噴氣燃料過濾分離器標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程及建議

陳 歡，梁 萌，蘇兵權(quán)

(1.安泰環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100089；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102200)

噴氣燃料是一種輕質(zhì)石油產(chǎn)品，也稱航空煤油，主要由原油常壓蒸餾精制或重油催化裂化工藝制得[1]，是石油產(chǎn)品中需要控制的指標(biāo)最多、質(zhì)量要求最為嚴(yán)格的產(chǎn)品之一[2]。自20世紀(jì)50年代渦輪噴氣式飛機(jī)開始取代活塞式飛機(jī)以來，噴氣燃料中的水污染一直是關(guān)注的話題。噴氣燃料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲運(yùn)和加注過程中會浸入水分，造成水污染。水主要以溶解水、自由水和乳化水形式存在[3]，并且三者之間可相互轉(zhuǎn)化。水會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)敏感部件腐蝕、微生物生長、燃油質(zhì)量退化和燃燒效率下降等問題[4]。在噴氣燃料使用過程中，因?yàn)槿剂辖畬?dǎo)致的飛行事故約占油料事故的30%[5]。因此，去除噴氣燃料中的水分對于保障飛機(jī)飛行安全至關(guān)重要。

1 噴氣燃料過濾分離器簡介

1.1 過濾分離原理

去除油液中水分的方法主要有重力分離法、吸附分離法、離心分離法和電場分離法等[6-9]。但噴氣燃料中水滴粒徑尺寸小、處理量大，采用上述傳統(tǒng)方法難以達(dá)到分離效果。

目前應(yīng)用最廣的噴氣燃料脫水方法是纖維聚結(jié)分離法，是利用油水兩相與纖維表面的作用不同來達(dá)到油水分離的目的。噴氣燃料通過聚結(jié)纖維層時(shí)，水滴不斷與纖維接觸碰撞并被纖維捕集。被捕集的小液滴沿著纖維的方向撞擊、團(tuán)聚，聚結(jié)長大[10]，最終因重力作用而沉降下來。利用這種分離原理進(jìn)行油水分離的設(shè)備被稱為噴氣燃料過濾分離器。

噴氣燃料過濾分離器目前分為立式和臥式兩大類，二者結(jié)構(gòu)大體相似，一般移動設(shè)備，如飛機(jī)加油車上采用臥式結(jié)構(gòu)。立式噴氣燃料過濾分離器結(jié)構(gòu)示意見圖1。過濾分離器內(nèi)部設(shè)置聚結(jié)濾芯及分離濾芯兩級濾芯。燃料從筒體下部的入口流入，首先進(jìn)入一級濾芯(聚結(jié)濾芯)，流向?yàn)橛蓛?nèi)向外，燃料內(nèi)部的水滴在流經(jīng)聚結(jié)濾芯時(shí)逐漸聚結(jié)長大，最后在聚結(jié)濾芯的外表面脫落，從排水口排出。之后燃料進(jìn)入二級濾芯(分離濾芯)，流向?yàn)橛赏庀騼?nèi)，未來得及聚結(jié)的水滴會在分離濾芯的外表面脫落。油水分離后的噴氣燃料最終從出口流出。

圖1 立式噴氣燃料過濾分離器結(jié)構(gòu)示圖

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

過濾分離器的核心部件為聚結(jié)濾芯和分離濾芯。聚結(jié)濾芯具有過濾固體顆粒雜質(zhì)及聚結(jié)的雙重作用[11]，其剖面結(jié)構(gòu)見圖2。含有雜質(zhì)和水分的噴氣燃料依次通過聚結(jié)濾芯的過濾層、破乳層、聚結(jié)層，固體顆粒雜質(zhì)在過濾層被除去，水分在破乳層和聚結(jié)層逐漸聚結(jié)成大水滴，最后依靠重力沉降下來。分離濾芯剖面結(jié)構(gòu)見圖3。分離濾芯外表面包覆一層親油憎水的材料，例如聚四氟乙烯噴涂網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)油水的徹底分離。

圖2 聚結(jié)濾芯剖面結(jié)構(gòu)

噴氣燃料過濾分離器具有除水效率高、占地面積小、處理量大、適應(yīng)性廣、能耗低及操作維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[12]。噴氣燃料從煉油廠到飛機(jī)的供應(yīng)和分配流程示意圖見圖4[13]。為有效控制水污染，保證噴氣燃料的潔凈度，在煉油廠、中轉(zhuǎn)油庫、機(jī)場接收噴氣燃料油罐出入口、加油車灌油點(diǎn)、罐式加油車和管線加油車等設(shè)備上均需安裝符合標(biāo)準(zhǔn)要求的過濾分離器[14]。

圖3 分離濾芯剖面結(jié)構(gòu)

