CC BY
248
УДК 662.754
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ПРОТИВОВОДОКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
А.В. ОРЕШЕНКОВ, Н.Н. ГРИШИН
Рассмотрены вопросы оценки эффективности действия противоводокристаллизационных жидкостей. Приводятся описание методов квалификационной оценки и нормы на определяемые показатели эффективности.
Ключевые слова: противоводокристаллизационная жидкость, эксплуатационное свойство, квалификационные методы.
Развитие авиационной техники в направлении повышения надежности и увеличения ресурса авиационных двигателей и систем, обеспечивающих их работу (топливопитания и автоматического регулирования), выдвигает высокие требования к качеству реактивных топлив с проти-воводокристаллизационными жидкостями (ПВКЖ), применяемыми для предотвращения образования кристаллов льда и кристаллизации эмульсионной воды в топливе. При увеличении содержания эмульсионной воды в топливе концентрация ПВКЖ может оказаться недостаточной для ее удержания в топливе. Опыт эксплуатации авиационной техники свидетельствует о том, что при попадании в топливную систему летательных аппаратов (ЛА) воды и образовавшихся водных отстоев ПВКЖ, содержащих экстрагированные из топлива поверхностно-активные вещества, происходит нарушение работы топливной автоматики, ускорение коррозионных процессов на границе с конструкционными металлами и разрушение герметизирующих покрытий топливных баков. При этом топлива с ПВКЖ должны обеспечивать не только надежную эксплуатацию летательных аппаратов, но и гарантировать безотказную работу аэродромного наземного заправочного комплекса, сохранять свое качество в пределах установленных норм при длительном хранении в баках авиатехники.
В целом эффективность ПВКЖ представляет собой эксплуатационное свойство, определяемое физико-химическими свойствами - растворимостью в топливе при отрицательной температуре, поверхностной активностью, способностью растворять кристаллы льда в топливе, коррозионными свойствами и воздействием на герметик, которое в основном зависит от состава и строения молекул ПВКЖ, а также наличия в них технологических примесей. Для допуска к применению ПВКЖ, полученных с незначительным изменением сырья, технологии, компонентного состава и отдельных показателей качества, оценка эффективности ПВКЖ ограничивается только этапом квалификационных испытаний всех опытных образцов ПВКЖ. Определение показателей физико-химических свойств ПВКЖ производят методами, позволяющими при малых затратах времени, сил и средств оценить уровень этого эксплуатационного свойства.
Сущность метода оценки способности ПВКЖ растворяться в топливе при отрицательных температурах заключается в определении оптической плотности топлива с ПВКЖ при положительной и отрицательной температурах с последующим расчетом величины растворимости жидкости в топливе.
Оптическую плотность топлива с ПВКЖ определяют фотоколориметром ФЭК-56М (КФК-2МП, ФЭК-М и др.). В кварцевую кювету фотоколориметра наливают (до метки 8 см ) раствор испытуемого образца ПВКЖ в топливе в концентрации: тетрагидрофурфуриловый спирт (ТГФ) - 0,5% масс.; этилцеллозольв (жидкость «И») с метанолом в соотношении 1:1 (жидкость И-М) -0,4% масс.; ТГФ с метанолом в соотношении 1:1 (жидкость ТГФ-М) и жидкость ПВКЖ-М [1] -
0,3% масс.; измеряют его оптическую плотность в кювете при температуре 20о С и после охлаждения со скоростью 8о С/ч до температуры минус 20о С.
Показатель растворимости ПВКЖ в топливе в процентах вычисляют как отношение оптических плотностей раствора при температурах 20о С и минус 20о С с точностью до 1%. За результат оценки растворимости ПВКЖ в топливе принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных испытаний. Два результата оценки принимаются достоверными, если расхождение между ними не превышает 0,1% среднего арифметического значения измеряемых величин при доверительной вероятности 0,95.
Метод оценки поверхностно-активных свойств ПВКЖ в топливе заключается в определении величины межфазного натяжения на границе топливо - 5% масс. раствор ПВКЖ в воде и последующем расчете значения поверхностной активности ПВКЖ в топливе.
