燃油系統(tǒng)作為飛機(jī)整體中至關(guān)重要的組成部分,要具備貯存滿足飛機(jī)航時(shí)、航程需求量的燃油能力；并按規(guī)定順序在地面及所有飛行姿態(tài)下連續(xù)有效地提供滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用需求的燃油。因此,飛機(jī)燃油系統(tǒng)的清潔度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能和使用壽命,并且直接危害飛機(jī)使用安全。

飛機(jī)燃油系統(tǒng)污染源主要包括水污染和雜質(zhì)污染兩大類,其中由水污染造成的微生物污染發(fā)生概率最高,且危害最為嚴(yán)重。飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物主要通過飛機(jī)油箱通氣增壓或日常維護(hù)過程進(jìn)入的空氣所帶入,主要包括細(xì)菌和真菌 (霉菌和酵母菌等)[1-7]。飛機(jī)燃油在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用過程中混入的水分為這些微生物提供生長繁殖所必需的水源；飛機(jī)燃油、添加劑和非金屬材料為這些微生物提供碳源、氮源及其它微量元素,在溫度和酸堿度適宜的條件下,這些微生物在燃油與水交界面迅速繁殖生長[8-11]；當(dāng)微生物繁殖生長達(dá)到一定程度的時(shí)候,會(huì)帶來飛機(jī)燃油性能下降、腐蝕飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)、堵塞油泵和氣濾、腐蝕油箱內(nèi)非金屬材料等危害,最終影響飛行安全。

微生物主要生活在油和水的界面上,以碳?xì)浠衔餅槭场Ｎ⑸镏饕峭ㄟ^堵塞和腐蝕危害燃油系統(tǒng)。隨著飛機(jī)燃油系統(tǒng)的微生物污染問題日劇嚴(yán)重,國際航空界對此問題的研究也逐漸深入。國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì) (IATA) 于2005年頒布了《飛機(jī)油箱微生物污染指南材料》[12],美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì) (ASTM) 發(fā)布了《燃油和燃油系統(tǒng)微生物污染指南》,并形成了完整成熟的檢測、分級處理流程方法[13]。但目前國內(nèi)對此問題研究尚處于起步階段,本文期待對我國飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物污染檢測與預(yù)防技術(shù)的工程應(yīng)用有所幫助。

1 微生物污染形式

飛機(jī)燃油系統(tǒng)污染微生物生存在燃油與水的交界面中,污染微生物以飛機(jī)燃油、添加劑和油箱內(nèi)橡膠材料為營養(yǎng)物質(zhì),在溫度及水分等條件合適的時(shí)候,微生物就會(huì)迅速繁殖生長。

1.1 航空油箱內(nèi)沉積水引起的微生物污染

水是微生物機(jī)體的重要組成部分,由于微生物沒有特殊攝取食物和排泄的器官,并且微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)和其代謝產(chǎn)物都需要溶于水,再通過其細(xì)胞表面進(jìn)行物質(zhì)交換,因此飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物主要生長繁殖在油水交界面處[14-16]。如圖1所示,細(xì)菌趨向于在燃油跟水的界面處聚集生長。由此可見,水是微生物生長的必要條件,也是飛機(jī)燃油系統(tǒng)污染主要來源。

圖1   微生物生長位置示意圖[16]

飛機(jī)燃油中水分主要來源于三個(gè)途徑[17-21]：(1) 飛機(jī)燃油中本身還有少量游離水和溶解在燃油中的水,當(dāng)溫度降低時(shí),溶解在燃油中的水會(huì)被析出,沉積在油箱底部；(2) 飛機(jī)燃油生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和飛機(jī)日常維護(hù)檢查過程中混入雨水或大氣中的水分等；(3) 飛機(jī)停放晝夜溫度變化大,使用過程中高低空飛行溫度變化更大,造成油箱內(nèi)凝露現(xiàn)象,導(dǎo)致飛機(jī)油箱內(nèi)出現(xiàn)冷凝水。

1.2 航空油箱內(nèi)營養(yǎng)物引起的微生物污染

微生物生長所需要營養(yǎng)物主要包括C、N和其它微量元素,主要來自于燃油本身、燃油添加劑和油箱內(nèi)橡膠等非金屬材料[22]。其中,碳源對微生物來說是必不可少的營養(yǎng)元素,微生物的生長代謝必需依賴碳源才能合成基本的細(xì)胞結(jié)構(gòu)并獲得能量。微生物生長所需的碳源來自于燃油液本身。由于燃油油液含有大量碳?xì)浠衔?如：烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等,微生物主要分解燃油中較短直鏈碳?xì)浠衔飦慝@取碳源,即長度為C10~C18的烷烴最容易被微生物利用[23-26]。

