工業(yè)流體污染的危害、防范與控制

史霽翔，應(yīng)博，李建明

(1.成都以太航空保障工程技術(shù)有限責(zé)任公司，四川成都 610091; 2.中國(guó)人民解放軍駐成都飛機(jī)工業(yè)公司代表室，四川成都 610092)

工業(yè)流體污染的危害、防范與控制

史霽翔1，應(yīng)博2，李建明1

(1.成都以太航空保障工程技術(shù)有限責(zé)任公司，四川成都 610091; 2.中國(guó)人民解放軍駐成都飛機(jī)工業(yè)公司代表室，四川成都 610092)

闡述固體顆粒和水這兩種典型的工業(yè)油液污染物質(zhì)的危害，提出了防范以及將之控制在系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行的指標(biāo)之內(nèi)的分離方法和技術(shù)措施。

工業(yè)流體;污染;控制

工業(yè)流體是組成設(shè)備與系統(tǒng)的重要元件，常用的有燃料、潤(rùn)滑、液壓等油基型流體及乙二醇冷卻液、酒精等水基型流體，這些流體參與運(yùn)行，使設(shè)備或系統(tǒng)輸出規(guī)定的功能。不容置疑，這些流體自身的品質(zhì)好壞和質(zhì)量?jī)?yōu)劣又會(huì)反過(guò)來(lái)影響設(shè)備和系統(tǒng)的性能。

評(píng)價(jià)流體質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，就是這些流體被各種物質(zhì)侵襲和污染的程度，比如固體顆粒污染度，這項(xiàng)指標(biāo)幾乎適用于評(píng)判所有的工業(yè)流體，人們顯然不希望在使用的流體中存在除了有效成分之外的其他雜質(zhì)。另外一項(xiàng)針對(duì)油基型流體的重要評(píng)判指標(biāo)是水污染度，因?yàn)樗拇嬖?(哪怕是極其微小的含量)，都會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)災(zāi)難性后果——這是后面要講到的。

文中闡述了固體顆粒和水這兩種典型的污染物的來(lái)源和危害形式，怎樣防范以及如何將之控制在設(shè)備和系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行的指標(biāo)之內(nèi)。這里引用的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自國(guó)家軍事工業(yè)或航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可供參考的還有許多，比較常用的有美國(guó)航空航天局的NAS1638標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際通行的ISO4406標(biāo)準(zhǔn)和前蘇聯(lián)的ГОСТ17216標(biāo)準(zhǔn)等。當(dāng)然，參照這些標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)也會(huì)根據(jù)自己產(chǎn)品的使用環(huán)境和特性，制定出有針對(duì)性的污染控制指標(biāo)(企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。總之，作為可靠性工程的基礎(chǔ)，工業(yè)流體污染控制正在引起越來(lái)越高的重視。

1 顆粒污染產(chǎn)生的機(jī)制及危害

污染無(wú)處不在，它以兩種方式生成于工業(yè)系統(tǒng)之中:一種是外來(lái)污染，產(chǎn)生于油料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、加注和系統(tǒng)維修維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié);另一種是自身污染，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)機(jī)械零部件相互嚙合必然會(huì)產(chǎn)生磨蝕，油料也會(huì)在使用中受到機(jī)械沖擊和溫度變化而老化，這個(gè)進(jìn)程是漸進(jìn)和積累的，達(dá)到某種程度便會(huì)引發(fā)系統(tǒng)功能失效。如果油料被一定程度的水污染，這個(gè)顆粒污染累積的過(guò)程就會(huì)大大加快，因?yàn)樗畷?huì)在劇烈的運(yùn)動(dòng)中拉傷機(jī)械副，加劇磨蝕。水會(huì)沉積在系統(tǒng)低處產(chǎn)生銹蝕，在適宜的溫度條件下與侵入系統(tǒng)的空氣結(jié)合生成微生物群落，使油料失去“規(guī)定的功能”，導(dǎo)致系統(tǒng)故障從而引發(fā)功能失效。

美國(guó)NASA針對(duì)航天航空器的一項(xiàng)調(diào)研顯示:引發(fā)這些飛行器液壓操作系統(tǒng)功能失效的原因，有70%是因?yàn)橄到y(tǒng)顆粒污染產(chǎn)生的，而飛行器的操控約60%仰賴于液壓系統(tǒng)!這組數(shù)據(jù)揭示出40%以上的空勤事故是油液污染造成的。為此，應(yīng)當(dāng)高度重視這個(gè)課題，研究油液從生產(chǎn)到使用全壽命期的污染控制方法并制定出相應(yīng)的措施，絕不能讓污染問(wèn)題成為現(xiàn)代工業(yè)可靠性工程的短板。

