CN101892488A

CN101892488A - 一种抑制航空燃料rp-3热氧化结焦与沉积的方法

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Publication number: CN101892488A
Application number: CN2009102383854A
Authority: CN
Inventors: 陶智; 邓宏武; 徐国强; 郭隽; 琚印超; 金迪
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-11-24

Abstract

本发明涉及一种抑制和减缓航空燃料RP-3在航空发动机空油换热器管内及金属壁面的热氧化结焦形成与沉积的方法，此方法通过对金属表面进行预处理，使金属表面钝化，减少其表面对结焦的催化活性，从而降低了整个换热器的结焦，提高了换热器整体使用寿命，提高了可靠性，降低了维护成本。所采用的预处理是包括对金属表面的酸洗钝化与电解抛光。

Description

一种抑制航空燃料RP-3热氧化结焦与沉积的方法

技术领域

本发明涉及一种抑制航空燃料RP-3热氧化结焦与沉积的方法，具体涉及一种用于航空发动机空/油换热器中抑制航空燃料RP-3热氧化结焦与沉积的方法。

背景技术

随着发动机的发展，发动机的热负荷将会越来越重，为保证飞行的可靠性和相应的隐身性能，需要采取有效的措施对热端部件进行冷却。发动机热端部件的冷却问题在很大程度上成为了航空发动机的发展瓶颈。传热学的角度看，在冷气用量和内部冷却结构都无法大幅度变化的前提下，最有效的方法就是考虑如何降低冷却空气本身的温度，提高冷气本身品质。用航空煤油对冷却空气进行冷却，以提高其冷却品质是一种具有广阔应用前景的方案。在航空煤油在进入燃烧室燃烧之前，先经换热器吸收用于冷却涡轮高温部件的冷却空气的热量，这样既可以解决航空发动机日益突出的冷却问题，又有利于燃料的雾化和燃烧，对发动机冷却系统和燃油系统的设计都具有重要价值。当航空煤油的温度达到约150℃将会产生氧化结焦，燃料与其中的溶解氧开始反应，通过自由基链式反应机理，形成氢过氧化物。随着反应的加深，这些复杂的产物增加了燃料的粘度，进而经过聚合、缩合、凝结，形成胶状固体沉积物，造成燃料控制阀的粘滞，并且污染燃料喷嘴和换热器，严重时会导致整个飞行系统失效。如果不能有效抑制热氧化结焦，将极大的限制航空发动机换热器的工程应用。

发明内容

本发明提供一种抑制和减缓航空燃料RP-3在航空发动机空油换热器管内及金属壁面的热氧化结焦形成与沉积的方法，此方法通过对金属表面进行预处理，使金属表面钝化，减少其表面对结焦的催化活性，从而降低了整个换热器的结焦，提高了换热器整体使用寿命，提高了可靠性，降低了维护成本。

本申请的技术方案如下，一种抑制与减缓航空燃料RP-3在航空发动机空油换热器管内及金属壁面的热氧化结焦形成与沉积的方法，其特征在于通过对金属表面进行预处理实现，所采用的预处理方法包括对金属表面的酸洗、钝化与电解抛光，所述的酸洗、钝化包括：酸洗前验收-除油-水洗-酸洗-水洗-除挂灰-水洗-钝化-水洗-中和-水洗-干燥-除氢，除油采用化学除油：氢氧化钠60～80g/L，磷酸钠20～40g/L，碳酸钠20～40g/L，硅酸钠3～10g/L。总碱度65～100g/L，温度70～90℃，时间以油除净为止。

本发明进一步的改进为除油采用电化学除油：氢氧化钠30～50g/L，磷酸钠20～30g/L，碳酸钠20～30g/L，水玻璃3～5g/L。总碱度40～60g/L，温度60～80℃，电流密度3～10A/dm²，时间：阴极3～5min，阳极1～5min，电极材料用钢板尤其是镀镍钢板。