Перед испытанием все необходимое оборудование (стаканы, шприц и капилляр) промывают хромовой смесью, дистиллированной водой, спиртом этиловым и высушивают. В шприц вертикально (поршень сверху), укрепленный в штативе, с 1-образным капилляром набирают топливо, поршень шприца жестко соединяют с подвижной штангой микрометра гладкого (МК-25 и др.) с ценой деления 0,01. Капилляр погружают в стеклянный стакан диаметром 50 мм и высотой 100 мм, содержащий 100 см3 испытуемого раствора ПВКЖ в воде так, чтобы его срез находился по горизонтали и вертикали в середине раствора. Медленным вращением головки микрометра в раствор выдавливают каплю правильной формы так, чтобы ее отрыв происходил не ранее чем через 120 с. Определение повторяют 5 раз, фиксируя количество делений микрометра, соответствующие выдавливанию одной капли, затем меняют раствор ПВКЖ и повторяют испытание. Аналогично измеряют межфазное натяжение на границе топливо-вода.
Межфазное натяжение (о) в мкН/м на границе топливо-водный раствор ПВКЖ и топливо-вода рассчитывают по формуле
п
о = от
п
где оТ - межфазное натяжение на границе толуол-вода, равное 35-10 мкН/м; п и пт - среднее значение количества делений микрометра, полученное соответственно при испытании опытного образца и толуола.
Поверхностную активность ПВКЖ (О) в мкН-м /моль вычисляют по формуле
а = ° о2
с
где б] и б2 - межфазное натяжение на границе соответственно топливо-вода и топливо-водный раствор ПВКЖ, мкН/м; С - концентрация ПВКЖ в воде, моль/м . Сходимость результатов измерений С с доверительной вероятностью 0,95 не превышает 4 мкН-м2/моль.
Оценка способности ПВКЖ растворять кристаллы льда в топливе заключается в оценке изменения массы кристалла льда до и после контакта с топливом, содержащим ПВКЖ в течение установленного времени при заданной температуре.
Испытания проводят с использованием трех сухих фторопластовых ячеек, представляющих собой открытые цилиндрические сосуды внутренним диаметром 20 мм с высотой бортика 5 мм, толщиной днища и стенок 1 -2 мм, которые перед использованием тщательно промывают хромовой смесью и спиртом.
В каждую ячейку пипеткой вводят 1 см3 дистиллированной воды и охлаждают в термостате до температуры минус 10о С. Одновременно в термостат помещают три стеклянных бюкса с 40 см3 0,6% масс. раствора ПВКЖ в топливе. По истечении времени замораживания воды за 1 ч до испытания фторопластовые ячейки с водой поочередно извлекают из термостата, взвешивают на аналитических весах с погрешностью 1 мг и помещают обратно в термостат. Далее, не извлекая из термостата бюксов с топливом, на дно каждого из них с помощью пинцета помещают ячейку со льдом, закрывают бюксы и термостат, включив секундомер. По истечении 3 ч откры-
вают термостат и поочередно извлекают ячейки из бюксов, протирают их фильтровальной бумагой и сразу взвешивают с погрешностью 1 мг.
Удельное уменьшение массы кристалла льда (Лш) в мг/см вычисляют по формуле
m'-m
Лт =-
S '
где т' и m - масса ячейки с кристаллом льда соответственно до и после испытания, мг; S -площадь ячейки, см2.
Показатель Лт вычисляют с погрешностью 1 мг/см . За результат испытания принимают среднее арифметическое трех параллельных определений. Сходимость результатов оценки Лт с доверительной вероятностью 0,95 не превышает 14 мг/см реальных значений измеряемой величины.