除了碳源以外,氮源也是供給微生物生命活動(dòng)的必要營養(yǎng)元素。微生物生長所需氮源來自于燃油添加劑和油箱內(nèi)非金屬材料。為了提高燃油性能,燃油中會(huì)添加各種添加劑,微生物通過分解一些含硫添加劑來獲取氮源；同時(shí)微生物也能通過分解油箱內(nèi)非金屬材料,如腈橡膠、聚氨酯泡沫等物質(zhì),來獲取所需氮源[8]。

除了碳源和氮源兩類主要的必備營養(yǎng)元素之外,微生物生長所需其它微量元素主要來自于燃油油液本身,如鉀、硫酸鹽和磷酸鹽[10]等能在大容積燃油中通過油隔膜效應(yīng)在水中得到濃縮,從而為微生物提供鉀、硫、磷等微量元素。

1.3 航空油箱內(nèi)溫度及酸堿度變化引起的微生物污染

由于飛機(jī)燃油系統(tǒng)中污染微生物主要包括細(xì)菌和真菌 (霉菌和酵母菌等),都可以在不同溫度下存活,當(dāng)溫度過低時(shí),微生物會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài),一旦溫度適宜便會(huì)重新開始生長繁殖[24]。大部分細(xì)菌適宜生長溫度為2~30 ℃,霉菌適宜生長溫度為27~29 ℃,酵母菌適宜生長溫度為25~28 ℃,而飛機(jī)日常使用及停放環(huán)境溫度基本全覆蓋這三種主要微生物適宜生長溫度,因此飛機(jī)燃油系統(tǒng)中微生物會(huì)在適宜溫度時(shí)迅速生長繁殖,其余溫度下生長減慢或休眠[9]。此外,大部分微生物能夠在一個(gè)相當(dāng)寬泛的酸堿度范圍內(nèi)生長繁殖,如細(xì)菌適宜酸堿度為：pH=6.5~8.0,霉菌適宜酸堿度為：pH=4.0~5.8,酵母菌適宜酸堿度為：pH=3.8~6.0,由此可見微生物對酸堿度要求并不嚴(yán)格,因此飛機(jī)燃油系統(tǒng)酸堿度適宜于大部分微生物生長。

2 微生物污染危害

2.1 降低燃油性能

飛機(jī)燃油系統(tǒng)中的碳?xì)浠衔锖腿加吞砑觿?huì)被微生物蠶食分解,微生物生長代謝產(chǎn)生水,提高了燃油中水分含量；硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)物會(huì)增加燃油中硫元素的含量,使燃油出現(xiàn)銀片腐蝕不合格問題；微生物代謝生長繁殖產(chǎn)物分散于燃油中,增加燃油懸浮顆粒,其中部分代謝產(chǎn)物會(huì)使燃油乳化,微生物細(xì)胞會(huì)進(jìn)入油相生成粘泥。微生物可以通過團(tuán)簇形成生物被膜等方式,來截留燃油油液中水分,導(dǎo)致排水不完全。以上方面都會(huì)導(dǎo)致燃油性能下降,并最終影響飛行安全[27]。

2.2 腐蝕油箱結(jié)構(gòu)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物將油箱結(jié)構(gòu)表面的防護(hù)涂層作為獲取營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源,附著在其表面生長繁殖,造成油箱結(jié)構(gòu)表面防護(hù)涂層被腐蝕；同時(shí),微生物在生長繁殖過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物 (如硫化氫、硫酸、醋酸、乳酸等) 會(huì)使飛機(jī)燃油酸化,使油箱結(jié)構(gòu)表面防護(hù)層被腐蝕,導(dǎo)致油箱結(jié)構(gòu)失去保護(hù)[14,27,28]。

失去防護(hù)層的飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)基體金屬直接暴露在腐蝕環(huán)境中,油箱中水分含有的污染物會(huì)對金屬結(jié)構(gòu)直接造成腐蝕；微生物對金屬腐蝕主要指參加硫、鐵元素循環(huán),主要包括硫氧化菌、硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌[29-32],由于海水中還有豐富的硫酸鹽,當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行海上任務(wù)時(shí),一部分硫酸鹽會(huì)伴隨海面上濕潤空氣進(jìn)入飛機(jī)油箱；另一部分,在飛機(jī)燃油油液本身中也富含很多硫化物。在厭氧環(huán)境中,油液內(nèi)硫酸鹽還原菌會(huì)將油液內(nèi)硫酸鹽還原成硫化物[24],此外,硫酸鹽還原菌還能分解含硫的有機(jī)化合物從而產(chǎn)生H2S導(dǎo)致金屬腐蝕[27]。