本发明进一步的改进为除油干净的标准为：除油后水洗，水膜连续30s不裂开。

本发明进一步的改进为预处理过程中的酸洗采用硝酸140～150g/L，磷酸110～120g/L，水余量，室温下5～10min。

本发明进一步的改进为酸洗后采用气/水枪冲洗挂灰，即用压力为2～5kg/cm²的压缩空气和自来水混合的高速水流冲洗工件。

本发明进一步的改进为预处理过程中的钝化采用硝酸体积浓度在40％以上的钝化液，温度以室温为宜，时间30min。

本发明进一步的改进为预处理过程中的电解抛光包括：电解抛光工艺流程：电解抛光→清洗→漂洗(去离子水)→风干→再钝化。

本发明进一步的改进为预处理过程中的电解抛光采用磷酸40～50g/L，硫酸35～40g/L，铬酸3～4g/L，水17～20g/L，温度40～60℃，时间12 min，电压5～15V，电流密度75～82A/dm²。

本发明进一步的改进为所述的航空燃料RP-3是航空煤油，预处理的金属表面是不锈钢表面。

采用本发明技术方案可以得到有益的效果。

首先，不锈钢304实验件在第一步进行的酸洗钝化过程中与酸洗液在界面上发生化学反应，生成一层紧密地附着在表面上的按一定含量比例分布的磷酸盐、硫酸盐和硝酸盐膜，接着，不锈钢304实验件在电解抛光过程中实验件在特定条件下的阳极浸蚀，改善其表面显微几何形状，进一步降低了金属表面的显微粗糙程度，使工件变得更加光亮。不锈钢304经过电解抛光工艺处理后，表面层钝化膜的形成可显著提高其防腐蚀性能。这可以从XRD图谱中看出，与没有进行电解钝化处理的不锈钢304实验件相比，电解钝化处理过后的不锈钢304实验件，在第一位置和第二位置峰值有明显的下降，第三位置的峰值有明显的上升。说明第三位置的C结构结晶因为表面电解钝化处理而情况大幅改善，C结构结晶的改善导致结焦量大幅下降，所以C结构对于氧化结焦有很好的抑制作用；第二位置的B结构结晶因为表面电解钝化处理而情况变得恶劣，B结构结晶的恶劣导致结焦量大幅下降，所以B结构对于氧化结焦有一定的催化作用(这与4.1表面磷化得出结论一致)。正是因为这层按一定含量比例分布的磷酸盐、硫酸盐和硝酸盐膜对于航空煤油RP-3与不锈钢304实验件的接触起到了一定的隔离作用，而且相比较表面酸洗钝化处理作用更加明显，在表面酸洗钝化的钝化膜更加致密的同时再加上电解抛光，使得钝化膜的表面粗糙度又有所提高，更加降低了对于RP-3氧化结焦具有很强催化作用的Fe离子与航空煤油RP-3接触的机会，使得不锈钢304的金属表面对RP-3航空煤油氧化结焦的催化作用受到了一定抑制。

附图说明

图1是实验后304不锈钢未做处理XRD图谱分析

图2是实验后304不锈钢电解钝化处理XRD图谱分析

图3是静态测焦装置结构示意图

图4是静态测焦实验件--测量结焦不锈钢304挂片

图5是流动测焦实验台示意图

图3中1-氮气瓶，2-氮气减压器，3-进气阀，4-釜体，5-加热炉，6-挂件，7-挡板，8-防爆阀，9-压力传感器，10-温度传感器，11-控制箱，12-限压阀，13-排气阀。

图5中1-油箱，2-阀门，3-高压柱塞泵，4-阀门，5-过滤器6-流量计，7-阻燃阀，8-阀门，9-预热器，10-收集腔，11-实验段，12-氮气，13-阀门，14-阀门，15-PC数据采集，16-采样冷却器，17-电磁阀，18-背压阀，19-取样瓶，20-冷却塔，21-水箱，22-阀门，23-冷却水，24-阀门，25-电磁阀，26-油气分离器，27-储油箱。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：对金属表面采用酸洗、钝化与电解抛光的预处理。