Оценка коррозионной активности водных растворов ПВКЖ заключается в определении с использованием рентгенофлуоресцентного анализа содержания железа и меди в продуктах коррозии металлов после их периодического контакта с водным раствором ПВКЖ, топливом и воздухом в приборе Пинкевича при температуре 80° С. Для испытаний в четыре стеклянные пробирки наливают испытуемый водный раствор ПВКЖ и 35 см3 топлива ТС-1 (нефильтрованного), после чего пробирки опускают в предварительно нагретую масляную баню прибора Пинкевича. Четыре маркированных пластины из стали марки Ст. 3 и бронзы ВБ-23НЦ размерами (40x10x2,5) мм с отверстиями диаметром 2 мм, расположенные посредине на расстоянии 4 мм от одной из граней длиной 10 мм, отполированные пастой ERE (паста ГОИ), промытые водой и спирто-толуольной смесью (1:4) и высушенные фильтровальной бумагой, укрепляют на подвесках прибора, обеспечивающего их попеременное погружение в топливо или водный раствор ПВКЖ и нахождение на воздухе с частотой 16 раз в мин в течение 30 мин.
После проведенных испытаний каждую металлическую пластинку помещают на дно стакана с 50 см фильтрованного через мембранный фильтр «Владипор» (тип МФАС-А2 по ТУ 6-05-221-620) топлива ТС-1 и обрабатывают в течение 60 с каждую из сторон ультразвуком с частотой 22 кГц, используя звуковой диспергатор типа УЗДН-2Т, опустив в топливо излучатель так, чтобы между поверхностью излучателя и обрабатываемой поверхностью пластинки расстояние было не более 2 мм.
Топливо с продуктами коррозии отфильтровывают через мембранный фильтр под вакуумом (разряжение от 70 до 100 мм рт. ст.), извлекают фильтр и определяют содержание металлов на поверхности фильтра с помощью рентгеновского бездифракционного анализатора БАРС-3.
За результат испытаний принимают среднее арифметическое значение концентрации металла четырех параллельных определений. Сходимость результатов оценки содержания железа или меди в продуктах коррозии пластинок после контакта с водным раствором ПВКЖ с доверительной вероятностью 0,95 не превышает 50% измеряемой величины.
Суть метода оценки агрессивного воздействия ПВКЖ на тиоколовый герметик заключается в оценке изменения его массы после контакта с водным раствором испытуемого образца ПВКЖ в герметичном контейнере без допуска кислорода при температуре 90о С в течение установленного времени.
Пластины герметика прямоугольной формы с размерами, обеспечивающими отношение их площади к объему водного раствора ПВКЖ, равное 0,05 см-1, вымачивают в топливе РТ в течение 24 ч, промывают в петролейном эфире, сушат при температуре 70о С не менее 6 ч, охлаждают в эксикаторе в течение 30 мин и взвешивают с погрешностью 0,001 г. Высушивание и взвешивание повторяют до получения расхождения между двумя последовательными взвешиваниями не более 0,001 г.
Подготовленные пластины (не менее трех) помещают в стеклянный стакан, закрепив их с помощью деревянных зажимов так, чтобы расстояние между пластинами и поверхностью стакана было не менее 5 мм. Стакан заполняют испытуемым раствором ПВКЖ в воде в соотноше-
нии, указанном в методе оценки коррозионной агрессивности ПВКЖ не более, чем на 75% объема, при этом уровень раствора над образцами герметика должен быть не менее 10 мм. Стакан с испытуемым образцом ПВКЖ помещают в герметичный контейнер, предварительно нагретый до температуры испытания, равной 90о С, и выдерживают при этой температуре 25 ч. По истечении времени испытаний образцы герметика извлекают из испытуемого образца жидкости, сушат фильтровальной бумагой и взвешивают с погрешностью 0,001 г. Высушивание и взвешивание повторяют до получении расхождения между двумя последовательными взвешиваниями не более 0,001 г.
Набухание герметика в испытуемой жидкости (Нм) в процентах вычисляют по формуле
Н = т -т .юс, %, тд
где тн - масса образца после воздействия раствора ПВКЖ, г; тд - масса образца после воздействия раствора ПВКЖ и доведения до постоянного веса, г.
Вымывание образца испытуемой жидкостью (Вм) в процентах вычисляют по формуле
В. = . юс, %,
то
где то - масса образца после воздействия раствора, г; тд - масса образца после воздействия раствора и доведения до постоянного веса, г.
