1.1. Авиационные горюче-смазочные материалы. Учебнометодический комплекс модуль Авиационные горючесмазочные материалы Авиационные топлива Основное сырье для получения авиатоплив (АТ) нефть

• Название: Учебнометодический комплекс модуль Авиационные горючесмазочные материалы Авиационные топлива Основное сырье для получения авиатоплив (АТ) нефть
• Дата: 10.01.2020
• Размер: 1.25 Mb.
• Имя файла: 1.1. Авиационные горюче-смазочные материалы.pdf
• Тип: Учебно-методический комплекс; #103361
• страница: 3 из 10

Коррозионные свойства топлива
Коррозия – это разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды. Коррозия обычно начинается на поверхности металла и в дальнейшем распространяется внутрь, существенно изменяя исходные прочностные свойства металлов.
Из химических соединений, входящих в состав топлив, наибольшей агрессивностью обладают соединения, содержащие меркаптановую серу
(метилмеркаптан, этилмеркаптан, пропилмеркаптан), сероводород и свободная сера. Такие серосодержащие соединения, как тиофены, дисульфиды и др. не являются коррозионно-агрессивными веществами, но их содержание в топливе должно быть минимальным, чтобы уменьшить загрязнение атмосферы.
Из других органических соединений, которые являются коррозионно- агрессивными компонентами, следует отметить органические кислоты и щелочи, а также нерастворенную воду.
Процессы коррозии деталей и агрегатов самолетных систем, контактируемых с топливом и продуктами его сгорания, подразделяются на два

типа: жидкофазную коррозию, протекающую в жидкой среде, и высокотемпературную или газовую коррозию, протекающую при высоких температурах в среде продуктов сгорания.
Жидкофазная коррозия по механизму разрушающего действия подразделяется на химическую, электрохимическую и биохимическую.
Химическая коррозия имеет место непосредственно на участках контакта топлива с материалами деталей и агрегатов топливной системы и осуществляется за счет химического взаимодействия металла конструкции с коррозионно-активной средой в топливе, в качестве которой выступают сернистые соединения, а также минеральные и органические кислоты.
Наиболее часто химической коррозии подвергаются детали топливных агрегатов из сплавов меди, имеющие кадмиевое покрытие, свинец, цинк и другие сплавы. Указанные металлы, взаимодействуя с меркаптанами, образуют меркаптиды, с серой – сульфиды:
Cu + 2(R – H – S)
Cu(R – S)
2
+ H
2
меркаптан меркаптид
Cd + 2(R – H – S)
Cd(R-S)
2
+ H меркаптид кадмия
Cu + S –
CuS cульфид меди
Образовавшиеся продукты реакции легко отделяются от поверхности металла и разносятся по топливной системе, засоряя фильтры и ухудшая работу топливорегулирующей аппаратуры.
Ввиду коррозионной активности сернистых соединений их содержание в топливе ограничивается. Так для топлива РТ содержание серы может быть не более 0,1%, в том числе меркаптановой – не более 0,001%.
Окисление углеводородов топлива, идущее наиболее интенсивно при повышенных температурах, приводит к значительному возрастанию кислотности топлива. Образовавшиеся органические кислоты и другие кислые продукты при взаимодействии с металлами образуют мыла, способные засорять топливные фильтры и тонкие щелевые каналы агрегатов. Кроме того, кислые соединения, образующиеся в топливе, размягчают и разрушают герметики кессон-баков, уплотнительные резиновые прокладки, манжеты плунжерных насосов и других резиновых деталей.
Электрохимическая коррозия имеет место при воздействии на металлы
(сплавы) растворов электролитов или влажных газов. При этом одновременно происходят два процесса – окислительный и восстановительный, сопровождающиеся перемещением электронов в металле и ионов в растворе от одного участка к другому.
Электрохимическая коррозия агрегатов топливных систем двигателей наблюдается при обводнении топлива и окислении его до органических кислот и оснований, способствующих увеличению электропроводности топлива.

