喷气燃料润滑性要求及评价方法

李进，马国梁，娄国生，梁妙楠

(1.北京航空工程技术研究中心，北京 100076；2.中国石油润滑油公司，北京 100028；3.91286部队，山东 青岛 266000)

0 引言

喷气燃料的润滑性也称为抗磨性，抗磨性的好坏对发动机燃油供应的灵敏调节、油泵使用寿命乃至飞行安全均极为重要[1]。飞机发动机燃料供给系统部件和燃料控制单元的运动部件依靠喷气燃料自身来润滑，其中对燃料润滑性最敏感的是柱塞泵，柱塞与斜盘运转于高负荷和高温条件，燃料系统设计和材料差别将会导致设备对燃料润滑性灵敏度各有区别，实际使用中因喷气燃料润滑性而导致的问题其轻重程度不同。喷气燃料润滑性差会造成油泵分油活门磨损和深度划伤，引起燃料输油压力间歇上升，可能造成离心式油泵调节器的针阀球面和球座磨损，轻者发动机转速降低，稍微严重则机型故障，最严重的是发动机空中停车[2]。

1 喷气燃料润滑性问题由来

上世纪60年代前，喷气燃料的润滑性能普遍较差，各国喷气燃料质量规范对润滑性指标并未做出定义。直到20世纪60年代中期，美国许多军用和民用飞机相继出现因使用润滑性差的航空涡轮发动机燃料而导致燃油泵和调节器磨损的事例，如波音系列飞机的TRW齿轮泵和快帆号飞机的卢卡斯柱塞泵曾因使用加氢精制燃料而发生了严重磨损。70年代中期，美国飞机在地中海飞行时也出现了多例使用加氢精制燃料出现了燃料调节器转速悬挂和加力燃烧室油泵磨损故障[3]。据统计，当燃油机件故障的数目超过允许的标准(美军规定每1000 h飞行0.6个)，某型号发动机油泵的维修寿命从4500 h直接下降到50 h[4]。英国也发现在不使用添加1%润滑油的AVTAG宽馏分型燃料时，便频繁地出现油泵调节器零件损坏的现象，最早是在台架试验中，然后是飞行使用中陆续出现自动供油系统工作的故障，检查发现这是由于油泵内轴承损坏、柱塞下槽座过于磨损、止推轴承和柱塞紧涩及龟裂所致[5]。

前苏联相关机构研究发现当使用抗磨损性能低的JP-4燃料和Т-2燃料时，РД-3М发动机的ПН-28油泵调节器的磨动偶件根据其机构和使用条件的不同仅在其保险寿命耗用1/2或1/3后便出现了柱塞严重磨损[6-7]。国内早期也发现了飞机使用1号喷气燃料时因润滑性较差出现供油故障，尤其是在1990年以后使用新工艺生产的喷气燃料发现燃油泵磨损的现象更为严重[8]。实际上，早期的深度碱精制工艺将天然环烷酸抗磨组分脱得过多，就是产生喷气燃料抗磨性差的根本原因。

2 喷气燃料润滑性要求

目前在世界航空领域，以美英和北大西洋公约组织为代表的欧美等国普遍具有不同的航空涡轮发动机燃料产品标准和质量规范，国内外民用喷气燃料主要采用GB 6537、DEF STAN91-91、ASTM D1655、AFQRJOS、ГОСТ 10227等五个标准进行质量控制。民用航空领域方面，国际上普遍应用符合英国国防部标准DEF STAN91-91系列和美国材料与试验协会标准ASTM D1655为代表的JetA-1标准，如目前各大航空公司和加油服务公司所普遍采取的民用航空燃料JetA-1标准，由BP、壳牌、埃克森美孚、科威特石油公司等8家公司经协调后制定的联合检查组涡轮燃料品质要求规范，它是基于DEF STAN91-91和ASTM D1655两个规格标准为蓝本制定的。国际商业航空协会经过多年研究，逐步将煤气化费-托合成喷气燃料、煤液化喷气燃料(CTL)、气体合成喷气燃料(GTL)和生物质喷气燃料(BTL)列入标准中。目前英国国防部标准DEF STAN91-91、ASTM D1655、ASTM D7566及联合加油等国际标准，均允许安全使用由50%费-托合成工艺生产的合成燃料与50%的Jet A或Jet A-1组成的混合燃料[9]。国际商业航空替代喷气燃料计划已于2013年成功实现了100%加氢可再生生物喷气燃料，进入喷气燃料产品标准并投入商业运作，同时对调合生物喷气燃料关于润滑性的要求作出了明确限定，全球航空业的航空涡轮燃料生产商、经销商、机场加油站和航空公司均将使用该标准。

