Введение

Коррозия топливной системы авиационного двигателя может привести к сокращению его срока службы [2]. В топливной системе коррозия может быть вызвана присутствием в топливе трех видов химических веществ и соединений: серы и сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей, органических кислот [3–5]. Коррозионное воздействие этих соединений, в особенности органических кислот, усиливается в присутствии воды.

Одним из видов авиационного топлива является бензин, который используется для поршневых двигателей. По ГОСТ 1012–72 предусматривается использовать две марки авиационного бензина: Б-91/115 и Б-95/130. В ТУ38.401-58-197–97 установлены нормы качества на бензин марок Б-100/130 и малоэтилированный Б-100/130, что соответствует требованиям международных стандартов ASTM D 910 и UK DEF STAN 91-90 на бензин марок 100 и 100 LL [5]. Используемые для поршневых двигателей марки бензина отличаются высокой испаряемостью, поэтому топливные системы с учетом этого выполняют герметичными и по условиям рабочих давлений не допускающими паровых пробок в трубопроводах и агрегатах [6].

Современные авиационные марки бензина должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, в том числе не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. Поэтому необходимо проводить испытания на коррозионную агрессивность бензина по отношению к конструкционным материалам топливной системы.

В стандартах на авиационные топлива коррозионную агрессивность различных марок бензина предусмотрено оценивать по воздействию на медную пластинку (ASTM D130, ГОСТ 6321–92,), а зарубежных топлив – дополнительно по воздействию на серебряную пластинку (IP 227). Сущность указанных методов заключается в выдерживании медной и серебряной пластинок в испытуемом бензине при температуре 50±2°С соответственно в течение 3 и 4 ч с последующим фиксированием изменения их внешнего вида. Степень коррозионного воздействия бензина на металлы оценивают по существующей шкале эталонов коррозии медной и серебряной пластинок (рис. 1). Упомянутые методы дают только качественную оценку эксплуатационных свойств бензина – выдерживает или не выдерживает – без указания на допустимые нормы.

Рис. 1. Эталоны коррозии на медной (а) и серебряной пластинках (б)

Эксплуатация авиационной техники в тяжелых климатических условиях с повышенной влажностью вызывает образование конденсата на поверхности материалов топливной системы, что стимулирует разработку лабораторных методов оценки и прогнозирования свойств бензина в данных условиях. В связи с этим коррозионную агрессивность бензина можно дополнительно контролировать по ГОСТ 18597–73 «Определение коррозионной активности в условиях конденсации воды». Активность бензина определяют по изменению массы стальной пластины, находящейся в бензине в течение 4 ч, при насыщении бензина водой и конденсации ее на пластинке. По данному методу установлены допустимые нормы: потеря массы стальной пластины – не более 6 г/(м²/ч). Этот метод имеет ограниченное применение в связи с отсутствием показателей коррозии по другим металлам и низкими температурами испытаний.

В связи с нововведениями как в двигателестроении, так и в производстве бензина модернизируются и совершенствуются методы оценки коррозионной агрессивности бензина. Например, в эксплуатационных условиях коррозионные свойства бензина можно оценивать по изменению содержания в нем металлов, входящих в состав конструкционных материалов топливной системы.

В 25 ГОСНИИ МО РФ предложен метод оценки коррозионной агрессивности реактивных топлив, основанный на определении изменения толщины слоя контрольного металла, путем измерения электрического сопротивления этого слоя в процессе воздействия на него нагретого до заданной температуры топлива [7]. Разработанный экспресс-метод может быть применен для оценки коррозионной агрессивности бензина.

Для более полной оценки коррозионной агрессивности бензина во ФГУП «ВИАМ» предлагается применять целый комплекс методов.

Материалы и методы

Комплекс методов ускоренных испытаний предполагает изучение коррозионных свойств бензина и включает три метода испытаний, моделирующих условия эксплуатации. Испытания проводили на образце авиационного бензина марки Avgas 100LL. При комплексной оценке проводили испытания по трем методам:

Качественный метод 1

Испытания коррозионной агрессивности образца бензина проведены по ГОСТ 6321–92 на медной пластинке. Сущность метода заключается в выдерживании медной пластинки в испытуемом бензине при температуре 50±2°С в течение 3 ч и фиксировании изменения ее внешнего вида, характеризующего коррозионное воздействие бензина. Проводили три параллельных определения.