受腐蝕油箱結(jié)構(gòu)如圖2所示,油箱受到腐蝕侵害后表面會(huì)呈現(xiàn)出明顯的腐蝕斑痕,并有相應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物富集。飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)一旦受到腐蝕,會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,嚴(yán)重的造成油箱壁板穿孔,導(dǎo)致燃油泄露,甚至引起飛機(jī)失火。

圖2   飛機(jī)油箱腐蝕后的宏觀形貌[25]

2.3 堵塞泵和油濾

飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物主要在油箱底部結(jié)構(gòu)筋條和管路低點(diǎn)存水部位生長繁殖,一旦溫度適宜,微生物會(huì)迅速生長繁殖形成團(tuán)簇結(jié)構(gòu),體積也會(huì)隨之迅速增大,微生物也會(huì)隨之迅速蔓延,由于團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)更具親水性,在霉菌和酵母菌消耗掉水層表面附著的氧氣后,就會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài),此時(shí)更有助于厭氧硫酸鹽細(xì)菌的生長,導(dǎo)致團(tuán)簇進(jìn)一步增大。從圖3中可以看出,細(xì)菌的團(tuán)簇以及其代謝所分泌的粘稠產(chǎn)物會(huì)造成飛機(jī)燃油系統(tǒng)泵的出入口、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油過濾元件、以及燃油過濾元件的外殼/活門等部件堵塞問題[26],直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)供油不足,發(fā)動(dòng)機(jī)難于啟動(dòng)或啟動(dòng)時(shí)間過長,因此極容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)喘振或超溫而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖3   被堵塞的發(fā)動(dòng)機(jī)過濾元件及過濾元件外殼[26]

2.4 降解非金屬材料

飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物形成團(tuán)簇,進(jìn)入迅速生長繁殖階段時(shí),需要大量氮源,其中一部分氮源來自于微生物對油箱內(nèi)非金屬材料如：腈橡膠、聚氨酯泡沫等物質(zhì)分解得到。由于飛機(jī)油箱內(nèi)所填充泡沫為聚氨酯材料,因此微生物的生長繁殖對聚氨酯泡沫產(chǎn)生破壞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致泡沫水解、碎裂成泡沫渣,不僅嚴(yán)重破壞填充材料的過濾功能,更會(huì)堵塞燃油管路。飛機(jī)油箱中聚氨酯泡沫降解后分別如圖4所示。

圖4   飛機(jī)油箱的聚氨酯泡沫掉渣[26]

3 微生物污染檢測方法

檢測飛機(jī)燃油系統(tǒng)污染度常用方法有過濾及培養(yǎng)法、間接檢測法和設(shè)備檢測法等。目前被國際公認(rèn)使用的兩種過濾及培養(yǎng)方法為：好氧微生物成分和沸點(diǎn)低于390 ℃的油料組成測定 (IP385) 和液體油料中細(xì)菌及真菌標(biāo)準(zhǔn)操作 (D6974)[13]。但由于過濾及培養(yǎng)方法需要嚴(yán)格無菌操作環(huán)境、熟練操作技能和繁瑣操作流程,一般難于在飛機(jī)維護(hù)部門完成。

由于污染微生物會(huì)對飛機(jī)燃油油液很多特性產(chǎn)生影響,間接檢測法主要利用此特點(diǎn),通過對燃油油液外觀、過濾性、固體顆粒含量、表面張力、銅片腐蝕性、化學(xué)組成和Cl-濃度等指標(biāo)變化,間接判斷飛機(jī)燃油系統(tǒng)是否發(fā)生微生物污染。由于其指標(biāo)無法量化所帶來檢測結(jié)果的不確定性,因此未在飛機(jī)維護(hù)部門得到廣泛應(yīng)用[30]。

基于以上原因,國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì) (IATA) 推薦了幾種便于操作、結(jié)果可量化的微生物污染設(shè)備檢測法[12],主要包括：Microbe Monitor2、Easicult combi、FUELSTAT resinae和HY-LITE jet A1。4種設(shè)備檢測方法橫向?qū)Ρ热绫?所示。