2 流體顆粒污染分析與評(píng)判方法

固體顆粒污染物混合在工業(yè)流體中并參與運(yùn)行，其分布呈現(xiàn)以下規(guī)律:

其中:Mn為n級(jí)油液的顆粒計(jì)數(shù);

m00為00級(jí)油液的顆粒計(jì)數(shù);

n為污染度級(jí)別。

這個(gè)規(guī)律在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和各國(guó)制定的油液污染控制標(biāo)準(zhǔn)中展現(xiàn)無(wú)遺，這個(gè)規(guī)律的物理數(shù)學(xué)模型可以描述為:按顆粒尺寸分布分段計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)法。當(dāng)然還有運(yùn)用稱重法 (質(zhì)量濃度法)等其他標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)已經(jīng)很少采用了。

這種分析方法揭示了工程運(yùn)用中顆粒的形成過(guò)程:油液在磨蝕、擠壓和機(jī)械研磨中，所含總體顆粒質(zhì)量濃度 (按粒徑劃分)的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出按指數(shù)規(guī)律分布的寶塔形特征。這為人們提供了如何在流體中分離這些顆粒污染物的研究依據(jù)和評(píng)判方法，顯然，在工程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)流體中，運(yùn)用過(guò)濾器分離顆粒污染物，是保障設(shè)備輸出規(guī)定功能、提高可靠性的有效手段。而設(shè)計(jì)中，如何選擇種類繁多、指標(biāo)各異的過(guò)濾器，則是一個(gè)需要綜合平衡的問(wèn)題:除了壓力與流量這兩項(xiàng)基本參數(shù)外，壓阻損耗對(duì)系統(tǒng)的影響、過(guò)濾精度與效率的矛盾、濾芯容污能力與使用時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效率等都是必須加以考慮的。

3 過(guò)濾器性能的評(píng)判

世界著名的過(guò)濾器生產(chǎn)商 (如美國(guó)頗爾公司、德國(guó)賀德克公司等)都會(huì)在自己的產(chǎn)品上標(biāo)注出過(guò)濾性能 (或稱過(guò)濾比)和過(guò)濾精度，就是依據(jù)這個(gè)規(guī)律下的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)的。比如，過(guò)濾器的性能標(biāo)注為:

βx≥1 000

式中:βx為過(guò)濾性能 (過(guò)濾比):過(guò)濾器上、下游的單位體積油液中大于某一給定尺寸x的顆粒污染物數(shù)目之比;

x為過(guò)濾精度，指過(guò)濾器能有效捕獲的最小顆粒尺寸 (單位為μm)，即此過(guò)濾器針對(duì)x以上尺寸段顆粒能有效分離。

如果上式中x為2，這個(gè)指標(biāo)說(shuō)明:過(guò)濾能力針對(duì)2 μm以上 (含2 μm)的流體，在一定的循環(huán)周期后，過(guò)濾器下游的顆粒是其上游的1/1 000，其中上下游的定義見(jiàn)圖1。

圖1 上下游定義示意

該“過(guò)濾比”評(píng)定法是由美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)流體動(dòng)力研究中心提出的，目前已被國(guó)際上普遍采用作為評(píng)定過(guò)濾器過(guò)濾性能的典型方法。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì):過(guò)濾器的組合

下角標(biāo)x的意義在于它避免了盲目性，清晰地指出這個(gè)過(guò)濾器使用中要達(dá)到的工程目的:可以用過(guò)濾器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)較為全面的潔凈度控制，在滿足系統(tǒng)需求的同時(shí)也高效率地利用資源。因?yàn)橥ǔａ槍?duì)25 μm以上顆粒的濾芯會(huì)采用可清洗反復(fù)使用的金屬或陶瓷材料制作，這個(gè)尺寸以下則采用紙或其他纖維制作一次性使用的濾芯。無(wú)論哪種材質(zhì)的濾芯，在特定的空間中都有一個(gè)容污能力的極限，到達(dá)這個(gè)極限則會(huì)出現(xiàn)濾芯堵塞，使過(guò)濾器兩端的壓降上升，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，更嚴(yán)重的后果是濾芯壓潰、坍塌，造成系統(tǒng)嚴(yán)重污染并引發(fā)功能失效。為防止這種災(zāi)害性后果的出現(xiàn)，通常會(huì)在過(guò)濾器兩端設(shè)置壓差旁路裝置，使用中當(dāng)壓差到達(dá)設(shè)定值時(shí)油液會(huì)從旁路流通，起到保護(hù)目的，但與此同時(shí)也失去了過(guò)濾能力。對(duì)此，理想的選擇是兩者的串聯(lián)組合，即在流體方向上游安裝β25≥100可清洗的過(guò)濾器和下游安裝高精度過(guò)濾器。

