噴氣燃料潤滑性要求及評(píng)價(jià)方法

李進(jìn)，馬國梁，婁國生，梁妙楠

(1.北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076；2.中國石油潤滑油公司，北京 100028；3.91286部隊(duì)，山東 青島 266000)

0 引言

噴氣燃料的潤滑性也稱為抗磨性，抗磨性的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)的靈敏調(diào)節(jié)、油泵使用壽命乃至飛行安全均極為重要[1]。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)部件和燃料控制單元的運(yùn)動(dòng)部件依靠噴氣燃料自身來潤滑，其中對(duì)燃料潤滑性最敏感的是柱塞泵，柱塞與斜盤運(yùn)轉(zhuǎn)于高負(fù)荷和高溫條件，燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)和材料差別將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備對(duì)燃料潤滑性靈敏度各有區(qū)別，實(shí)際使用中因噴氣燃料潤滑性而導(dǎo)致的問題其輕重程度不同。噴氣燃料潤滑性差會(huì)造成油泵分油活門磨損和深度劃傷，引起燃料輸油壓力間歇上升，可能造成離心式油泵調(diào)節(jié)器的針閥球面和球座磨損，輕者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，稍微嚴(yán)重則機(jī)型故障，最嚴(yán)重的是發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車[2]。

1 噴氣燃料潤滑性問題由來

上世紀(jì)60年代前，噴氣燃料的潤滑性能普遍較差，各國噴氣燃料質(zhì)量規(guī)范對(duì)潤滑性指標(biāo)并未做出定義。直到20世紀(jì)60年代中期，美國許多軍用和民用飛機(jī)相繼出現(xiàn)因使用潤滑性差的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料而導(dǎo)致燃油泵和調(diào)節(jié)器磨損的事例，如波音系列飛機(jī)的TRW齒輪泵和快帆號(hào)飛機(jī)的盧卡斯柱塞泵曾因使用加氫精制燃料而發(fā)生了嚴(yán)重磨損。70年代中期，美國飛機(jī)在地中海飛行時(shí)也出現(xiàn)了多例使用加氫精制燃料出現(xiàn)了燃料調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速懸掛和加力燃燒室油泵磨損故障[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)燃油機(jī)件故障的數(shù)目超過允許的標(biāo)準(zhǔn)(美軍規(guī)定每1000 h飛行0.6個(gè))，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)油泵的維修壽命從4500 h直接下降到50 h[4]。英國也發(fā)現(xiàn)在不使用添加1%潤滑油的AVTAG寬餾分型燃料時(shí)，便頻繁地出現(xiàn)油泵調(diào)節(jié)器零件損壞的現(xiàn)象，最早是在臺(tái)架試驗(yàn)中，然后是飛行使用中陸續(xù)出現(xiàn)自動(dòng)供油系統(tǒng)工作的故障，檢查發(fā)現(xiàn)這是由于油泵內(nèi)軸承損壞、柱塞下槽座過于磨損、止推軸承和柱塞緊澀及龜裂所致[5]。

前蘇聯(lián)相關(guān)機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用抗磨損性能低的JP-4燃料和Т-2燃料時(shí)，РД-3М發(fā)動(dòng)機(jī)的ПН-28油泵調(diào)節(jié)器的磨動(dòng)偶件根據(jù)其機(jī)構(gòu)和使用條件的不同僅在其保險(xiǎn)壽命耗用1/2或1/3后便出現(xiàn)了柱塞嚴(yán)重磨損[6-7]。國內(nèi)早期也發(fā)現(xiàn)了飛機(jī)使用1號(hào)噴氣燃料時(shí)因潤滑性較差出現(xiàn)供油故障，尤其是在1990年以后使用新工藝生產(chǎn)的噴氣燃料發(fā)現(xiàn)燃油泵磨損的現(xiàn)象更為嚴(yán)重[8]。實(shí)際上，早期的深度堿精制工藝將天然環(huán)烷酸抗磨組分脫得過多，就是產(chǎn)生噴氣燃料抗磨性差的根本原因。

