航空涡轮发动机检测用油国家标准样品的研制

2013-09-06任立华徐新良黄奋生

石油炼制与化工 2013年8期

任立华，徐新良，孙艳，黄奋生

（中国石油乌鲁木齐石化公司研究院，乌鲁木齐 830019）

发动机检测用油国家标准样品是发动机性能和质量水平测试的统一标定燃料，可广泛应用于发动机功率、油耗、废气排放等性能的评定、认证以及仲裁试验。国际上各国普遍采用发动机检测用油标准样品（基准燃料）对发动机进行检测，而我国长期以来一直没有自己的航空涡轮发动机检测用油，性能检测上采用符合国家标准GB 6537的普通3号喷气燃料。由于产地不同、原油不同以及生产工艺不同，用于检测的喷气燃料油品性质存在一定差异，造成发动机检测结果可比性差，缺乏可靠的比较基础等一系列问题。因此，研制我国自己的航空涡轮发动机检测用油非常必要。顺应该趋势，根据中国国家标准化管理委员会（以下简称国标委）要求，中国石油乌鲁木齐石化公司联合辽宁省标准样品开发中心和辽宁方圆国家标准样品油有限公司，于2008年起开始研制航空涡轮发动机检测用油标准样品，研制样品于2011年12月通过由全国标准样品技术委员会组织的鉴定，并于2012年8月取得了国家标准样品证书 GSB06－2808－2012。本文从航空涡轮发动机检测用油的指标制订、制备方案确定、样品制备、均匀性检验、定值研究、稳定性检验、台架评价等方面介绍航空涡轮发动机检测用油国家标准样品的研制。

1 标准样品技术指标制订

考虑到目前我国尚无航空涡轮发动机检测用油，在标准样品技术指标制定的过程中，主要结合的标准有我国现行3号喷气燃料标准GB 6537—2006、美国军用油料规范的航空涡轮燃料ASTM D1655—2010和 MIL－DTL－5624T、英国国防部标准DEF STAN 91－91－6以及国外航空涡轮发动机检测基准燃料IATA、GERE航空涡轮燃料规格的要求和飞机发动机生产商普惠（PW）公司航空涡轮燃料规格要求等［1］。在初定技术指标的基础上，与航空涡轮发动机设计研发单位、发动机生产单位以及发动机检测机构等专家建立联系，分别制定标准样品标准调查表和文字标准意见征询表，发送至各相关部门及专家处进行意见征询和专家审议，对标准样品的安定性、均匀性、洁净性、润滑性、腐蚀性等关键指标进行性能评定试验，并通过台架试验考察修订关键指标，最终确定了标准样品技术指标。

航空涡轮发动机检测用油技术指标与国外航空涡轮检测基准燃料技术指标的对比见表1。从表1可以看出，我国的航空涡轮发动机检测用油技术指标在总酸值、总硫、硫醇性硫和实际胶质的制定上较国外基准燃料严格和苛刻；芳烃、馏程、闪点、黏度等指标与国外的基准燃料相比，有了严格的指标区间范围，这使得我国的航空涡轮发动机检测用油国家标准样品有了更为可靠和严格的质量保证。

表1 航空涡轮发动机检测用油技术指标与国外检测基准燃料对比

2 标准样品的制备和检验

2.1 标准样品制备及检验流程

按照GB／T 15000《标准样品工作导则》要求，严格按照标准样品研制程序［2］要求进行样品的制备及检验，制备及检验流程示意见图1。按该程序制备检测用油、对检测用油分别进行均匀性检验、定值判断以及稳定性检验。

2.2 标准样品制备方案

图1 标准样品的制备及检验流程示意

实验制备阶段，通过对每一种原油的评价和筛选，在炼油厂加工原油中寻找合适的标准样品制备原料；检测制备样品的关键指标和重要指标，考察不同的原油加工方案以及实沸点切割方案。从17组方案中筛选出3组并进行方案比对，其中方案1为：东疆、石彩、吐哈、哈萨克斯坦4种原油按质量比15∶55∶10∶20混合蒸馏，取140～240℃馏分；方案2为：西北局、北疆、哈萨克斯坦3种原油按质量比20∶60∶20混合蒸馏，取135～245℃馏分；方案3为：方案1的馏分加入6%芳烃，馏程为140～240℃。与其它两种方案相比，方案1具有如下优点：采用的基础油不受装置生产方案的限制，具有更大的灵活性；东疆、吐哈、石彩原油性质稳定，更适于作为生产标准样品的原料油；各项技术指标更容易达到标准样品技术指标要求，同时更低的硫含量符合当前和今后标准样品的发展趋势。方案2的优点是各项技术指标容易达到标准样品技术指标要求，但需要在常压蒸馏装置Ⅰ加工，而该装置有加工回炼污油的任务，且在冬季又较多用于低凝柴油的生产，生产标准样品存在一定局限。方案3的优点是添加芳烃使得芳烃含量提高，燃烧效率提高，但添加芳烃使芳烃质量分数达到15%～20%后，与普通喷气燃料相比，台架试验出现点火困难，且尾气排放增加，不利于标准样品的推广和实际应用。因此，最终确定方案1为标准样品的制备方案。