5 要高度重視油液中水污染的危害

這里要特別講一講水污染的嚴(yán)重性和分離與祛除的控制方法。在飛機(jī)和航天器的液壓系統(tǒng)中，水污染危害極大，這是由它們的運(yùn)行工況和環(huán)境決定的。以軍用飛機(jī)液壓系統(tǒng)為例，受載荷特性限制，大量的管道和零件分布在靠近機(jī)體表面的位置，會(huì)隨著飛機(jī)的停放升空承受溫度的劇烈變化，這個(gè)變化在夏季的數(shù)分鐘內(nèi)可達(dá)120℃區(qū)間以上。水污染油液有兩種形態(tài):分布相對(duì)均勻的溶解水和不均勻的游離水。資料顯示:在物理溫度下，不同的礦物油溶解水的飽和度為0.000 3～0.000 5，超過(guò)了這個(gè)含量的水只能是游離的。溶解水沒(méi)有危害，因?yàn)檫@種水與油在分子形態(tài)下構(gòu)成的大分子團(tuán)具有足夠的緊密度和通過(guò)能力，而游離水則如前所述會(huì)附著在零件表面或沉降在系統(tǒng)低處成為隱患。那么水污染在飽和含量?jī)?nèi)危害何在?值得如此緊張慎重嗎?問(wèn)題與溫度密切相關(guān)。因?yàn)橛鸵猴柡退哪芰κ菧囟鹊暮瘮?shù)，這個(gè)能力隨著溫度的下降在逐漸喪失。如此可以分析:當(dāng)戰(zhàn)機(jī)在地表60℃下驟然升空到10 000 m以上－70℃環(huán)境中并且持續(xù)巡航時(shí)，液壓油中的飽和水開(kāi)始析出并且在極度寒冷中迅速凝結(jié)成冰晶。資料證明:－20℃以下的冰晶其堅(jiān)硬度相比于這個(gè)溫度之上的冰粒會(huì)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。它帶來(lái)的危害是:在投入戰(zhàn)斗或急劇下降的大載荷操作中，這些堅(jiān)硬的冰晶會(huì)劃傷機(jī)械表面，嚴(yán)重時(shí)大量的冰晶會(huì)堵塞細(xì)小的通道使操縱失靈，引發(fā)災(zāi)害性后果。

6 水污染的分離、檢測(cè)與控制

常用的分離水的方法有離心式分離和真空分離兩種，離心式分離法對(duì)溶解水幾乎沒(méi)有作用，因此大量采用的還是真空分離法。由成都以太航空保障工程技術(shù)公司研發(fā)的裝置 (圖2)利用適度真空條件下物質(zhì)轉(zhuǎn)移的原理，在裝置中完成油膜擴(kuò)散，創(chuàng)造溶解水和游離水相互轉(zhuǎn)化的局部條件，采用在油液循環(huán)過(guò)程中濾除顆粒污染物等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)油液的全面凈化。這個(gè)過(guò)程可以針對(duì)油液?jiǎn)为?dú)進(jìn)行，也可以連接系統(tǒng)(如飛機(jī)液壓系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)凈化目的。該凈化裝置還具有顆粒和水污染度的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)能力，用以保證被凈化的設(shè)備或系統(tǒng)工作在安全運(yùn)行的污染控制指標(biāo)以內(nèi)。

圖2 油液凈化機(jī)示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

總之，高度重視并且有效控制流體污染是現(xiàn)代工業(yè)的需求。正如人的生存需要潔凈的空氣一樣，工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備也需要良好的運(yùn)行條件和環(huán)境，也必須在規(guī)定的條件下工作才能輸出規(guī)定的功能，其重要規(guī)定指標(biāo)之一就是它的潔凈度。

【1】國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB420B-2006航空工作液固體污染度分級(jí)［S］.北京:國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2007.

【2】中國(guó)航空工業(yè)總公司第三0一研究所.Γ0CT17216-71前蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作液污染度(工業(yè)純度)分級(jí)［S］.北京:中國(guó)航空工業(yè)總公司第三0一研究所，1997.

【3】國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB3224-98飛機(jī)液壓系統(tǒng)地面清洗裝置通用規(guī)范［S］.北京:國(guó)防大學(xué)出版社，1998.

TE9912

B

1001－3881(2014)8－169－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.056

2013－12－30

史霽翔 (1980—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)楹娇蘸教炱鞯孛姹Ｕ显O(shè)備的機(jī)電液一體化發(fā)展及綜合保障能力的實(shí)現(xiàn)。E－mail:fredjixiangshi@hotmail.com。