2 噴氣燃料潤滑性要求

目前在世界航空領(lǐng)域，以美英和北大西洋公約組織為代表的歐美等國普遍具有不同的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量規(guī)范，國內(nèi)外民用噴氣燃料主要采用GB 6537、DEF STAN91-91、ASTM D1655、AFQRJOS、ГОСТ 10227等五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制。民用航空領(lǐng)域方面，國際上普遍應(yīng)用符合英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN91-91系列和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1655為代表的JetA-1標(biāo)準(zhǔn)，如目前各大航空公司和加油服務(wù)公司所普遍采取的民用航空燃料JetA-1標(biāo)準(zhǔn)，由BP、殼牌、?？松梨?、科威特石油公司等8家公司經(jīng)協(xié)調(diào)后制定的聯(lián)合檢查組渦輪燃料品質(zhì)要求規(guī)范，它是基于DEF STAN91-91和ASTM D1655兩個(gè)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本制定的。國際商業(yè)航空協(xié)會(huì)經(jīng)過多年研究，逐步將煤氣化費(fèi)-托合成噴氣燃料、煤液化噴氣燃料(CTL)、氣體合成噴氣燃料(GTL)和生物質(zhì)噴氣燃料(BTL)列入標(biāo)準(zhǔn)中。目前英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN91-91、ASTM D1655、ASTM D7566及聯(lián)合加油等國際標(biāo)準(zhǔn)，均允許安全使用由50%費(fèi)-托合成工藝生產(chǎn)的合成燃料與50%的Jet A或Jet A-1組成的混合燃料[9]。國際商業(yè)航空替代噴氣燃料計(jì)劃已于2013年成功實(shí)現(xiàn)了100%加氫可再生生物噴氣燃料，進(jìn)入噴氣燃料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并投入商業(yè)運(yùn)作，同時(shí)對(duì)調(diào)合生物噴氣燃料關(guān)于潤滑性的要求作出了明確限定，全球航空業(yè)的航空渦輪燃料生產(chǎn)商、經(jīng)銷商、機(jī)場(chǎng)加油站和航空公司均將使用該標(biāo)準(zhǔn)。

事實(shí)上現(xiàn)代飛機(jī)某些燃料系統(tǒng)部件已經(jīng)按照即將使用潤滑性較差的燃料來設(shè)計(jì)并制造，在國際航空界的參與下[10]，SAE AE-5B小組對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵的低潤滑性容忍試驗(yàn)的方法ARP 1797進(jìn)行了修訂，目前采用規(guī)定方法ASTM D5001對(duì)航空燃料基礎(chǔ)餾分進(jìn)行測(cè)量時(shí)磨斑直徑應(yīng)該在0.85～0.96 mm，為了改善燃料潤滑性，通常煉油廠商會(huì)建議在航空渦輪燃料中加入適量的腐蝕抑制/潤滑改進(jìn)劑。

一般來說，國際上民航規(guī)定采用ASTM D5001方法測(cè)試的磨斑直徑WSD值不大于0.85 mm，而軍用噴氣燃料要求WSD值不大于0.65 mm，歐盟多數(shù)成員國均參照?qǐng)?zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)。此外，ASTM D1655標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)合成石蠟基煤油(SPK)調(diào)合燃料的規(guī)格作出了明確規(guī)定：由費(fèi)-托(F-T)工藝合成的100%的石蠟基煤油規(guī)格和包含F(xiàn)T-SPK任意調(diào)合比例(體積不超過50%)成品燃料的規(guī)格、由100%源自加氫處理的動(dòng)物脂肪植物油脂或藻類油的甘油三酯的成品HEFA-SPK和包含HEFA-SPK任意調(diào)合數(shù)量(體積不超過50%)成品調(diào)合燃料的規(guī)格均屬于強(qiáng)制性執(zhí)行規(guī)格，并且調(diào)合燃料的潤滑性仍執(zhí)行相應(yīng)航空燃料規(guī)格，即調(diào)合燃料潤滑性要求磨斑直徑WSD小于0.65 mm。

我國GB 6537-2018《3號(hào)噴氣燃料》關(guān)于潤滑性的定義與GB 6537-2006版中的定義一致，規(guī)定采用BOC-100型球柱試驗(yàn)機(jī)來評(píng)價(jià)噴氣燃料的潤滑性，與之等效的方法是SH/T 0687《航空渦輪燃料潤滑性測(cè)定法(球柱潤滑性評(píng)定儀法)》，軍用3號(hào)噴氣燃料磨斑直徑WSD值不大于0.65 mm，民用3號(hào)噴氣燃料WSD值不大于0.85 mm。表1給出了國內(nèi)外噴氣燃料質(zhì)量規(guī)范對(duì)潤滑性能的要求[11]。