所采用的预处理方法包括对金属表面的酸洗、钝化与电解抛光。除油采用化学除油：氢氧化钠60～80g/L，磷酸钠20～40g/L，碳酸钠20～40g/L，硅酸钠3～10g/L。总碱度65～100g/L，温度70～90℃，时间以油除净为止。或者采用电化学除油：氢氧化钠30～50g/L，磷酸钠20～30g/L，碳酸钠20～30g/L，水玻璃3～5g/L。总碱度40～60g/L，温度60～80℃，电流密度3～10A/dm²，时间：阴极3～5min，阳极1～5min，电极材料用钢板或镀镍钢板。除油干净的标准为：除油后水洗，水膜连续30s不裂开。酸洗采用硝酸20％(φ)，氢氟酸8％～10％(φ)，水余量，室温下3～10min；或者硝酸140～150g/L，磷酸110～120g/L，水余量，室温下5～10min。采用气/水枪冲洗挂灰。即用压力为2～5kg/cm2的压缩空气和自来水混合的高速水流冲洗工件。钝化采用硝酸体积浓度在40％以上的钝化液，温度以室温为宜，30min。电解抛光采用磷酸40～50g/L，硫酸35～40g/L，铬酸3～4g/L，水17～20g/L，温度40～60℃，时间12 min，电压5～15V，电流密度75～82A/dm²。

对于烃类燃料的氧化结焦的机理，目前主要的观点是结焦速率受油温与溶解氧浓度决定，金属壁面主要是催化作用，通过电解钝化良好的电化学整平及光亮作用，金属表面粗糙度值可达Ra0.05

，反射率可达90％以上。可以有效的防止设备表面挂料、粘壁等现象。通过电解钝化处理，降低金属表面的显微粗糙程度，降低了其催化活性，有效降低初期的结焦反应速率。但是随着壁面被结焦所覆盖，金属壁面的催化作用变得不显著。

虽然本发明描述的应用对象主要是航空发动机空油换热器，但是本发明可以扩展到其他的工艺中，只要涉及烃类燃料氧化结焦问题均包括在本发明范围内。

下面通过实例来具体说明本发明

反应釜是实验台的主体部分(图7)，为煤油结焦提供高温高压的环境。实验时将测焦挂片放置在釜体下部，煤油受热在挂片上结焦，通过测量挂片上的结焦量反映煤油的结焦情况。反应釜有效容积2.0L，设计压力7.0MPa，设计温度600℃，主要材质304不锈钢(0Cr18Ni9)。静态测焦实验测量的参数包括釜体内煤油温度、压力以及挂片上的结焦量。实验过程中将重点关注三个数据值：实验前质量，实验后质量及清洗后质量。其中实验后质量与实验前质量之差称为实验增重，实验后质量与清洗后质量之差即为结焦量。

标准工况下(600ml，航空煤油RP-3，加热电压保持180V，加热温度400℃，保持实验装置中充满氮气，压力5MPa，加热时长1h)普通未经过表面处理的不锈钢304实验件的结焦量为16.7mg，而经过表面电解钝化处理后同样工况下实验件的结焦量为3.9mg。数据说明：通过对不锈钢304进行表面电解钝化处理，对于航空煤油RP-3的氧化结焦抑制了12.8mg，即抑制了77％的结焦。

电解钝化实验件在航空煤油RP-3中的长时间实验，重点探究电解钝化的耐久性。由于静态法测焦的油在实验过程中是定量的，为了消除长时间工况下由于燃料与溶解氧的反应殆尽导致对实验的影响，在1h实验后不取出钝化实验件清洗称量，而只直接更换釜体中的航空煤油后继续实验，考察了加热时长分别为2h，3h，4h工况下的结焦情况，与表面未处理的结焦量进行比对。其实验结果见表1。

表1静态测焦实验台挂片电解钝化后的比对结果

编号	1	2	3	4	5
						挂片处理方法	不处理	电解钝化	电解钝化	电解钝化	电解钝化
加热时间	1h	1h	2h	3h	4h
						结焦量(mg)	16.7	3.9	11.1	9.1	6.5
结焦速率(mg/h)	16.7	3.9	5.5	3.0	1.6

