喷气燃料颗粒计数结果与水分质量分数的相关性研究

陈柄昊 胡建强 郭力 杨士钊

摘   要：颗粒污染物的污染度检测对于保证喷气燃料质量具有重要意义。自动颗粒计数法作为目前运用较为成熟的新型技术，具有操作简便、快速准确的优点，可对喷气燃料进行污染度测定。然而，油中存在的游离水会对自动颗粒计数器产生干扰影响。从前期试验来看，自动颗粒计数器的测定结果与喷气燃料中的水分质量分数具有一定的相关性。本文首先通过添加大区间范围的游离水来验证计数结果和水分质量分数的关系，通过试验说明了≥30 μm（c）颗粒和水分质量分数之间存在线性关系。然后通过添加小剂量的水分的试验，发现当以ISO 4406标准中污染度等级代号11级来要求≥30μm（c）颗粒时，可有效控制水分质量分数。

关键词：喷气燃料;污染度;颗粒计数;水分质量分数

喷气燃料中常见的污染物除了固体颗粒外就是水分杂质，广义上的污染度测定也包括测定油样中的水分杂质。水分是喷气燃料中常见的杂质之一，其存在方式主要有溶解水、悬浮水和游离水3种。一般来说，液体燃料中基本不含水分，但在储存、运输和加注过程中可能由于各种原因混入水分。喷气燃料中混入水分会产生一系列危害：水分会引起容器和机械的腐蚀;低温时，水分凝结成冰粒，会堵塞油路;燃油中的水分还会促进胶质的产生[1]。因此，测定监控喷气燃料中的水分质量分数是保证燃油质量的重要保证之一。

1    测定监控喷气燃料中水分质量分数概述

自动颗粒计数器是利用光学传感器对油液中的固体颗粒进行测定的仪器，既可以在实验室也可以直接在现场检测油液。该仪器能够测出颗粒数目和尺寸的分布情况[2]。它的工作原理主要是通过遮光传感器接受被颗粒遮挡后的光通量，并将之转换成电信号，经前置放大器传输到计数器进行计数。根据国外的相关研究[3]，由于在燃油中存在的微小液滴也具有遮光效果，当存在微量游离水时，自动颗粒计数器测定的大尺寸颗粒数目会有所上升[4]。本研究将通过试验分析喷气燃料中微量游离水与自动颗粒计数结果之间的相关性。

自动颗粒计数法与游离水质量分数之间存在潜在联系的理论基础是由于微小水滴对于自动颗粒计数器中光线的遮弊作用，通过改变光通量，微小水滴可使光电传感器产生误判[5]。但是事实上，微小水滴在油中的形态是难以判断的，这主要在于水在油中会因为密度问题产生积聚、沉降的现象，且在外力作用下可能会导致水滴大小尺寸发生改变。相较于固体颗粒，从理论上说，水滴在油中的分布更难均匀，因此测定的数据重复性很可能会较差。

为了能较准确地测定水分质量分数与自动颗粒计数结果之间的相关性，应采取合适的试验步骤，从方法上降低误差的产生。同时，针对游离水分布不均匀的情况，应当首先扩大水分的添加范围，增大加入水分的最大量，利用数量上的增加减小统计学上产生的误差。

2    实验部分

自动颗粒计数法测定喷气燃料水分含量试验分为两个部分，首先利用卡尔费休法验证喷气燃料水分含量与污染度测定结果之间存在线性关系，然后通过小区间的水分添加进一步探究自动颗粒计数结果与水分含量之间的对应关系。

2.1  实验试剂、仪器

实验试剂：3号喷气燃料（上海高桥炼油厂），满足GB 6537—2006《3号喷气燃料》指标要求;石油醚（分析纯）;蒸馏水;卡尔费休试剂（山东中惠公司）。

实验仪器：ACM 20（英国Paker公司）;微量水分测定仪（山东中惠公司）;微量进样器（上海安亭微量进样器厂）。

2.2  实验方案

2.2.1  线性关系验证试验

使用1L的塑料瓶采集同一批次喷气燃料，分别注入20×10-6、30 ×10-6、50 ×10-6、100 ×10-6、200 ×10-6、300 ×10-6的蒸馏水，配置6瓶油样并保留1瓶油样不加入水分作为空白试验。

自动颗粒计数器测定，翻转摇荡60 s，在摇晃过程中，要避免用力过度致使大颗粒被分散成小颗粒，从而导致计数结果受到影响，同时要保证油样在摇晃结束后1分钟内进行测试，避免液滴聚结集中到瓶底。每个油样进行3组试验并取平均值作为试验结果。

2.2.2  对应关系探究试验

使用1 L的塑料瓶采集同一批次喷气燃料，将油样过滤后加入过量蒸馏水，经48 h静置后，取上层清样配置测试油样，可将其视为含有饱和溶解水的油样。分批次加入0.5 mg/L、1.0 mg/L和2.0 mg/L的ISO MTD粉尘，然后每一批次分别注入10×10-6、20×10-6、30×10-6、40×10-6、50×10-6的蒸馏水，配置5瓶油样并保留1瓶油樣不加入水分作为空白试验。每个油样进行3组试验并取平均值作为试验结果。

