов с известными вязкостями можно определить из диаграммы смешивания (рис. 2) посредством соединения двух точек прямой линией.
Необходимо учитывать, что тяжелотопливный компонент уже является смесью мазута с легким топливом в пропорции, обеспечивающей эксплуатационную вязкость.
Так как время и температура усиливают процесс осаждения в смеси, которая часто бывает нестабильной, то смешанное топливо должно быть направлено непосредственно в двигатель, а не храниться в цистерне.
Если требуемая вязкость на впрыске может быть получена не только разбавлением тяжелого топлива легким, но и с помощью нагрева, то, как правило, более целесообразно нагревать топливо, чтобы избежать риска, связанного со смешиванием.
Для повышения асфальтеновой стабильности тяжелых топлив, если есть опасность образования осадков, может быть рекомендовано применение специальных присадок, которые обеспечивают удержание асфальтенов в диспергированном состоянии (присадка «Бункерол Д» фирмы «Ameroid», присадка 10804Х фирмы «Еххоп Mobil Corporation» и другие). При применении таких присадок следует иметь в виду, что в случае накопления значительных отложений асфальто-смолистых продуктов в топливных танках первоначальная дозировка присадки должна быть минимальной, так как интенсивное удаление осадков из танков и топливной системы приводит к чрезмерному заносу топливных фильтров, затрудняет работу сепараторов и др. Кроме того, при наличии в топливе воды возможно образование стойких эмульсий, поэтому отстой воды в танках необходимо удалять. При содержании воды более 1% применение присадки не рекомендуется.
BMCI, TE 70
60 50 40 30 20 10
7
1 - корреляционный индекс BMCI
2 - эквивалент толуола ТЕ
3 - осадок топлив SHF
А
SHF, % 0,4
0,3 0,2 0,1
40
80
Рис. 1. Графики изменения ВМС1, ТЕ и осадка смеси SHF в зависимости от состава топлив
2
3
20
60
?, %
Высоковязкое топливо, объемы., %
4 000 3 000 2 000 1 500 1 000
1
3
4
ПРИМЕР СМЕШИВАНИЯ Тяжелое топливо. 475 сСт при 50 °С Легкое топливо. 3.0 сСт при 40 °С соответствует 2,45 сСт при 50 °С Точка Марка Необходимый объемн. % топлива легкого топлива
4 000 3 000 2 000 1 500
1 000 800 600
500 500 400 g 400 -300 300 -
200 g 200 -150 £ 150 -
100 £ 10080 Р 80 60 2 6050 о 5040 о 40 ■
30
30
-9.0 8.0 -7.0 6.0 5.0
20
50 °С 40 °С
Маловязкое топливо, объемн., %
Рис. 2. Номограмма смешивания
1 000
1FQ-180
IFQ-80
9.0
6.0
5.0
4.0
4.0
3.0
3.0
3.0
3.0
0
Изложенная выше методика определения совместимости топлив из-за своей сложности не пригодна для использования в судовых условиях. Для применения на судне, в реальных эксплуатационных условиях, разработана капельная проба, представляющая собой упрощенный тест на совместимость по методу ASTN D2781. Этот метод использован фирмой «MAR-TEC» (Германия, Гамбург), разработавшей судовую экспресс-лабораторию для анализа топлив и масел (Fuel Lube Test Cabinet), с помощью которой проводится испытание топлив на совместимость.
Ниже приведено описание испытания совместимости топлив.
1. Подготовка образца топлива.
1.1. При вязкости испытуемого топлива менее 75 сСт при температуре 50°С оно используется в неразбавленном виде.
1.2. При вязкости испытуемой смеси двух топлив менее 75 сСт при температуре 50°С берется 50% каждого компонента, всего 40 мл.
1.3. При вязкости топлива более 75 сСт при температуре 50°С, к 40 мл топлива добавляется 20 мл растворителя (реагент А).
1.4. При вязкости смеси более 75 сСт при температуре 50°С к 20 мл каждого сорта топлива добавляют 20 мл реагента А.
2. Проведение испытаний топлива.
Испытуемый образец топлива или смеси топлив наливают в градуированный цилиндр, закрывают, встряхивают и помещают в ячейку термостата, заполненную 30 мл воды. Нагревают до 65°С, контролируя термометром. Через 10 мин вынимают цилиндр, закрывают и снова энергично встряхивают. Затем снова помещают в термостат и доводят температуру до 65°С.