Электрохимическому разрушению подвержены стали, бронзы, латуни, дюралюминий и другие сплавы. Этому виду коррозии способствует нарушение защитного оксидного слоя металла и действие ее наблюдается в виде отдельных пятен ржавчины, местных потемнений и неглубоких очагов.
Биохимическая коррозия связана с жизнедеятельностью в реактивных топливах различных микроорганизмов (свыше 100 видов бактерий, грибков, спор и других). Питательной средой для них служат углеводороды. Способствует развитию микроорганизмов наличие воды и умеренных положительных температур в пределах +15 ... +35 С.
Органические и другие кислоты, выделяемые микроорганизмами в процессе жизнедеятельности, вызывают коррозию металлических стенок топливных баков, разрушение герметика, способствуют забивке топливных фильтров и форсунок продуктами коррозии. Для борьбы с развитием микроорганизмов в топливо добавляется микробиоцидная присадка, являющаяся одновременно и противоводокристаллизационной жидкостью (ПВКЖ) – жидкость «И-М». За рубежом в качестве бактерицидной применяется присадка, изготовленная на основе бора.
Газовая коррозия представляет собой химическую коррозию, протекающую в газовой среде при высоких температурах. Газовой коррозии подвергаются жаровые трубы камер сгорания, сопловые и рабочие лопатки газовых турбин, детали реактивных сопел.
В результате газовой коррозии могут проходить процессы обезуглероживания (и, как следствие, разупрочнения) углеродистых сталей по механизму:
Fe
3
C + O
2 3 Fe + CO
2
Fe
3
C + H
2
O
3 Fe +CO +H
2
Химические процессы при протекании газовой коррозии связаны с присутствием в продуктах сгорания соединений серы SO
2
, SO
3
и натрия Na
2
O, а также соединений ванадия и молибдена.
При температурах выше 800 С никель, составляющий основу жаропрочных сплавов, при взаимодействии с SO
2
образует сернистый никель
(NiS), который отлагается по границам зерен и способствует развитию межкристаллитной коррозии. При более высокой температуре может образовываться сульфид никеля (Ni
2
S
2
), дающий с никелем легкоплавкую эвтектику (t пл.=625 С), что приводит к снижению прочностных характеристик.
Присутствие молибдена способствует поглощению сплавом кислорода.
Окисел M
0
O
3
легколетуч (t пл.= 750 C); его испарение разрушает защитную окисную пленку и открывает доступ к металлу новых порций горячих газов.
Присутствие в топливах следов ванадия и молибдена также способствует развитию газовой коррозии. Попадая на поверхность сталей пятиокись ванадия
(V
2
O
5
) образует легкоплавкие соединения, приводящие к разрушению стальных жаропрочных конструкций:

4V + 5O
2 2V
2
O
5
V
2
O
5
+ Fe
V
2
O
4
+Fe O
V
2
O
4
+ O
2
V
2
O
5
Коррозионные свойства авиатоплив оценивают по испытанию на медной пластинке, количеству серы в топливе, содержанию меркаптановой серы, кислотности.
При испытании на медной пластинке стандартную пластинку из чистой электролитической меди выдерживают в топливе в течение 3-х часов при t=50
C. Появление на пластинке черных, темно-коричневых или серо-стальных налетов и пятен указывает на содержание в топливе активных сернистых соединений. При отсутствии изменения цвета пластинки топливо считается выдержавшим испытание.
Количество серы в топливе определяется путем сжигания 1,5….5,0 мл топлива и измерении объема образующегося сернистого ангидрида.
Содержание меркаптановой серы определяется путем титрования испытуемого образца топлива аммиачным раствором CuSO
4
. При этом меркаптаны превращаются в меркаптиды, выпадающие в осадок и отделяемые фильтрованием
2 RSH + [Cu (NH
3
)
2
]SO
4
Cu(RS)
2
+ (NH
4
)
2
SO
4
меркаптид меди
При испытании на кислотность определенный объем топлива обрабатывают кипящим этиловым спиртом, который растворяет органические кислоты. Полученную вытяжку оттитровывают раствором KOH. Кислотность выражают в количестве мг KOH, требующихся для нейтрализации 100 мл топлива.
Низкотемпературные свойства
Понижение температуры топлива вызывает непрерывное повышение его вязкости. При этом наибольшей вязкостью обладают ароматические углеводороды, наименьшей - парофиново-циклановые. Прокачка высоковязких топлив по топливной системе самолета сопровождается высокими гидравлическими потерями, уменьшением производительности топливных насосов, снижением качества распыла и испарения топлива при подаче в камеру сгорания.
Кроме того, при снижении температуры топлива происходит образование кристаллов углеводородов или льда. При этом фильтрующая способность топливных фильтров ухудшается вплоть до забивки фильтров и прекращения подачи топлива к форсункам.
О низкотемпературных свойствах топлива судят по температуре помутнения, кристаллизации.