表1 國內(nèi)外噴氣燃料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)潤滑性要求

3 噴氣燃料潤滑性評(píng)價(jià)方法

上世紀(jì)60年代中期，國外很多機(jī)構(gòu)都尋找過測(cè)量噴氣燃料摩擦性能及測(cè)定不同條件下潤滑添加劑有效性的方法，研制出了在動(dòng)壓潤滑區(qū)評(píng)價(jià)潤滑油性能的試驗(yàn)臺(tái)，而燃油注射泵及其偶件大多數(shù)處于邊界潤滑狀態(tài)，這些試驗(yàn)臺(tái)并不適用。西方國家嘗試采用Ryder齒輪摩擦試驗(yàn)機(jī)來評(píng)價(jià)燃料的抗磨性，試驗(yàn)結(jié)果按照輪齒1 cm寬度上的最大單位負(fù)荷來表示抗磨性的好壞，但研究發(fā)現(xiàn)該法只適用于評(píng)定含添加劑的燃料而受到限制。于是人們開始選用其他試驗(yàn)方法，其中四球機(jī)和法拉克斯(Falex)試驗(yàn)機(jī)兩種方法能夠區(qū)分精制燃料和非精制燃料的抗磨損性能，但Falex試驗(yàn)在室溫和小負(fù)荷條件下的試驗(yàn)結(jié)果并不準(zhǔn)確，四球機(jī)在小負(fù)荷時(shí)靈敏度差且在高溫下取得的結(jié)果重復(fù)性較差。后來英國根據(jù)高壓柱塞燃油泵出現(xiàn)的潤滑性問題設(shè)計(jì)了由鍍銀的青銅針和銅柱組成的針盤試驗(yàn)機(jī)，模擬了油泵的工作狀態(tài)，這是一種采用測(cè)量針磨損程度來研究燃料潤滑性的設(shè)備，僅限于檢查冶金組合件有效[12]。

美國一家民品公司按照美國研究協(xié)調(diào)委員會(huì)(CRC)的要求制造出了第一批試驗(yàn)儀(一個(gè)燃料分配器中有代表性的活門)，該試驗(yàn)儀通過測(cè)量活門中芯軸的摩擦力，成功模擬了第一起美軍航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)因燃料潤滑性較差而引發(fā)燃油泵磨損的難題[13]。1965年，美國富里公司研制了Furey球柱機(jī)(FBOC)，用于研究滑動(dòng)潤滑表面間的金屬接觸和摩擦，可測(cè)量3個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，即球與柱接觸的動(dòng)摩擦力，球上的磨斑直徑和球與柱接觸面積的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)腐蝕抑制劑濃度很低時(shí)，F(xiàn)BOC的靈敏度高于比針盤試驗(yàn)機(jī)。1966年，F(xiàn)BOC首次早期廣泛用于噴氣燃料潤滑性的評(píng)價(jià)，但測(cè)量精度較差。1984年美國一家公司對(duì)FBOC進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和完善工作，對(duì)各種參比液進(jìn)行研究以選擇標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)液，選擇標(biāo)準(zhǔn)包括通過柱體工作表面的重復(fù)性，柱體與柱體的再現(xiàn)性，好柱體與差柱體間的差別，儲(chǔ)存安定性，成本以及可獲得性等，同時(shí)還對(duì)試球的來源及制造方法、柱體表面的光潔度和Falex環(huán)進(jìn)行了研究，以改善試驗(yàn)儀的重復(fù)性和再現(xiàn)性[14]。

CRC也嘗試著對(duì)球柱潤滑試驗(yàn)儀(BOCLE)和試驗(yàn)方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立了被腐蝕抑制/潤滑改善劑產(chǎn)品規(guī)格MIL-I-25017E采用的BOCLE試驗(yàn)方法，后來該法被美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)(ASTM)批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，編號(hào)為ASTM D5001，方法名稱為“用球柱機(jī)測(cè)量航空渦輪燃料潤滑性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(BOCLE)”，同時(shí)對(duì)MIL-I-25017進(jìn)行了修訂，提出了在BOCLE法中建立添加劑的最低有效濃度：以BOCLE法評(píng)價(jià)潤滑劑磨斑直徑WSD值為0.65 mm時(shí)的劑量或選取1～1.5倍相對(duì)有效濃度劑量中的較大值[15]。

