工业流体污染的危害、防范与控制

2014-03-09史霁翔应博李建明

机床与液压 2014年8期

关键词：滤芯油液过滤器

史霁翔，应博，李建明

(1.成都以太航空保障工程技术有限责任公司，四川成都 610091; 2.中国人民解放军驻成都飞机工业公司代表室，四川成都 610092)

工业流体污染的危害、防范与控制

史霁翔1，应博2，李建明1

(1.成都以太航空保障工程技术有限责任公司，四川成都 610091; 2.中国人民解放军驻成都飞机工业公司代表室，四川成都 610092)

阐述固体颗粒和水这两种典型的工业油液污染物质的危害，提出了防范以及将之控制在系统能够安全运行的指标之内的分离方法和技术措施。

工业流体;污染;控制

工业流体是组成设备与系统的重要元件，常用的有燃料、润滑、液压等油基型流体及乙二醇冷却液、酒精等水基型流体，这些流体参与运行，使设备或系统输出规定的功能。不容置疑，这些流体自身的品质好坏和质量优劣又会反过来影响设备和系统的性能。

评价流体质量的一项重要指标，就是这些流体被各种物质侵袭和污染的程度，比如固体颗粒污染度，这项指标几乎适用于评判所有的工业流体，人们显然不希望在使用的流体中存在除了有效成分之外的其他杂质。另外一项针对油基型流体的重要评判指标是水污染度，因为水的存在 (哪怕是极其微小的含量)，都会给系统运行带来灾难性后果——这是后面要讲到的。

文中阐述了固体颗粒和水这两种典型的污染物的来源和危害形式，怎样防范以及如何将之控制在设备和系统能够安全运行的指标之内。这里引用的标准来自国家军事工业或航空工业标准，可供参考的还有许多，比较常用的有美国航空航天局的NAS1638标准、国际通行的ISO4406标准和前苏联的ГОСТ17216标准等。当然，参照这些标准，企业也会根据自己产品的使用环境和特性，制定出有针对性的污染控制指标(企业标准)。总之，作为可靠性工程的基础，工业流体污染控制正在引起越来越高的重视。

1 颗粒污染产生的机制及危害

污染无处不在，它以两种方式生成于工业系统之中:一种是外来污染，产生于油料的生产、储存、转运、加注和系统维修维护的各个环节;另一种是自身污染，系统运行时机械零部件相互啮合必然会产生磨蚀，油料也会在使用中受到机械冲击和温度变化而老化，这个进程是渐进和积累的，达到某种程度便会引发系统功能失效。如果油料被一定程度的水污染，这个颗粒污染累积的过程就会大大加快，因为水会在剧烈的运动中拉伤机械副，加剧磨蚀。水会沉积在系统低处产生锈蚀，在适宜的温度条件下与侵入系统的空气结合生成微生物群落，使油料失去“规定的功能”，导致系统故障从而引发功能失效。

美国NASA针对航天航空器的一项调研显示:引发这些飞行器液压操作系统功能失效的原因，有70%是因为系统颗粒污染产生的，而飞行器的操控约60%仰赖于液压系统!这组数据揭示出40%以上的空勤事故是油液污染造成的。为此，应当高度重视这个课题，研究油液从生产到使用全寿命期的污染控制方法并制定出相应的措施，绝不能让污染问题成为现代工业可靠性工程的短板。

2 流体颗粒污染分析与评判方法

固体颗粒污染物混合在工业流体中并参与运行，其分布呈现以下规律:

其中:Mn为n级油液的颗粒计数;

m00为00级油液的颗粒计数;

n为污染度级别。

这个规律在国际标准和各国制定的油液污染控制标准中展现无遗，这个规律的物理数学模型可以描述为:按颗粒尺寸分布分段计数的统计法。当然还有运用称重法 (质量浓度法)等其他标准，不过已经很少采用了。

这种分析方法揭示了工程运用中颗粒的形成过程:油液在磨蚀、挤压和机械研磨中，所含总体颗粒质量浓度 (按粒径划分)的增长呈现出按指数规律分布的宝塔形特征。这为人们提供了如何在流体中分离这些颗粒污染物的研究依据和评判方法，显然，在工程机械的运动流体中，运用过滤器分离颗粒污染物，是保障设备输出规定功能、提高可靠性的有效手段。而设计中，如何选择种类繁多、指标各异的过滤器，则是一个需要综合平衡的问题:除了压力与流量这两项基本参数外，压阻损耗对系统的影响、过滤精度与效率的矛盾、滤芯容污能力与使用时间和经济效率等都是必须加以考虑的。