事实上现代飞机某些燃料系统部件已经按照即将使用润滑性较差的燃料来设计并制造，在国际航空界的参与下[10]，SAE AE-5B小组对飞机发动机燃料泵的低润滑性容忍试验的方法ARP 1797进行了修订，目前采用规定方法ASTM D5001对航空燃料基础馏分进行测量时磨斑直径应该在0.85～0.96 mm，为了改善燃料润滑性，通常炼油厂商会建议在航空涡轮燃料中加入适量的腐蚀抑制/润滑改进剂。

一般来说，国际上民航规定采用ASTM D5001方法测试的磨斑直径WSD值不大于0.85 mm，而军用喷气燃料要求WSD值不大于0.65 mm，欧盟多数成员国均参照执行此标准。此外，ASTM D1655标准中对合成石蜡基煤油(SPK)调合燃料的规格作出了明确规定：由费-托(F-T)工艺合成的100%的石蜡基煤油规格和包含FT-SPK任意调合比例(体积不超过50%)成品燃料的规格、由100%源自加氢处理的动物脂肪植物油脂或藻类油的甘油三酯的成品HEFA-SPK和包含HEFA-SPK任意调合数量(体积不超过50%)成品调合燃料的规格均属于强制性执行规格，并且调合燃料的润滑性仍执行相应航空燃料规格，即调合燃料润滑性要求磨斑直径WSD小于0.65 mm。

我国GB 6537-2018《3号喷气燃料》关于润滑性的定义与GB 6537-2006版中的定义一致，规定采用BOC-100型球柱试验机来评价喷气燃料的润滑性，与之等效的方法是SH/T 0687《航空涡轮燃料润滑性测定法(球柱润滑性评定仪法)》，军用3号喷气燃料磨斑直径WSD值不大于0.65 mm，民用3号喷气燃料WSD值不大于0.85 mm。表1给出了国内外喷气燃料质量规范对润滑性能的要求[11]。

表1 国内外喷气燃料标准规范对润滑性要求

3 喷气燃料润滑性评价方法

上世纪60年代中期，国外很多机构都寻找过测量喷气燃料摩擦性能及测定不同条件下润滑添加剂有效性的方法，研制出了在动压润滑区评价润滑油性能的试验台，而燃油注射泵及其偶件大多数处于边界润滑状态，这些试验台并不适用。西方国家尝试采用Ryder齿轮摩擦试验机来评价燃料的抗磨性，试验结果按照轮齿1 cm宽度上的最大单位负荷来表示抗磨性的好坏，但研究发现该法只适用于评定含添加剂的燃料而受到限制。于是人们开始选用其他试验方法，其中四球机和法拉克斯(Falex)试验机两种方法能够区分精制燃料和非精制燃料的抗磨损性能，但Falex试验在室温和小负荷条件下的试验结果并不准确，四球机在小负荷时灵敏度差且在高温下取得的结果重复性较差。后来英国根据高压柱塞燃油泵出现的润滑性问题设计了由镀银的青铜针和铜柱组成的针盘试验机，模拟了油泵的工作状态，这是一种采用测量针磨损程度来研究燃料润滑性的设备，仅限于检查冶金组合件有效[12]。