國際航運(yùn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)采用ASTM D5001《球柱潤滑性評(píng)定儀測(cè)定航空渦輪燃料潤滑性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(Ball on Cylinder Lubricity Evaluator，簡(jiǎn)稱BOCLE法)》(簡(jiǎn)稱球柱法)評(píng)定燃料的潤滑性。該方法是將不能轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼球固定在垂直安裝的卡盤中并浸入待測(cè)油樣，鋼環(huán)柱體以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，與鋼球之間產(chǎn)生摩擦，測(cè)量磨斑直徑WSD值來表示噴氣燃料的潤滑性。ABS-SL型球柱潤滑性評(píng)定儀試驗(yàn)鋼球?yàn)锳NSI標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)E-52100鉻合金鋼(洛氏硬度HRC為64～66)，試驗(yàn)環(huán)為SAE 8720鋼(HRC為58～62)。試驗(yàn)方法選用ASTM D5001-1990(1995)《球柱潤滑性評(píng)定儀測(cè)定航空渦輪燃料潤滑性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(BOCLE)法》，摩擦上試件為鋼球，下試件為圓環(huán)，在1000 g壓力載荷下，鋼球固定，圓環(huán)以(240±1)r/min速度轉(zhuǎn)動(dòng)，圓環(huán)下部位完全浸沒于(25±1) ℃的(50±1.0) mL試驗(yàn)油樣中，試驗(yàn)前對(duì)油樣預(yù)處理15 min(0.5 L/min和3.3 L/min的流速空氣分別從油樣的底部和上表面通入)，相對(duì)濕度為(10±0.2)%的空氣以流速3.8 L/min流過油樣上表面，試驗(yàn)時(shí)間為(30±0.1) min，試驗(yàn)結(jié)束后在顯微鏡下測(cè)量鋼球的磨斑直徑，即WSD值(單位為mm)。見圖1。

圖1 BOCLE評(píng)定儀的摩擦方式示意

前蘇聯(lián)在過去幾十年間也先后開發(fā)了十幾種試驗(yàn)裝置來進(jìn)行噴氣燃料潤滑性能的評(píng)定工作，經(jīng)過多方面對(duì)比和篩選，將yIIC-01試驗(yàn)儀、СИСС-Τ-1試驗(yàn)機(jī)、ПСΤ-2試驗(yàn)儀和НР-21Ф2柱塞泵試驗(yàn)臺(tái)作為噴氣燃料綜合鑒定法中評(píng)定潤滑性能的方法(表2)，四個(gè)模擬試驗(yàn)方法并存，不能互相替代，也說明都沒達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的水平。俄羅斯學(xué)者[16]認(rèn)為航空油泵的摩擦形式既有滾動(dòng)摩擦也有滑動(dòng)摩擦，而現(xiàn)有的模擬試驗(yàn)設(shè)備上評(píng)定抗磨損性能的實(shí)驗(yàn)室方法存在很大的局限性，應(yīng)該采用大量的燃料進(jìn)行長期的實(shí)物油泵試驗(yàn)，將黏度、酸度、磨損準(zhǔn)數(shù)、磨損和臨界負(fù)荷、磨損值、部件磨損來綜合表征噴氣燃料的抗磨損性能。

表2 俄羅斯噴氣燃料抗磨損性能測(cè)試方法

yIIC-01試驗(yàn)方法已列入了俄羅斯噴氣燃料綜合鑒定法，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法為ΓΜΚ No23/1-222，結(jié)果采用綜合指數(shù)K來確定，說明試驗(yàn)燃料相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)液(正十五烷)的抗磨性。該試驗(yàn)機(jī)摩擦副是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的摩擦平盤和三個(gè)在特制分離器中固定不轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼球(ШХ15鋼，直徑為25.4 mm，HRC硬度為62～66)組成，將摩擦副置于密封的燃料室里，利用電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過彈簧測(cè)力計(jì)向摩擦副施加負(fù)荷，燃料室里的剩余壓力利用活塞泵產(chǎn)生和調(diào)節(jié)，同時(shí)燃料可進(jìn)行加熱，試驗(yàn)結(jié)束后分解摩擦部位，并用顯微鏡測(cè)量鋼球兩個(gè)相互垂直方向上的磨損斑痕直徑，精確至0.01 mm。取2次測(cè)量的平均值作為鋼球的磨損量，取三球磨損量的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)的結(jié)果。