Температура помутнения – это температура, при которой топливо начинает мутнеть вследствие выделения микроскопических кристаллов льда или углеводородов.
Температурой кристаллизации называют максимальную температуру, при которой в топливе появляются первые кристаллы, видимые невооруженным глазом.
Температура кристаллизации отечественных топлив ТС-1, РТ составляет
–60°С.
Растворимость воды в топливе
Растворимость воды или гигроскопичность в топливе зависит от химического состава, молекулярного веса углеводородов, влажности, температуры и атмосферного давления. Различают обратимую и необратимую гигроскопичность топлив.
Под необратимой гигроскопичностью понимается поглощение воды топливом, связанное с образованием устойчивых химических соединений воды и компонентов топлива. В этом случае вода не выделяется в свободном состоянии даже при резких колебаниях температуры и давления.
Обратимая гигроскопичность определяется способностью топлива поглощать воду и выделять ее в виде отдельной фазы при колебаниях температуры и давления.
Механизм поглощения воды при обратимой гигроскопичности связан со способностью воды заполнять межмолекулярное пространство без химического взаимодействия. Колебания температуры будут менять межмолекулярный объем и поглощенная вода будет либо вытесняться из него, либо заполнять.
Количество воды, растворенное в топливе, согласно закону Генри определяется уравнением
С = С
мах
Р/Р
нас
, где С – концентрация воды в топливе;
С
мах
– максимально возможная концентрация воды в топливе при данной температуре;
Р – парциальное давление паров воды в воздухе (абсолютная влажность);
Р
нас
– давление насыщенного пара воды при температуре раствора
(максимальная влажность).
Отношение Р/Р
нас называется относительной влажностью. При повышении влажности воздуха количество растворенной воды возрастает и достигает максимума при 100% влажности.
При понижении температуры относительная влажность воздуха уменьшается, гигроскопичность топлив также снижается. При этом молекулы воды, выделяющиеся из межмолекулярного пространства частично испаряются в надтопливное пространство, а основная часть выделяется в виде эмульсии типа
“вода в топливе”. Под влиянием температуры, механического

перемешивания микрокапли эмульсионной воды коагулируют, т.е. образуют более крупные капли воды в топливе. На определенной стадии укрупнения капель воды начинается ее отстаивание. Такой процесс образования эмульсионной воды происходит в баках летательных аппаратов при наборе высоты, и вызывается он снижением влажности воздуха, давления и температуры в надтопливном пространстве.
Понижение температуры топлива ниже 0°С может привести к превращению эмульсии воды в суспензию льда. При высокой чистоте заправляемого топлива эмульсионная вода может находиться в переохлажденном (до –40°С) состоянии. Образование льда в этом случае происходит при встрече капель переохлажденной воды с сеткой топливного фильтра, что приводит к забивке фильтра, прекращению подачи топлива и выключению двигателя.
Для предупреждения образования кристаллов льда в топливе применяют конструктивные и физико-химические методы.
Конструктивные методы предусматривают подогрев топливных фильтров при их забивке льдом. Подогреватели топливных фильтров установлены на современных отечественных и зарубежных самолетах.
Физико-химические методы предусматривают:
- впрыск жидкостей, растворяющих кристаллы льда на фильтре;
- вымораживание топлива с последующей фильтрацией и удалением кристаллов льда при подготовке топлива к заправке;
- введение в топливо специальных присадок, растворимых как в топливе, так и в воде и образующих в растворе с водой антифриз.
В качестве таких присадок на отечественных самолетах предыдущих поколений (Ту-154, Ил-62, Ил-18, Ту-134 и т.п.) получила применение противоводокристаллизационная жидкость (ПВКЖ) марки “И-М”. Она состоит из этилцеллозольва (50% масс) и метанола (50% масс) и добавляется в топливо при заправке в количестве 0,1-0,15% в тщательно перемешанном виде.
Конкретное количество добавляемой ПВКЖ “И-М” зависит от типа самолета, продолжительности рейса, температуры воздуха в аэропорту вылета и определяется нормативной документацией по заправке ВС.
Загрязнение авиационных топлив
Основными источниками загрязнений топлив являются материалы, вещества и среды, контактирующие с топливом. Такими загрязнениями могут быть: минеральные примеси, попадающие в топливо из перерабатываемой нефти; продукты коррозии и износа технологического, транспортного и складского оборудования при производстве, транспортировке и хранении топлив; загрязнения, попадающие в топливо из воздуха через “дыхательную” систему резервуаров и дренажную систему топливных баков; продукты окисления нестабильных компонентов топлив; продукты коррозии деталей топливной аппаратуры.