美国一家民品公司按照美国研究协调委员会(CRC)的要求制造出了第一批试验仪(一个燃料分配器中有代表性的活门)，该试验仪通过测量活门中芯轴的摩擦力，成功模拟了第一起美军航空涡轮发动机因燃料润滑性较差而引发燃油泵磨损的难题[13]。1965年，美国富里公司研制了Furey球柱机(FBOC)，用于研究滑动润滑表面间的金属接触和摩擦，可测量3个试验数据结果，即球与柱接触的动摩擦力，球上的磨斑直径和球与柱接触面积的百分数。当腐蚀抑制剂浓度很低时，FBOC的灵敏度高于比针盘试验机。1966年，FBOC首次早期广泛用于喷气燃料润滑性的评价，但测量精度较差。1984年美国一家公司对FBOC进行重新设计和完善工作，对各种参比液进行研究以选择标准校准液，选择标准包括通过柱体工作表面的重复性，柱体与柱体的再现性，好柱体与差柱体间的差别，储存安定性，成本以及可获得性等，同时还对试球的来源及制造方法、柱体表面的光洁度和Falex环进行了研究，以改善试验仪的重复性和再现性[14]。

CRC也尝试着对球柱润滑试验仪(BOCLE)和试验方法进行标准化，建立了被腐蚀抑制/润滑改善剂产品规格MIL-I-25017E采用的BOCLE试验方法，后来该法被美国试验与材料协会(ASTM)批准为标准试验方法，编号为ASTM D5001，方法名称为“用球柱机测量航空涡轮燃料润滑性的标准试验方法(BOCLE)”，同时对MIL-I-25017进行了修订，提出了在BOCLE法中建立添加剂的最低有效浓度：以BOCLE法评价润滑剂磨斑直径WSD值为0.65 mm时的剂量或选取1～1.5倍相对有效浓度剂量中的较大值[15]。

国际航运协会标准采用ASTM D5001《球柱润滑性评定仪测定航空涡轮燃料润滑性的标准试验方法(Ball on Cylinder Lubricity Evaluator，简称BOCLE法)》(简称球柱法)评定燃料的润滑性。该方法是将不能转动的钢球固定在垂直安装的卡盘中并浸入待测油样，钢环柱体以一定的转速旋转，与钢球之间产生摩擦，测量磨斑直径WSD值来表示喷气燃料的润滑性。ABS-SL型球柱润滑性评定仪试验钢球为ANSI标准钢号E-52100铬合金钢(洛氏硬度HRC为64～66)，试验环为SAE 8720钢(HRC为58～62)。试验方法选用ASTM D5001-1990(1995)《球柱润滑性评定仪测定航空涡轮燃料润滑性的标准试验方法(BOCLE)法》，摩擦上试件为钢球，下试件为圆环，在1000 g压力载荷下，钢球固定，圆环以(240±1)r/min速度转动，圆环下部位完全浸没于(25±1) ℃的(50±1.0) mL试验油样中，试验前对油样预处理15 min(0.5 L/min和3.3 L/min的流速空气分别从油样的底部和上表面通入)，相对湿度为(10±0.2)%的空气以流速3.8 L/min流过油样上表面，试验时间为(30±0.1) min，试验结束后在显微镜下测量钢球的磨斑直径，即WSD值(单位为mm)。见图1。

图1 BOCLE评定仪的摩擦方式示意

前苏联在过去几十年间也先后开发了十几种试验装置来进行喷气燃料润滑性能的评定工作，经过多方面对比和筛选，将yIIC-01试验仪、СИСС-Τ-1试验机、ПСΤ-2试验仪和НР-21Ф2柱塞泵试验台作为喷气燃料综合鉴定法中评定润滑性能的方法(表2)，四个模拟试验方法并存，不能互相替代，也说明都没达到国家标准的水平。俄罗斯学者[16]认为航空油泵的摩擦形式既有滚动摩擦也有滑动摩擦，而现有的模拟试验设备上评定抗磨损性能的实验室方法存在很大的局限性，应该采用大量的燃料进行长期的实物油泵试验，将黏度、酸度、磨损准数、磨损和临界负荷、磨损值、部件磨损来综合表征喷气燃料的抗磨损性能。