3 过滤器性能的评判

世界著名的过滤器生产商 (如美国颇尔公司、德国贺德克公司等)都会在自己的产品上标注出过滤性能 (或称过滤比)和过滤精度，就是依据这个规律下的标准来的。比如，过滤器的性能标注为:

βx≥1 000

式中:βx为过滤性能 (过滤比):过滤器上、下游的单位体积油液中大于某一给定尺寸x的颗粒污染物数目之比;

x为过滤精度，指过滤器能有效捕获的最小颗粒尺寸 (单位为μm)，即此过滤器针对x以上尺寸段颗粒能有效分离。

如果上式中x为2，这个指标说明:过滤能力针对2 μm以上 (含2 μm)的流体，在一定的循环周期后，过滤器下游的颗粒是其上游的1/1 000，其中上下游的定义见图1。

图1 上下游定义示意

该“过滤比”评定法是由美国俄克拉荷马州立大学流体动力研究中心提出的，目前已被国际上普遍采用作为评定过滤器过滤性能的典型方法。

4 优化设计:过滤器的组合

下角标x的意义在于它避免了盲目性，清晰地指出这个过滤器使用中要达到的工程目的:可以用过滤器的组合来实现较为全面的洁净度控制，在满足系统需求的同时也高效率地利用资源。因为通常针对25 μm以上颗粒的滤芯会采用可清洗反复使用的金属或陶瓷材料制作，这个尺寸以下则采用纸或其他纤维制作一次性使用的滤芯。无论哪种材质的滤芯，在特定的空间中都有一个容污能力的极限，到达这个极限则会出现滤芯堵塞，使过滤器两端的压降上升，这会导致系统不稳定，更严重的后果是滤芯压溃、坍塌，造成系统严重污染并引发功能失效。为防止这种灾害性后果的出现，通常会在过滤器两端设置压差旁路装置，使用中当压差到达设定值时油液会从旁路流通，起到保护目的，但与此同时也失去了过滤能力。对此，理想的选择是两者的串联组合，即在流体方向上游安装β25≥100可清洗的过滤器和下游安装高精度过滤器。

5 要高度重视油液中水污染的危害

这里要特别讲一讲水污染的严重性和分离与祛除的控制方法。在飞机和航天器的液压系统中，水污染危害极大，这是由它们的运行工况和环境决定的。以军用飞机液压系统为例，受载荷特性限制，大量的管道和零件分布在靠近机体表面的位置，会随着飞机的停放升空承受温度的剧烈变化，这个变化在夏季的数分钟内可达120℃区间以上。水污染油液有两种形态:分布相对均匀的溶解水和不均匀的游离水。资料显示:在物理温度下，不同的矿物油溶解水的饱和度为0.000 3～0.000 5，超过了这个含量的水只能是游离的。溶解水没有危害，因为这种水与油在分子形态下构成的大分子团具有足够的紧密度和通过能力，而游离水则如前所述会附着在零件表面或沉降在系统低处成为隐患。那么水污染在饱和含量内危害何在?值得如此紧张慎重吗?问题与温度密切相关。因为油液饱和水的能力是温度的函数，这个能力随着温度的下降在逐渐丧失。如此可以分析:当战机在地表60℃下骤然升空到10 000 m以上－70℃环境中并且持续巡航时，液压油中的饱和水开始析出并且在极度寒冷中迅速凝结成冰晶。资料证明:－20℃以下的冰晶其坚硬度相比于这个温度之上的冰粒会高出一个数量级以上。它带来的危害是:在投入战斗或急剧下降的大载荷操作中，这些坚硬的冰晶会划伤机械表面，严重时大量的冰晶会堵塞细小的通道使操纵失灵，引发灾害性后果。

6 水污染的分离、检测与控制

常用的分离水的方法有离心式分离和真空分离两种，离心式分离法对溶解水几乎没有作用，因此大量采用的还是真空分离法。由成都以太航空保障工程技术公司研发的装置 (图2)利用适度真空条件下物质转移的原理，在装置中完成油膜扩散，创造溶解水和游离水相互转化的局部条件，采用在油液循环过程中滤除颗粒污染物等技术手段实现油液的全面净化。这个过程可以针对油液单独进行，也可以连接系统(如飞机液压系统)实现净化目的。该净化装置还具有颗粒和水污染度的在线实时检测能力，用以保证被净化的设备或系统工作在安全运行的污染控制指标以内。