通过结焦量数据来看，电解钝化膜的防腐蚀性和耐久性都很好；观察实验完清洗后的实验件表面仍然十分光泽，即使是实验4h的实验件，表面的结焦很容易用脱脂棉擦除，相比于未处理表面的致密结焦显得十分疏松。2h实验的结焦量比1h实验的结焦量有较大的增加，主要是实验件表面附着了一定量的结焦，在更换了新油之后对于结焦过程起到一定的催化作用。

同时由于考虑到静态法测焦中，不能及时提供对结焦有显著影响的溶解氧饱和的航空煤油，故在此基础上，采用流动测焦实验台考察金属电解钝化的效果。

实验段进口油温127℃，出口油温427℃。实验系统压力5MPa，质量流速2g/s，实验加热时间1h的流动短时间工况与5h的流动长时间工况。不锈钢实验段为长度2m，内径1.8mm，外径2.2mm，材料1Cr18Ni9Ti。其实验结果见表2。

表2流动结焦实验台测得实验段内表面电解钝化后的比对结果

编号	1	2	3	4
					实验段处理方法	不处理	电解钝化	不处理	电解钝化
加热时间	1h	1h	5h	5h
					结焦量(mg)	10.7	4.1	34.2	26.8
结焦速率(mg/h)	10.7	4.1	6.84	5.36

从上述实例可以看出，使用预处理处理实验段的结焦速率比不预处理的结焦速率明显降低，尤其是流动短时间工况和静态工况。随着时间的增加，流动状态下的结焦速率降低开始变的不明显。但是静态装置中的结焦速率随着时间的增加而降低，并且即使是长时间的工况下，其表面的结焦仍呈现疏松态，表面也具备良好的光泽度，受腐蚀的程度明显降低。

Claims

1.一种抑制与减缓航空燃料RP-3在航空发动机空油换热器管内及金属壁面的热氧化结焦形成与沉积的方法，其特征在于通过对金属表面进行预处理实现，所采用的预处理方法包括对金属表面的酸洗、钝化与电解抛光，所述的酸洗、钝化包括：酸洗前验收-除油-水洗-酸洗-水洗-除挂灰-水洗-钝化-水洗-中和-水洗-干燥-除氢，除油采用化学除油：氢氧化钠60～80g/L，磷酸钠20～40g/L，碳酸钠20～40g/L，硅酸钠3～10g/L，总碱度65～100g/L，温度70～90℃，时间以油除净为止。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于预处理过程中的除油采用电化学除油：氢氧化钠30～50g/L，磷酸钠20～30g/L，碳酸钠20～30g/L，水玻璃3～5g/L。总碱度40～60g/L，温度60～80℃，电流密度3～10A/dm²，时间：阴极3～5min，阳极1～5min，电极材料用钢板尤其是镀镍钢板。

3.如权利要求1或2任一项所述的方法，其除油干净的标准为：除油后水洗，水膜连续30s不裂开。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于预处理过程中的酸洗采用硝酸20％(φ)，氢氟酸8％～10％(φ)，水余量，室温下3～10min。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于预处理过程中的酸洗采用硝酸140～150g/L，磷酸110～120g/L，水余量，室温下5～10min。

6.如权利要求4或5任一项所述的方法，其特征在于酸洗后采用气/水枪冲洗挂灰，即用压力为2～5kg/cm²的压缩空气和自来水混合的高速水流冲洗工件。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于预处理过程中的钝化采用硝酸体积浓度在40％以上的钝化液，温度以室温为宜，时间30min。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于预处理过程中的电解抛光包括：电解抛光工艺流程：电解抛光→清洗→漂洗(去离子水)→风干→再钝化。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于预处理过程中的电解抛光采用磷酸40～50g/L，硫酸35～40g/L，铬酸3～4g/L，水17～20g/L，温度40～60℃，时间12min，电压5～15V，电流密度75～82A/dm²。

10.如权利要求1～11任一项所述的方法，其特征是所述的航空燃料RP-3是航空煤油，预处理的金属表面是不锈钢表面。