Результаты спектрального анализа твердых частиц в топливе показывает, что в их состав входят такие элементы, как Si, Fe, Cu, Sn, Pb, Mg, Al, Zn, Cr, Ni,
Ti, Mn, P и др. Форма и размер частиц загрязнений различны и находятся в пределах от 1 до 40 мкм. Большие по размеру загрязнения удаляются при многоступенчатой фильтрации топлива при его подготовке к заправке ВС.
Микрозагрязнения в условиях эксплуатации могут приводить к заклиниванию прецизионных золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры, повышать абразивный износ деталей топливных агрегатов, интенсифицировать коррозию топливного оборудования и процессы окисления углеводородов.
Поэтому к чистоте реактивных топлив предъявляются высокие требования
– содержание механических примесей в соответствии с Российскими нормативами должно быть не более 2г/т (0,002% масс).
Такая чистота заправляемого топлива достигается длительным отстаиванием топлива в резервуаре (не менее 4 часов на 1 метр высоты налива топлива), применением трехступенчатой системы фильтрации топлива при подготовке его к заправке через систему фильтров с последовательно уменьшающейся тонкостью фильтрации: 20мк, 10мк, 3мк.
Кроме того, используется закрытая заправка топливной системы, установка воздушных фильтров в дренажную систему, периодическая (1 раз в год) зачистка резервуаров хранения топлива от накопившихся загрязнений.
Нагарообразующие свойства топлив
При сгорании углеводородов топлив образуются твердые тонкодисперсные частицы, близкие по составу к углероду. Часть этих частиц уносится с продуктами сгорания в виде дыма, другая часть оседает в виде нагара на стенках жаровых труб камер сгорания и, особенно, в зоне ввода в камеру сгорания первичного воздуха. Толщина нагара в этой зоне может достигать 3-4 см.
Состав и цвет нагара зависит от химического состава топлива, режима работы двигателя и температуры деталей.
Отложение нагара на стенках жаровых труб приводит к снижению теплопроводности, возникновению температурного градиента, приводящего к образованию местных температурных напряжений, короблению и растрескиванию стенок жаровых труб. Кусочки нагара, отрываясь от стенок труб, вызывают повреждения лопаток турбин. Нагары на топливных форсунках ухудшают распыл топлива, искажают фронт и структуру пламени и могут быть причиной местных прогаров жаровых труб.
Для оценки склонности топлива к образованию нагара используется стандартная керосиновая лампа. Длина пламени в момент образования копоти принимается за точку дымления (h). Чем выше точка дымления (высота не коптящего пламени), тем меньше склонность топлива к нагарообразованию.

Зависимость точки от группового состава углеводородов выражается уравнением h = 0.48П + 0.32Ц + 0.20А, где h – точка дымления, мм;
П, Ц, А – содержание парафиновых, циклановых и ароматических углеводородов в массовых процентах.
То есть наибольшее влияние на образование нагара оказывают ароматические углеводороды.
Интенсивность свечения пламени при горении реактивных топлив определяется люминометрическим числом (ЛЧ).
В соответствии с зарубежными спецификациями нагарообразующие свойства топлив широкого фракционного состава оценивают индексом
дымления и летучести, которые определяются по формуле
ИДЛ = h + 0.42X, где h – точка дымления, мм;
Х – количество фракций в % объема, выкипающих до 204.4°С.
Таким образом, ИДЛ связывает точку дымления и характеристику испаряемости топлива.
Электризация топлива
Чистое топливо - хороший диэлектрик и характеризуется низкой электропроводностью.
При течении топлива вследствие внутреннего трения в объеме жидкости накапливаются заряды статического электричества. Скорость накопления заряда возрастает при увеличении скорости течения топлива и поверхности трения. В связи с этим наибольший заряд накапливается в топливе после прохождения фильтра. Часть этого заряда уходит через поверхность заземленного фильтра в землю. Другая же, основная часть, вследствие малой электропроводности накапливается в баках ВС, создавая условия для воспламенения паров топлива от заряда статического электричества.
Для уменьшения электризации топлив уменьшают скорость фильтрации, устанавливают игольчатые нейтрализаторы статического электричества
(ИНСЭТ) непосредственно после фильтров, заземляют заправочное оборудование, вводят антиэлектростатические присадки, увеличивающие электропроводность топлив.
Установка ИНСЭТ снимает до 90% заряда, накопленного при фильтрации.
Антистатические присадки типа “Сигбол” увеличивают электропроводность топлива в 3-5 раз.