Помещают хроматографическую бумагу на чашку Петри или на подставку, чтобы бумага опиралась только по краям. Используя корпус термометра, наносят одну каплю нефтепродукта на хроматографическую бумагу. Вынимают цилиндр из бани. Затем помещают хроматографиче-скую бумагу с каплей нефтепродукта на ячейку термостата для высушивания образовавшегося из капли пятна.
Различия в яркости цвета, размера пятен, их наружных кромок не имеет никакого значения, принимается во внимание только интенсивность очертания центральной зоны пятна (ядра).
Полученное пятно сравнивают с прилагаемыми эталонными пятнами (рис. 3 и табл.).
1 2 3 4 5
Рис. 3. Определение стабильности топливной смеси
Описание эталонных пятен
Номер эталонного пятна Характерные особенности Характеристика совместимости
1 Однородное пятно, внутреннего кольца нет Очень хорошая совместимость
2 Нечеткое или плохо обозначенное внутреннее кольцо Хорошая совместимость
3 Хорошо обозначенное тонкое внутреннее кольцо слегка более темного фона На пределе совместимости
4 Хорошо обозначенное внутреннее кольцо, толще, чем на эталонном пятне № 3, и более темного фона Не совместимы
5 Очень темное густое ядро или скопления густых частиц в центре пятна. Центральная часть пятна гораздо более темного фона Не совместимы
В статье описана и уточнена практическая методика-рекомендация по определению совместимости смешиваемых различных судовых топлив. В результате исследования установлено, что при приготовлении заказанного судном типа топлива следует руководствоваться общими соображениями.
Недопустимо смешивать тяжелое крекированное топливо с легким некрекированным.
Также недопустимо смешивать крекированное и некрекированное тяжелые топлива, но в случае необходимости смешивания таких топлив следует избегать равных или близких пропорций.
Необходимо учитывать, что увеличение содержания дистиллятов в смеси с остаточными то-пливами приводит к потере стабильности. Не рекомендуется содержание дистиллята более 40%, если его происхождение совпадает с происхождением остаточного компонента, и не более 20%, если одинаковость происхождения обоих компонентов не гарантирована.
В случае если известна только плотность топлива, следует избегать смешивания топлив с разной плотностью или смешивать топлива так, чтобы содержание одного из компонентов смеси было минимальным.
Также смесь двух топлив с одинаковой вязкостью и плотностью чаще всего является устойчивой.
Литература
1. Калугин В.Н. Характеристики и свойства морских сортов топлива, особенности топливо-использования: учеб. пособие. - Одесса: ОГМА, 2000. - 51 с.
2. Демидова Н.П., Марченко А.А. Онищенко О.А. Основные показатели судового топлива и их основные эксплуатационные свойства // Вестник КамчатГТУ. - 2015. - Вып. 32. - С. 6-11.
3. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок / С.В. Камкин, И.В. Возниц-кий, В.Ф. Большаков и др. - М.: Транспорт, 1996. - 432 с.
4. Калугин В.Н., Логишев И.В. Использование морских топлив на судах: учеб. пособие. -Одесса: ОНМА, 2010. - 191с.
5. Логишев 1.В., Голтов О.О., Зав'ялов О.А. Технологи використання палив у суднових енер-гетичних установках: навчальний пошбник. - Одесса: ОНМА, 2011. - 135 с.
Информация об авторах Information about authors
Демидова Наталья Павловна - Одесская национальная морская академия; 65029, Украина, Одесса; старший преподаватель кафедры технической эксплуатации флота; ctefnpdemidova@ukr.net
Demidova Natalya Pavlovna - Odessa National Maritime Academy; 65029, Ukraine, Odessa; Senior Lecturer of Fleet Technical Exploitation Chair; ctefnpdemidova@ukr.net
Марченко Алексей Александрович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; старший преподаватель кафедры электро- и радиооборудования судов; Marchencko29@mail.ru
Marchenko Aleksej Aleksandrovich - Kamchatka State Technical University; 6830030, Russia, Petropav-lovsk-KamchatskY, Senior Lecturer of Electrical and Radio Equipment of Ships Chair; Marchencko29@mail.ru
Онищенко Олег Анатольевич - Одесская национальная морская академия; 65029, Украина, Одесса; доктор технических наук; профессор; профессор кафедры технической эксплуатации флота; olegoni@mail.ru
Onishchenko Oleg Anatolievich - Odessa National Maritime Academy; 65029, Ukraine, Odessa; Doctor of Technical Sciences; Professor; Professor of Fleet Technical Exploitation Chair; olegoni@mail.ru