3    实验数据对比与分析

3.1  线性关系验证实验

将每瓶油样充分摇晃后，取200 mL油样进行自动颗粒计数，测定3次取平均值。测试结果如表1和表2所示。

对表1～2的数据进行分析发现，经过卡尔费休法验证后，基本验证了水分含量。在逐次增加水分的加注量之后，≥30 μm（c）的颗粒污染物含量和颗粒数明显上升，推测其原因主要是少量游离水在燃油中以大颗粒的形式存在。

≤30 μm（c）的污染颗粒数量有明显下降，其中4～6 μm（c）与6～14 μm（c）的数量下降显著，推测其下降的主要原因是大尺寸的液滴造成了重合现象而导致计数减少，同时不排除液滴将小颗粒的污染物包裹进去的可能性。为了确定加入的水分含量与尺寸≥30 μm（c）的颗粒污染物质量分数和颗粒数之间的关系，单独对比每组试验中的尺寸≥30 μm（c）的颗粒污染物的各项数据。将数据线性拟合后形成图1和图2。

通过图1与图2显示，随着水分含量的增长，尺寸≥30 μm（c）的颗粒污染物的颗粒数与百分含量也随之增长。其中，图1的线性参数R为0.962 3，大于0.9，说明两者基本成线性关系。图2可知线性参数R为0.953 4，也说明两者成线性关系。由ACM20自动颗粒计数器测得的数据可知，试验中逐渐加入更大剂量的蒸馏水后，≥30 μm（c）区间的颗粒污染物含量显著增加。在初步证明了水分含量和自动颗粒计数结果的线性关系后，添加小剂量的水分，尝试通过试验找出二者的明确对应关系。

3.2  对应关系探究实验

按照附录A中试验步骤测定结果如表3～4所示。

将表2～3中数据制成折线如图3所示。

從图3中可以看出，随着水分的增加，≥30 μm（c）粒径下颗粒数量确有增加。从数值上看，由0.5 mg/L到2 mg/L，颗粒的数量也有增加，与ISO MTD的添加剂量成正相关。由于固体颗粒含量的不同，≥30 μm（c）粒径下颗粒数量和水分含量之间没有明确的数值对应，通过颗粒计数结果并不能直接推算游离水的含量。与之相似，在表3中，≥30 μm（c）粒径下颗粒数量固然和水分含量相关，然而其结果也受自动给固体颗粒含量影响，没有出现明确的数值对应。

虽然无法通过自动颗粒计数法准确测定水分含量，但是可以通过对≥30 μm（c）的污染度等级提出要求来降低游离水存在的可能性。从表4中可以看出，无论颗粒含量，≥30 μm（c）的污染度等级最高不超过11级，根据试验数据和国外的质量要求建议，为保证喷气燃料的洁净度，因此，可将≥30μm（c）的建议要求定为11级，以此来控制微量水分的含量。

3.3  不确定度分析

略去计算过程，求得测定结果的标准不确定度u（X1）结果如图4所示。

通过图4可以看出，当游离水存在时，其标准不确定度u（X1）的数值基本维持在10%～15%，数值较高，说明测定结果的重复性较差。产生这种现象的主要原因，应该从统计学角度进行分析。从之前的试验数据分析来看，颗粒尺寸越大，数量越小，在单位体积油液中分布就更可能存在不均匀的情况，而在取样过程中，颗粒数量越少则意味着更难取得具有代表性的油样。同时，游离水的存在本身就会使测定结果出现较大的偏差，会降低结果的重复性。结合上一节的试验结论综合来说，当游离水以区间更大的形式（例如从0到300×10-6）时，较大的区间范围可有效消除数量计量本身的统计误差，而当区间缩小时，原有的关系就会受重复性影响。因此，微量水分和≥30 μm（c）粒径的测定结果虽有联系，但是在实际测定过程中可能会产生超差的现象。

4    结语

本研究主要通过实验验证了自动颗粒计数器测定结果和水分含量之间存在的关联性，这主要体现在≥30 μm（c）粒径的颗粒计数数量会随着水分含量的增加而增加，在大区间范围下可测得二者之间的线性关系。当水分含量降低时，线性关系会受到重复性影响，容易产生误差。其原因主要是由于统计学上造成的偏差。但是同时在污染度等级上可以发现，合格油样≥30 μm（c）的颗粒污染度等级都处在11级以下，当以ISO 4406：1999中的11级来作为≥30 μm（c）的颗粒污染度等级要求时，可有效控制喷气燃料中的水分含量。

[参考文献]

[1]张健健，胡建强，杨士钊.石油产品水分检测技术研究现状及进展[J].当代化工，2016，45（1）：210-212.

[2]侯建红，曲 涛，张国涛，等.喷气燃料固体颗粒污染物测定方法探讨[J].标准科学，2015（8）：48-50.

[3]JOEL S.Field evaluation of particle counter technology for aviation fuel contamination detection-fort rucker[R].Warren：U.S.Army Tank Automotive Research Development and Engineering Center，2013.

[4]金 涛，杜立鹏，郝新友，等.流体污染与净化计量检测技术[M].北京：化学工业出版社，2017.

[5]卢继霞，夏连海，丁思变，等.污染度检测传感器分类及检测特点分析[J].润滑与密封，2011（7）：99-102.