圖4 噴氣燃料從煉油廠到飛機(jī)的供應(yīng)和分配流程示圖

2 噴氣燃料過濾分離器國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)

噴氣燃料過濾分離器國際標(biāo)準(zhǔn)主要是美國石油協(xié)會(API)頒布出版的系列版本API 1581《Specifications and Laboratory Qualification Procedures for Aviation Fuel Filter/Water Separators》，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程見表1[14-16]。

1973年，API頒布了第1部噴氣燃料過濾分離器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即API 1581第1版。經(jīng)過40多年的發(fā)展，通過對噴氣燃料類型、過濾分離器分類及鑒定試驗(yàn)要求等方面的不斷修訂，2002年API和英國能源協(xié)會(EI)聯(lián)合出版了API/EI 1581第5版，該版本標(biāo)準(zhǔn)在歐美國家和地區(qū)得到了全面貫徹執(zhí)行，已成為國際上公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。API 1581第1版到第3版由API單獨(dú)頒布，第4版和第5版由API和IP(后改名為EI)聯(lián)合頒布。由于第4版中試驗(yàn)燃料和顆粒污染物的要求存在問題，推遲了生效日期，故最終并未得到有效的實(shí)施。API/IP 1582《Specification for Similarity for API/IP 1581 Aviation Jet Fuel Filter/Separators》第1版于2001年頒布，第2版于2011年頒布。

表1 噴氣燃料過濾分離器國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

2016年，EI頒布了EI 1581第6版，這是目前關(guān)于噴氣燃料過濾分離器最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該版本的規(guī)定，噴氣燃料過濾分離器出口燃料中總固體雜質(zhì)質(zhì)量濃度應(yīng)小于0.26 mg/L，游離水體積分?jǐn)?shù)小于15×10-6，纖維數(shù)量小于10根/L，在1 L/min體積流量下過濾分離器納污容量不小于1.43 g，濾芯能夠承受520 kPa的壓差而不發(fā)生破裂、旁通或著針眼泄漏[15]。

EI 1581第6版中最主要的變化是增加了50 mm直徑聚結(jié)濾芯的試驗(yàn)鑒定要求，修改的主要原因是2008年法國軍方?jīng)Q定不再使用過濾監(jiān)控器，但未找到基于現(xiàn)有過濾監(jiān)控器殼體的元件改造方案，便提出開發(fā)一種50 mm直徑聚結(jié)元件的過濾分離器。這種過濾分離器要比現(xiàn)有的過濾分離器體積小、質(zhì)量輕，并且能夠繼續(xù)使用過濾監(jiān)控器的殼體，能夠應(yīng)用在移動式設(shè)備中。因此新型S-M型過濾分離器只適用于燃油中污染物比較少的飛機(jī)加油場合。EI 1581第6版中規(guī)定了50 mm直徑聚結(jié)濾芯的長度、端蓋設(shè)計(jì)及鑒定試驗(yàn)的燃料流量，以確保元件在制造商之間可以實(shí)現(xiàn)完全互換。

采用50 mm直徑聚結(jié)濾芯的過濾系統(tǒng)，則對新型噴氣燃料過濾分離器的性能和鑒定提出了新的挑戰(zhàn)。單支濾芯系統(tǒng)的試驗(yàn)壓差會在短時(shí)間內(nèi)急劇增加，燃料通過50 mm直徑聚結(jié)元件單位長度的速率約為原150 mm直徑聚結(jié)元件的2倍，全尺寸系統(tǒng)殼體內(nèi)部的流場變得非常紊亂，影響水滴的沉降[20]。這些變化都要求制造商在元件的結(jié)構(gòu)、排布以及燃料入口分布等方面進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。由于EI 1581第6版對于過濾分離器鑒定試驗(yàn)的要求并沒有發(fā)生顯著變化，因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定目前已經(jīng)通過第5版資格認(rèn)證的產(chǎn)品都將滿足第6版中資格認(rèn)證對其合格類型和類別的要求。

2.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國噴氣燃料過濾分離器標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程見表2。

表2 噴氣燃料過濾分離器國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

我國噴氣燃料過濾分離技術(shù)起步較晚。1988年制定了GJB 610—88《噴氣燃料過濾分離器通用規(guī)范》[21]，1989年制定了GJB 689—89《噴氣燃料過濾分離器性能試驗(yàn)方法》[24]，GJB 689—89對應(yīng)于API 1581第2版，并且一直沿用至今。2006年，中國航空油料集團(tuán)提出建立航空油料過濾分離器國家標(biāo)準(zhǔn)的建議[12]，2008年頒布了GB/T 21358—2008《噴氣燃料過濾分離器通用技術(shù)規(guī)范》[25]和GB/T 21357—2008《噴氣燃料過濾分離器相似性技術(shù)規(guī)范》[26]，這2個標(biāo)準(zhǔn)是由API/EI 1581第5版和API/EI 1582第1版轉(zhuǎn)化而來，同時(shí)結(jié)合我國的相關(guān)法律要求和工業(yè)的特殊需要進(jìn)行了一定內(nèi)容的修改。