Топливо для газотурбинных двигателей гражданской авиации
Отечественная нефтеперерабатывающая промышленность вырабатывает для гражданской авиации две марки реактивного топлива - ТC-1 и РТ, которые являются взаимозаменяемыми.
ТС-1 - является прямогонной лигроино-керосиновой фракцией, полученной из сернистых нефтей, выкипающей в интервале температур от 150 до 250°С. Егo плотность при 20°С не менее 775 кг/м
3
, кинематическая вязкость при 20°С не ниже
1,25 мм
2
/с. Обладает удовлетворительными противоизносными свойствами, хорошей прокачиваемостью в области отрицательных температур.
Понижение конца кипения ТС-1 по сравнению с РT (280°C) связано с тем, что в его хвостовых фракциях концентрируется значительное количество высокоплавких парафиновых углеводородов и сернистых соединений.
Высокоплавкие парафиновые углеводороды повышают температуру начала кристаллизации. В зависимости от содержания парафиновых углеводородов вырабатывают: ТC-1 с температурой кристаллизации -60°С (для применения в районах крайнего севера); ТС-1 с температурой начала кристаллизации -55°С
(для применения в остальных климатических районах государств содружества).
В последние годы вырабатывают ТС-1 с температурой кристаллизации -
50°С (для применения в климатических районах, где наружная температура воздуха не ниже -45°С).
Сернистые соединения вызывают коррозию любых металлов и сплавов, поэтому в топливе ТС-1 они ограничиваются. Массовая доля серы не превышает
0,25%, а содержание меркаптановой серы допускается не более 0,005%.
РТ - унифицированное реактивное топливо предназначено для реак- тивных двигателей дозвуковой авиации. Выкипает данное топливо в температурном интервале 135...280°С, имеет кинематическую вязкость не менее
1,25 мм
2
/с, а температуру вспышки не менее 28°С.
РТ получают из нефтей различных месторождений по технологи прямой перегонки с применением процессов гидроочистки и добавлением присадок, улучшающих термическую стабильность и противоизносные свойства топлива.
В процессе производства РT прямогонные дистиллаты подвергают гидроочистке. При этом в топливе снижается содержание массовой доли серы до
0,1%, в том числе массовая доля меркаптановой серы понижается до 0,001%.
Уменьшается количество непредельных углеводородов, смолистых веществ.
Улучшается химическая и термическая стабильность топлива. В топливе уменьшено количество ароматических углеводородов до 18,5%, поэтому склонность РТ к нагарообразованию ниже, чем у ТС-1.
Для улучшения противоизносных свойств добавляют присадки: ионол в количестве 0,003-0,004% и нефтяные кислоты в количестве 0,002- 0,04%.
В связи с дефицитом данных присадок в последнее время налажено производство РТ с присадками хайтек-580 в количестве 0,0025% и агидол в количестве 0,0031%.

Последние десятилетия характеризуются быстрым сокращением запасов нефти в традиционных районах ее добычи. Новые месторождения находятся, как правило, в труднодоступных районах. Это затрудняет их освоение, приводит к существенному росту эксплуатационных расходов по добыче нефти, следовательно, к ее удорожанию.
В качестве альтернативы топливам, получаемым из нефти, рассматриваются возможности широкого использования газовых топлив, получаемых из природного и нефтяного газов, а также - биотоплив.