表2 俄罗斯喷气燃料抗磨损性能测试方法

yIIC-01试验方法已列入了俄罗斯喷气燃料综合鉴定法，对应的试验方法为ΓΜΚ No23/1-222，结果采用综合指数K来确定，说明试验燃料相对于标准液(正十五烷)的抗磨性。该试验机摩擦副是一个由电动机带动旋转的摩擦平盘和三个在特制分离器中固定不转动的钢球(ШХ15钢，直径为25.4 mm，HRC硬度为62～66)组成，将摩擦副置于密封的燃料室里，利用电传动机构通过弹簧测力计向摩擦副施加负荷，燃料室里的剩余压力利用活塞泵产生和调节，同时燃料可进行加热，试验结束后分解摩擦部位，并用显微镜测量钢球两个相互垂直方向上的磨损斑痕直径，精确至0.01 mm。取2次测量的平均值作为钢球的磨损量，取三球磨损量的算术平均值作为试验的结果。

其实我国以往生产的喷气燃料鉴于当时对于抗磨性评价方法欠缺，并无此项要求。早期，国内先后使用过曾田四球机、吉山四球机、斯柯达试验机、梯姆肯试验机、MM-200型试验机和MHK-500型环块试验机进行了大量评定喷气燃料润滑性能的研究工作，经过反复对比试验，发现MHK-500型环块试验机对不同喷气燃料的润滑性具有良好的区分性，重复性和再现性较好。国产航空油料鉴定委员会批准采用MHK-500型环块试验机的评定方法列为专业标准方法HYD-027-86。后来该法于1991年发展成石化行业方法SH/T 0073-1991《喷气燃料抗磨指数测定法(环块法)》，测试结果用抗磨指数Km表征，抗磨指数愈大表示润滑性愈好，公式如下：

其中b标表示标准油二甲苯所产生的两次试块磨痕宽算术平均值，单位为mm；b试是待测油样所产生的两次试块磨痕宽算术平均值，单位为mm。

SH/T 0073方法以二甲苯为参比液，毒性较大，易受试验条件和环境等因素影响，数据的重复性和再现性有时还不能满足实际工作的需要；而球柱润滑评定法测试结果重复性和再现性好、受环境和试验条件的影响较小。两种方法之间尚未找到定量的关联关系，但磨斑直径WSD值小于0.65 mm的喷气燃料，其抗磨指数Km值基本上均大于90。表3给出了采用SH/T 0073、SH/T 0687和ASTM D5001方法评价国内几家炼油厂喷气燃料抗磨试验数据[11]。

表3 国内几家炼油厂喷气燃料采用不同抗磨性试验方法的典型值

表3(续)

4 提高喷气燃料润滑性措施

为解决喷气燃料润滑性能较差引发的一系列问题，国内外通常采用以下措施：

(1)将润滑性好的喷气燃料与润滑性较差的喷气燃料进行搀兑。如美国一般不出售100%的加氢燃料，通常在润滑性差的燃料中加入10%～20%润滑性好的燃料会得到润滑性合格的燃料；在欧洲，50%以上的喷气燃料都是采用加氢炼制工艺，加氢和不加氢的燃料都加入飞机使得润滑性能问题不常出现，常减压工艺生产的直馏馏分喷气燃料润滑性很好。

(2)加入抗磨剂是提高喷气燃料润滑性能最有效的方法。目前，欧美等主要使用符合QPL-25017D版规范中规定的腐蚀抑制/润滑改进剂，而国内早期采用T1601和T1602两种抗磨剂，后来T1601因易引起水分离指数下降和西方环保要求等而受到限制；前苏联主要使用П和ПТ抗磨剂，俄罗斯目前主要使用K型抗磨剂。考虑到二聚酸型抗磨剂兼具抗磨和防止锈蚀效果，而且国际上通用性较强，所以喷气燃料抗磨剂的发展趋势仍然将以二聚酸型为主。

(3)改进油泵和燃料系统有关部件的材质。提高燃油系统相关部件材质本身的耐磨性，以达到这些组件完全不受燃料润滑性好坏的影响，例如在喷嘴和油泵等表面镀上一层耐磨的材料，这也是目前最有效、治本的方法。