在样品制备过程中，按各项理化指标要求，找出最佳生产工艺条件，生产出合格的检测用油标准样品，分别储存于标准样品储罐中，从标准样品储罐中取出样品装入200L铁桶，再分装到1000g、2000g马口铁皮罐中。样品的包装、标志、运输、储存及交货验收执行SH 0164标准。

2.3 检测用油标准样品检验

2.3.1 理化性质检验委托中国石化石油化工科学研究院通过国家实验室认可的权威油品检测实验室对标准样品进行了理化性质分析，标准样品理化性质分析结果见表2。从表2可以看出，航空涡轮发动机检测用油的各项理化性质均达到和满足技术指标要求。

2.3.2 均匀性检验均匀性检验是检验标准样品最重要的技术指标。GB 4756液体石油产品取样标准认为密度可用来表征油品的均匀性，因此选择测定密度进行均匀性检验。按《标准样品工作导则》中“液体化学成分标准样品技术通则”［3］要求抽取样品，按照国家标准GB／T 1884—2000《石油和液体石油产品密度测定》（密度计法），对分析结果采用单因素多水平试验方差分析法进行均匀性检验。选取15个样品，每个测定3次，均匀性检验结果见表3。标准样品方差分析结果见表4。

表2 标准样品理化性质分析

表3 标准样品均匀性检验结果 kg／m3

表4 标准样品方差分析结果

通过F检验法计算得统计量F＝1.50。给定α＝0.05，从 F 分布表查得F（0.05，14，30）＝2.04。统计量F小于F（0.05，14，30），说明在95%的置信区间内，样品密度无明显差异，样品均匀性良好。2.3.3 定值研究标准物质的定值是对标准物质特性量赋值的全过程［4］。项目产品按照国标委的要求采取多家实验室定值。项目组协调中国航空油料华北油品质量检验中心、中国石化石油化工科学研究院、国家石油石化产品监督检验中心等国内6家权威研究及检测机构，统一检测样品、检测方法、检测关键指标，按照国标委的要求，克服地域差异、分析误差差异等带来的问题，完成多家实验室的协作定值。航空涡轮发动机检测用油标准样品定值结果见表5。表5中检测用油的定值结果是由特性值和不确定度组成的，不确定度是根据6家协作定值单位的检测数据评定而来，在计算协作定值的不确定度时，除了评定测量程序引入的不确定度分量之外，还评定了样品的不均匀性、长周期稳定性和短周期稳定性引入的不确定度分量，符合标准样品定值要求，定值结果具有溯源性。

表5 航空涡轮发动机检测用油标准样品定值结果

2.3.4 稳定性检验为保证标准样品在不同时间所载有特性值的一致性，对定值以后的标准样品进行了稳定性检验以作为确定其有效性的技术依据。标准样品的稳定性检验是标准样品的基本要求，在样品储存过程中，密度、热安定性、铜片腐蚀、实际胶质、酸值是表征航空燃料稳定性的关键指标［5］，因此选定这四项指标作为航空涡轮发动机检测用油稳定性检验参数。稳定性检验结果见表6。从表6可以得出，在稳定性考察期内，检测用油的密度、热安定性、铜片腐蚀、实际胶质含量、酸值等几项关键指标在不同时间间隔内检测结果的偏差均不超过其测试方法的精密度，符合稳定性要求，且考察期内的各项监测数据均达到技术指标要求，说明检测用油标准样品在规定的储存条件下，质量稳定可靠。

表6 航空涡轮发动机检测用油标准样品稳定性检验结果

以上结果表明，所研制的航空涡轮发动机检测用油标准样品均匀性良好，定值数据具有溯源性，定值不确定度符合要求，样品质量稳定可靠。

2.4 台架评价

为进一步验证样品的使用性能，分别委托北京航空航天大学和南京航空航天大学对项目组研制的标准样品与国内具有代表性的3号喷气燃料在两种不同型号的航空涡轮发动机台架上进行了对比检测评价，以比较不同样品对发动机台架性能的影响。主要考察了不同油样对发动机台架的稳定性、加减速特性、动力性以及排放特性的影响。台架评价结果表明，检测用油标准样品在航空涡轮发动机实验台架上进行应用后性质稳定，可以使发动机正常工作，发动机推力测量误差不大于1%；燃气温度测量误差不大于2%；排气成分测量误差不大于2%；各测量参数误差符合台架试验要求。发动机机况运转平稳，能够满足试验发动机检测的需求。