GB/T 21358—2008相較于API/EI 1581第5版主要有以下變化：①試驗(yàn)燃料種類只有C類(增加3號噴氣燃料)，刪除M類、M100類，并使用性能相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)添加劑。②鑒定試驗(yàn)中燃料油的體積流量由API/EI 1581第5版中規(guī)定的9 500 L/min變?yōu)? 000 L/min。③用國家最新標(biāo)準(zhǔn)替換部分國際標(biāo)準(zhǔn)作為參考標(biāo)準(zhǔn)。④增加了沉淀槽、附件、憎水性能的試驗(yàn)方法、質(zhì)量評定程序以及試驗(yàn)報(bào)告的格式等內(nèi)容。

GB/T 21358—2008是目前我國與國際標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)?、最新的噴氣燃料過濾分離器標(biāo)準(zhǔn)，充分結(jié)合了我國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)際使用條件。但迄今為止該標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)沒有得到貫徹和執(zhí)行，國內(nèi)噴氣燃料過濾分離器生產(chǎn)企業(yè)不具有符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的、能夠進(jìn)行噴氣燃料過濾分離器鑒定的試驗(yàn)平臺，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也尚未通過國家和國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

3 噴氣燃料過濾分離器應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國際上有2家公司的產(chǎn)品通過了API/EI 1581第5版的技術(shù)認(rèn)證，分別是德國Faudi公司和美國Parker Hannifin公司，其中包括Parker Hannifin公司下屬的PECOFacet和Velcon 2個子公司的產(chǎn)品。2016年頒布EI 1581第6版以來，這2家公司也在著手并且已有部分產(chǎn)品通過了EI 1581第6版的認(rèn)證。通過EI 1581認(rèn)證的企業(yè)均擁有符合標(biāo)準(zhǔn)要求的噴氣燃料過濾分離器檢測試驗(yàn)臺，經(jīng)過鑒定的產(chǎn)品具有優(yōu)良的脫水性能，且濾芯的相容性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都能夠得到保障。經(jīng)過鑒定的產(chǎn)品可以廣泛地應(yīng)用到全球噴氣燃料生產(chǎn)、儲運(yùn)及加注的各個環(huán)節(jié)中。

現(xiàn)有的國產(chǎn)噴氣燃料過濾分離器存在諸多問題，例如脫纖嚴(yán)重，出口水含量不合格，在注水量加大、工作壓力不穩(wěn)定時(shí)過濾元件破損等。目前，國內(nèi)飛機(jī)加油使用的最后一道過濾分離器還完全依賴國外進(jìn)口。

4 建議

目前，國內(nèi)噴氣燃料過濾分離技術(shù)研發(fā)水平比較落后，標(biāo)準(zhǔn)推行進(jìn)展緩慢，與國外產(chǎn)品及標(biāo)準(zhǔn)的差距較大。筆者建議從以下兩方面逐步推進(jìn)噴氣燃料過濾分離器的發(fā)展。

(1)過濾聚結(jié)基礎(chǔ)理論的研究及核心濾材的研發(fā)生產(chǎn)。噴氣燃料過濾分離器的國產(chǎn)化核心在于濾材的研發(fā)和國產(chǎn)化，目前國內(nèi)科研單位和高校針對過濾聚結(jié)理論的研究較少，試驗(yàn)規(guī)模也比較小，沒有形成一套具有針對性的、系統(tǒng)的理論體系來指導(dǎo)濾材的研發(fā)及過濾分離器的設(shè)計(jì)。應(yīng)逐步推進(jìn)企業(yè)、相關(guān)院所對過濾聚結(jié)基礎(chǔ)理論的研究以及濾材生產(chǎn)工藝、裝備的改進(jìn)。

(2)建設(shè)噴氣燃料過濾分離器標(biāo)準(zhǔn)檢測平臺及推進(jìn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。目前國內(nèi)噴氣燃料過濾分離器標(biāo)準(zhǔn)檢測平臺還是空白，標(biāo)準(zhǔn)檢測平臺的建設(shè)是通過國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)鑒定的必要條件，能夠?qū)崿F(xiàn)國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品的自檢和互檢。同時(shí)應(yīng)及時(shí)更新國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，與國際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，對國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)提出明確要求，嚴(yán)格按國內(nèi)現(xiàn)有最新標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證，有效規(guī)范國內(nèi)噴氣燃料過濾分離產(chǎn)品市場，保障我國噴氣燃料的使用安全。