Количественный метод 2

Проведены испытания авиационного бензина в контакте с металлическими пластинами в течение 100 ч при температурном режиме, который соответствует рабочей температуре бензина: 50±2°С (смена навески бензина каждые 25 ч). Смена навески бензина необходима для моделирования более агрессивного воздействия испытываемого бензина на металлы. Испытания проводили на типовых металлах топливной системы: сталь углеродистая марок Ст. 10 или Ст. 20, сталь углеродистая оцинкованная хроматированная, магниевые сплавы марок МЛ5 или МЛ10 хроматированные, медь марок М1 или М3, латунь марки ЛС59-1, бронза марок БрОС10-10 и ВБ-23НЦ, алюминиевый сплав Д16-АТ Ан.Окс.нхр и Хим.Окс.

Коррозионную агрессивность бензина определяли гравиметрическим методом, заключающемся в определении изменения массы и состояния поверхности металлических пластинок после их испытания.

Дополнительным методом оценки коррозионной агрессивности бензина является спектральный количественный анализ бензина на содержание меди до и после испытания образцов медной пластинки в бензине (атомно-абсорбционный спектральный метод – ААС) [8–11]. Пробоподготовку бензина к анализу методом ААС проводили путем предварительного удаления органической фазы – перевод в водорастворимое состояние с получением минерализата пробы (процесс минерализации) [12]. Концентрацию меди в образце определяли с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием пламени ацетилен-воздух по поглощению медью резонансной аналитической линии (длина волны 324,8 нм). Проводили также определение кислотности бензина по ГОСТ 5985–79 до и после испытаний.

Количественный метод 3

Испытание на коррозионную агрессивность авиационного бензина проводили в условиях продувки системы влажным воздухом со скоростью 6 л/ч в течение 72 ч при температуре 50±2°С и возврата в реакционный сосуд продуктов его окисления и воды в виде конденсата. Стенд для ускоренных испытаний с продувкой влажным воздухом представлен на рис. 2.

Рис. 2. Стенд для ускоренных испытаний авиационных топлив с продувкой влажным воздухом:

1 – термостат; 2 – холодильник шестишариковый; 3 – реактор; 4 – стержень стеклянный с крючками; 5 – образцы металлические; 6 – барботер воздуха; 7 – реометр; 8 – осушительная система воздуха; 9 – редуктор низкого давления; 10 – трубка с гигроскопической ватой; а – склянка с дистиллированной водой; б – U-образная трубка с хлористым кальцием и силикагелем-индикатором; в – склянка с серной кислотой; г – склянки промежуточные пустые

Этот вид испытаний проводится в условиях повышенной температуры и влажности, которые используются для интенсификации коррозионного процесса, тем самым моделируя коррозию конструкционных элементов топливных систем изделий авиационной техники, эксплуатирующихся в жестких условиях (особенно в условиях повышенной влажности).

Результаты

Испытания коррозионной агрессивности образца бензина марки Avgas 100LL проведены по ГОСТ 6321–92 на медной пластинке. Просушенные пластинки осматривали со всех сторон, сравнивали со свежешлифованной пластинкой (эталоном) и устанавливали изменение цвета, наличие налетов или пятен на их поверхности. Коррозионную активность образца оценивали в зависимости от внешнего вида исследуемой пластинки, совпадающего с одним из эталонов коррозии (рис. 1).

Внешний вид медных пластинок до и после испытаний в бензине марки Avgas 100LL представлен на рис. 3. Внешний вид медных пластинок после испытаний в авиационном бензине марки Avgas 100LL соответствовал эталону коррозии на медной пластинке (рис. 1, а) – незначительное потускнение.

Рис. 3. Внешний вид медных пластинок до (а) и после (б) испытаний в бензине марки Avgas 100LL

Проведено также исследование коррозионной агрессивности образца бензина марки Avgas 100LL по отношению к металлам и гальваническим покрытиям по двум режимам:

– метод 1 – при температуре 50°С в течение 100 ч;

– метод 2 – при температуре 50°С в течение 100 ч со сменой бензина каждые 25 ч.

Проведено испытание на коррозионную агрессивность авиационного бензина в условиях продувки системы влажным воздухом при температуре 50±2°С в течение 72 ч и возврата в реакционный сосуд продуктов его окисления и воды в виде конденсата (метод 3).