其實(shí)我國以往生產(chǎn)的噴氣燃料鑒于當(dāng)時(shí)對(duì)于抗磨性評(píng)價(jià)方法欠缺，并無此項(xiàng)要求。早期，國內(nèi)先后使用過曾田四球機(jī)、吉山四球機(jī)、斯柯達(dá)試驗(yàn)機(jī)、梯姆肯試驗(yàn)機(jī)、MM-200型試驗(yàn)機(jī)和MHK-500型環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了大量評(píng)定噴氣燃料潤滑性能的研究工作，經(jīng)過反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MHK-500型環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同噴氣燃料的潤滑性具有良好的區(qū)分性，重復(fù)性和再現(xiàn)性較好。國產(chǎn)航空油料鑒定委員會(huì)批準(zhǔn)采用MHK-500型環(huán)塊試驗(yàn)機(jī)的評(píng)定方法列為專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法HYD-027-86。后來該法于1991年發(fā)展成石化行業(yè)方法SH/T 0073-1991《噴氣燃料抗磨指數(shù)測(cè)定法(環(huán)塊法)》，測(cè)試結(jié)果用抗磨指數(shù)Km表征，抗磨指數(shù)愈大表示潤滑性愈好，公式如下：

其中b標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)油二甲苯所產(chǎn)生的兩次試塊磨痕寬算術(shù)平均值，單位為mm；b試是待測(cè)油樣所產(chǎn)生的兩次試塊磨痕寬算術(shù)平均值，單位為mm。

SH/T 0073方法以二甲苯為參比液，毒性較大，易受試驗(yàn)條件和環(huán)境等因素影響，數(shù)據(jù)的重復(fù)性和再現(xiàn)性有時(shí)還不能滿足實(shí)際工作的需要；而球柱潤滑評(píng)定法測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和再現(xiàn)性好、受環(huán)境和試驗(yàn)條件的影響較小。兩種方法之間尚未找到定量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但磨斑直徑WSD值小于0.65 mm的噴氣燃料，其抗磨指數(shù)Km值基本上均大于90。表3給出了采用SH/T 0073、SH/T 0687和ASTM D5001方法評(píng)價(jià)國內(nèi)幾家煉油廠噴氣燃料抗磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]。

表3 國內(nèi)幾家煉油廠噴氣燃料采用不同抗磨性試驗(yàn)方法的典型值

表3(續(xù))

4 提高噴氣燃料潤滑性措施

為解決噴氣燃料潤滑性能較差引發(fā)的一系列問題，國內(nèi)外通常采用以下措施：

(1)將潤滑性好的噴氣燃料與潤滑性較差的噴氣燃料進(jìn)行攙兌。如美國一般不出售100%的加氫燃料，通常在潤滑性差的燃料中加入10%～20%潤滑性好的燃料會(huì)得到潤滑性合格的燃料；在歐洲，50%以上的噴氣燃料都是采用加氫煉制工藝，加氫和不加氫的燃料都加入飛機(jī)使得潤滑性能問題不常出現(xiàn)，常減壓工藝生產(chǎn)的直餾餾分噴氣燃料潤滑性很好。

(2)加入抗磨劑是提高噴氣燃料潤滑性能最有效的方法。目前，歐美等主要使用符合QPL-25017D版規(guī)范中規(guī)定的腐蝕抑制/潤滑改進(jìn)劑，而國內(nèi)早期采用T1601和T1602兩種抗磨劑，后來T1601因易引起水分離指數(shù)下降和西方環(huán)保要求等而受到限制；前蘇聯(lián)主要使用П和ПТ抗磨劑，俄羅斯目前主要使用K型抗磨劑?？紤]到二聚酸型抗磨劑兼具抗磨和防止銹蝕效果，而且國際上通用性較強(qiáng)，所以噴氣燃料抗磨劑的發(fā)展趨勢(shì)仍然將以二聚酸型為主。

(3)改進(jìn)油泵和燃料系統(tǒng)有關(guān)部件的材質(zhì)。提高燃油系統(tǒng)相關(guān)部件材質(zhì)本身的耐磨性，以達(dá)到這些組件完全不受燃料潤滑性好壞的影響，例如在噴嘴和油泵等表面鍍上一層耐磨的材料，這也是目前最有效、治本的方法。