表1   燃油微生物污染檢測方法對比

其中,Microbe Monitor2檢測法[31]可以對燃油和水中真菌、霉菌和酵母菌進(jìn)行定量測試。具體檢測過程為：用注射器將燃油或水樣本注入到營養(yǎng)凝膠體中,晃動(dòng)凝膠試劑瓶,使凝膠溶解、樣本充分分散于凝膠中,之后放于薄層中,讓微生物在營養(yǎng)凝膠中生長1~4 d,待產(chǎn)生肉眼可見紫色菌落,便可對樣本進(jìn)行定量分析。

Easicult combi檢測法可以對水中真菌、霉菌和酵母菌進(jìn)行半定量測試。具體檢測過程為：將涂勻一層微生物生長媒介的載片放入水樣本中,之后取出放入消毒的試管和細(xì)菌培養(yǎng)器中1~4 d,待載片上生長出肉眼可見的微生物菌落,與標(biāo)準(zhǔn)參照圖進(jìn)行對比半定量分析。

FUELSTAT resinae檢測法可以對燃油和水中大量污染物進(jìn)行定量分析。具體檢測過程為：將燃油和水樣本加入藍(lán)提取液,充分混合后,將數(shù)滴混合溶液放到漿板的樣品井中,10 min后在測試漿板注視窗可以看到污染度檢測結(jié)果[31,32]。

HY-LITE jet A1可以檢測燃油和水中ATP總量。將1 mL藍(lán)色capture溶液滴入燃油和水樣本中,搖晃使其混合均勻,靜置5 min后,利用吸管吸取沉降在底部含有微生物的溶液,用HY-LITE筆進(jìn)行化驗(yàn),ATP含量通過HY-LITE光學(xué)儀檢測后,結(jié)果可以通過RLU (相對光學(xué)單位) 定量表示,由于單次檢測時(shí)間少于10 min,因此被廣泛應(yīng)用[32]。

4 微生物污染預(yù)防

目前,國內(nèi)軍機(jī)系統(tǒng)尚無完整關(guān)于微生物檢測及預(yù)防規(guī)范,民航所普遍采用的是根據(jù)美國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)ATA100規(guī)范編制的飛機(jī)維護(hù)手冊 (AMM)。為預(yù)防飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物污染,應(yīng)在飛機(jī)生產(chǎn)及使用過程中采取如下措施：

(1) 從飛機(jī)油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手,使得油箱內(nèi)水可以通過排水孔匯集到油箱低點(diǎn),最終可以由沉淀活門放出機(jī)外,減少油箱內(nèi)水含量[33]。

(2) 制定針對性飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物檢測流程。空中客機(jī)公司結(jié)合飛機(jī)維護(hù)手冊 (AMM) 制定了微生物檢測及維護(hù)流程,具體流程如圖5所示。

圖5   空客飛機(jī)微生物檢測流程

(3) 按照燃油系統(tǒng)維護(hù)規(guī)程進(jìn)行油箱油液循環(huán)。油液循環(huán)能夠降低油箱內(nèi)沉積水含量,并降低微生物附著于油箱結(jié)構(gòu)的可能性。

(4) 使用相應(yīng)燃油殺菌劑[34]。殺菌劑選用要求為：能夠充分溶解于燃油和水中；對飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能無影響；對燃油性質(zhì)無影響；毒性可接受；具有廣泛抗菌譜。根據(jù)以上原則選取適當(dāng)殺菌劑對飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物進(jìn)行預(yù)防。

5 結(jié)論與展望

(1) 由于微生物生長繁殖所必須條件有：水、營養(yǎng)物、適宜溫度及酸堿度等,而飛機(jī)燃油、添加劑及非金屬材料可以為微生物提供營養(yǎng)物,且微生物對酸堿度要求并不敏感,因此飛機(jī)燃油系統(tǒng)污染微生物主要原因是由于燃油生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及飛機(jī)日常使用維護(hù)中混入水分,最終在適宜的溫度條件下導(dǎo)致燃油系統(tǒng)微生物污染。

(2) 飛機(jī)燃油系統(tǒng)微生物污染將帶來燃油性能降低、油箱結(jié)構(gòu)腐蝕、泵及燃油濾堵塞和油箱內(nèi)非金屬材料腐蝕等危害。

(3) 目前,我國民航對于微生物污染預(yù)防方法主要來源于美國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)ATA100規(guī)范,軍機(jī)則缺少相關(guān)檢測與預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因此,提出適用于軍機(jī),且更為高效的微生物污染檢測與預(yù)防方法是當(dāng)務(wù)之急。

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