Результаты испытаний, представленные в табл. 1, показывают, что потери массы металлических образцов при испытаниях в авиационном бензине по методам 1–3 незначительны.

Таблица 1

Коррозионные испытания авиационного бензина марки Avgas 100LL

Кислотность бензина до и после испытаний по двум методам в присутствии меди представлена в табл. 2.

Таблица 2

Определение кислотности бензина марки Avgas 100LL

Проведен также атомно-абсорбционный анализ бензина марки Avgas 100LL на содержание меди до и после испытания образцов меди марки М1 в этом бензине. Концентрацию меди в образце определяли с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием пламени ацетилен-воздух по поглощению медью резонансной аналитической линии (длина волны 324,8 нм). Атомно-абсорбционный анализ показал, что потери массы меди марки М1 в ходе испытаний в бензине марки Avgas 100LL не происходило.

Таким образом, комплекс методов испытаний, проведенный во ФГУП «ВИАМ», позволяет сделать заключение, что авиационный бензин марки Avgas 100LL может быть использован для работы в контакте с конструкционными материалами.

Обсуждение и заключения

Анализ научно-технических литературных данных показывает, что для более точной оценки коррозионного воздействия бензина на металлы необходим комплексный подход, позволяющий учесть различные условия хранения и эксплуатации авиационных двигателей.

При длительном хранении бензина образуется конденсат, при попадании которого в бензин протекает реакция гидролиза (эфиры превращаются в спирт и кислоту), повышается коррозионная агрессивность бензина и, соответственно, предложенный количественный комплекс методов испытаний в течение 100 ч является достоверным.

Несмотря на то что медная пластинка в большей степени подвержена коррозии, необходимо проверять также воздействие бензина и на другие металлы, в частности, комплекс методов испытаний во ФГУП «ВИАМ» включает испытания на различных металлических пластинках, наиболее подверженных коррозии в авиационном топливе. При испытании бензина марки Avgas 100LL наблюдалась наибольшая потеря массы образцов из стали оцинкованной хроматированной и меди при испытаниях по методу 3 (табл. 1).

Пробоподготовку бензина к анализу методом ААС в данной работе проводили путем предварительного удаления органической фазы – перевод в водорастворимое состояние с получением минерализата пробы [13, 14]. В научно-технической литературе предлагается использовать для пробоподготовки к спектральному анализу метилизобутилкетон, ксилол и ряд других чистых органических растворителей, а для приготовления калибровочных растворов – металлоорганические соединения [15]. Но при данном способе пробоподготовки отсутствует согласование проб и калибровочных растворов, а металлорганические соединения являются весьма дефицитными и дорогими. Разработанный способ (способ минерализации) позволяет подготовить пробы топлива без согласования проб и калибровочных растворов для проведения количественного анализа атомно-абсорбционным методом на содержание меди после коррозионного воздействия авиационного бензина на конструкционные материалы.

Одним из основных показателей степени окисления бензина, характеризующей его коррозионную агрессивность, является кислотность бензина. Кислотность исходного бензина, предназначенного для испытаний, соответствовала нормам, указанным в научно-технической документации на исследуемый бензин (табл. 2). В результате испытаний по методам 1 и 3 в присутствии меди кислотность возросла незначительно и, соответственно, не превысила пределов нормы. Кислотность бензина изменилась в результате протекания реакций окислительной полимеризации и конденсации продуктов окисления, сопровождающихся образованием смолистых веществ. Медь в данном случае выступает в роли катализатора процесса. Окисление бензина может приводить к дальнейшему выпадению смолистых веществ в осадок и образованию отложений в топливной системе, поэтому необходимо следить за изменением кислотности бензина в ходе испытаний.

После испытаний по методу 3 кислотность бензина изменилась в большей степени по сравнению с испытаниями по методу 1. Таким образом, метод 3 является более агрессивным, чем метод 1, так как происходит более активное окисление бензина за счет продувки влажным воздухом.

Таким образом, представленный комплекс методов испытаний во ФГУП «ВИАМ» позволяет проводить исследования коррозионной активности новых и модернизированных образцов авиационного бензина, а также прогнозировать вероятность отказов авиационной техники при применении нештатных топлив.

Таблица 3

Методы оценки коррозионной агрессивности бензина

Рассмотренные в данной работе существующие методы оценки коррозионной агрессивности бензина систематизированы в табл. 3.