За результат оценки изменения массы тиоколового герметика принимают среднее арифметическое значение трех параллельных определений этой величины. Сходимость результатов оценки с доверительной вероятностью 0,95 не превышает 11% по показателю Нм и 2,5% по показателю Вм.
Для обоснования норм на определяемые показатели проведена статистическая обработка результатов исследования качества товарных и опытных образцов ПВКЖ. Представительность результатов обеспечивалась охватом всей совокупности заводов-изготовителей ПВКЖ и отбором образцов с учетом их принадлежности к разным партиям.
Нормы на показатели эффективности действия ПВКЖ определяли с учетом границ доверительного интервала для заданной доверительной вероятности
Р^х — у1 < х0 < X + у2 } = (X ,
где Р - вероятность; а - доверительная вероятность; х - точечная оценка показателя; х0 - истинное значение показателя; у1 , у2 - отклонения показателя при а=0,95.
Доверительный интервал для стандартных отклонений значений показателей (бо2) построен с учетом того, что величина (п-1)82/бо2 распределена по закону X - распределение Пирсона с v=n-1 степенями свободы
Р
(п -1) л &0
2
<Х2
2
C,5q 100
где п - объем выборки; q - уровень значимости.
На основании полученных интервальных оценок определены нормы на показатели эффективности ПВКЖ по минимальным или максимальным значениям диапазонов в зависимости от направления ухудшения физико-химических свойств ПВКЖ. Установленные нормы соответствуют фактическому уроню показателей качества товарных ПВКЖ и позволяют допускать к применению опытные образцы ПВКЖ с некоторым запасом качества, обеспечивающим нормальную эксплуатацию топливных систем ЛА.
Значения показателей качества, характеризующие эффективность ПВКЖ, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Нормы на показатели эффективности ПВКЖ
Показатели ПВКЖ
«И» И-М ТГФ ТГФ-М ПВКЖ-М
Растворимость ПВКЖ в топливе, % отн., не менее 95 84 88 84 84
Поверхностная активность ПВКЖ в топливе, мкН-м2/моль, не менее 27 12 24 3 14
Изменение массы кристалла льда после контакта с топливом, содержащим ПВКЖ, мг/см , не менее 37 40 42 66 50
Коррозионная активность водных растворов ПВКЖ по отношению к конструкционным материалам: содержание железа, г/т, не более содержание меди, г/т, не более 13 7 13 7 13 7 13 7 13 7
Воздействие водных растворов ПВКЖ на тиоколовые герметики: набухание, % отн., не более вымывание, % отн., не более 85 14 85 14 85 14 85 14 85 14
Представленные методы включены в типовые программы квалификационной оценки топлив для авиационных газотурбинных двигателей и используются при испытании новых образцов ПВКЖ и опытных, изготовленных с вовлечением нового сырья и изменением компонентного состава.
ЛИТЕРАТУРА
1. ТУ 2432-127-05757587-98. Жидкость противоводокристаллизационная (ПВКЖ-М) к топливам для реактивных двигателей. Технические условия.
ACTION EFFICIENCY ESTIMATION OF ANTI-ICING ADDITIVES FOR AVIATION FUELS
OreshenkovA.V., Grishin N.N.
The questions of action efficiency estimation of anti-icing additives are considered. The description of qualifying estimation methods and norm of defined parameters efficiency is resulted.
Keywords: anti-icing additives, operational property, qualifying methods.
REFERENCES
1. TU 2432-127-05757587-98. Zhidkost' protivovodokristallizacionnaja (PVKZh-M) k toplivam dlja reaktivnyh dvigatelej. Tehnicheskie uslovija. (In Russian).
Сведения об авторах
Орешенков Александр Владимирович, 1958 г.р., окончил Военную академию тыла и транспорта (1985), доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 77 научных работ, область научных интересов - химмотология моторных топлив и оценка их качества.
Гришин Николай Николаевич, 1947 г.р., окончил Московский институт нефтехимической и газовой промышленности им. И.М. Губкина (1969), профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», автор 250 научных работ, область научных интересов - химмотология пластичных смазок.
