Научная статья на тему 'Оценка эффективности действия противоводокристаллизационных жидкостей для реактивных топлив'

Оценка эффективности действия противоводокристаллизационных жидкостей для реактивных топлив Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
413
212
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОТИВОВОДОКРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ ЖИДКОСТЬ / ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ СВОЙСТВО / КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Орешенков Александр Владимирович, Гришин Николай Николаевич

Рассмотрены вопросы оценки эффективности действия противоводокристаллизационных жидкостей. Приводятся описание методов квалификационной оценки и нормы на определяемые показатели эффективности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Орешенков Александр Владимирович, Гришин Николай Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ACTION EFFICIENCY ESTIMATION OF ANTI-ICING ADDITIVES FOR AVIATION FUELS

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.

Текст научной работы на тему «Оценка эффективности действия противоводокристаллизационных жидкостей для реактивных топлив»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.