Результат интеллектуальной деятельности: Способ качественного определения мицеллярной воды в реактивных топливах

Изобретение относится к области исследований, в частности, реактивных топлив, накапливающих воду в виде мицеллярных структур (солюбилизированная вода), и может быть использовано на складах хранения реактивных топлив, при аэродромном контроле и в научно-исследовательских организациях.

Как показала практика, вода в топливе может находится в растворенном (гигроскопическая) и в свободном (эмульсионная и отстойная вода) состояниях. Кроме свободной воды в топливе присутствует микроэмульсионная вода. При эксплуатации авиатехники в заправляемом топливе нормируется только эмульсионная вода, регистрируемая как отсутствие помутнение топлива, и отстойная, которая должна отсутствовать. Допускается наличие свободной воды в топливе в количестве ≥0,003% масс. [1 - Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П., Федоров Е.П. Справочник. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. - М.: Химия, 1985, с. 22, 25].

Процесс накопления воды в топливе в основном происходит за счет растворения воды в мицеллах поверхностно-активных веществ (мицеллярная вода). Образование мицеллярной воды в углеводородных средах обусловлено ее высокой поверхностной активностью. При этом вода связывает полярные группы поверхностно-активных веществ внутри мицеллы и ее количество может значительным [2 - Братков А.А., Серегин Е.П., Горенков А.Ф., Ильинский А.А., Зрелов В.Н. Химмотология ракетных и реактивных топлив. - М.: Химия, 1987, с. 187, 195].

С наличием в топливе поверхностно-активных веществ связаны проблемы, обусловленные увеличением сил трения в прецизионных парах (золотниках) топливно-регулирующей аппаратуры, ограничивающих или изменяющих давление или расход топлива [2 - с. 196]. Так, из анализа отказов топливных систем авиатехники выявлена необходимость контроля за наличием мицеллярной воды. Статистика инцидентов летательных аппаратов РФ свидетельствует о том, что ряд отказов авиационных газотурбинных двигателей связан с заклиниванием (залипанием) прецизионных золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры. Одной из причин таких отказов является адсорбция мицеллярной воды из объема топлива на поверхностях фильтров и прецизионных пар трения мицеллярной воды. Отказы техники, вызванные накоплением мицеллярной воды, носят внезапный характер и наблюдаются при применении реактивных топлив как с противоводокристаллизационными жидкостями, так и без них, вызывая нарушение подачи реактивного топлива и заклинивание прецизионных пар. Это обнаруживалось по колебаниям (зависаниям) оборотов ротора турбины двигателя при изменении положения рукоятки управления движением, а также в виде недопустимых изменений параметров системы распределения топлива, случаев не выхода двигателя на заданный режим, самопроизвольного выключения двигателя и др. [3 - Коняев Е.А. Вихельмо. Статистика отказов авиационных ГТД по причине снижения качества топлива и отказов топливной аппаратуры за период 1991-2005 гг. Информационный сборник №2. Комитет по авиаГСМ, 2007, с. 26].

Перед авторами стояла задача разработать такой способ определения наличия мицеллярной воды в реактивных топливах, который отвечал бы следующим требованиям:

- высокая точность и достоверность определения;

- простота и доступность аппаратурного оформления;

- низкая себестоимость способа.

При просмотре источников научной и патентной информации выявлены технические решения, частично позволяющие контролировать качество топлив по виду воды. Известен способ обнаружения эмульсионной воды в реактивном топливе с помощью прибора ПОЗ-Т, который основан на изменении цвета индикатора при пропускании через него пробы топлива. Индикаторный элемент имеет два слоя лент. Первый слой пропитан со стороны входа топлива солью трехвалентного железа и служит для определения в топливе механических примесей, второй - пропитан красной и желтой кровяными солями и служит для определения эмульсионной воды. Появление на втором слое индикатора более двух голубых пятен свидетельствует о наличии в реактивном топливе эмульсионной воды [4 - Рыбаков К.В., Алпатов А.С., Рожков Ф.М. Заправка самолетов горюче-смазочными материалами. - М.: Транспорт, 1975, с. 188-189].

Недостатком этого способа является низкая точность определения (значительные расхождения при параллельных определениях) и возможность определения только эмульсионной воды (не более 0,003% масс.), что не позволяет определить наличие мицеллярной воды в реактивном топливе.

Наиболее близким по технической сущности решением и взятым за прототип является способ контроля распределения воды в топливе путем смешения навески топлива с заданным количеством воды с последующим замером предельных количеств растворенной и микроэмульсионной (мицеллярной) воды в топливе и расчетом по математической зависимости количества воды, удержанной под слоем топлива на стенках внутренней поверхности сосуда [5 - авт.св. СССР 1774255 A1, G01N 33/22].

Несмотря на все достоинства способа прототипа - доказано, что способ позволяет учитывать только максимально возможное содержание мицеллярной воды, определение которой не требуется, и поэтому основным недостатком этого способа является низкая точность и достоверность определения мицеллярной воды (микроэмульсионной) при хранении и аэродромном контроле, что приводит к отказам авиатехники в условиях эксплуатации.

Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности определения мицеллярной воды в реактивном топливе.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения растворенной и микроэмульсионной (мицеллярной) воды в реактивном топливе, включающем отбор и подготовку пробы, согласно изобретению пробу реактивного топлива приводят в состояние низкой агрегативной устойчивости мицеллярной воды, для чего добавляют твердый полярный адсорбент оксида железа или силикагеля в соотношении 1:0,05, доводят до однородной суспензии, фильтруют в прозрачную емкость и после фильтрования смеси замеряют количество фильтрата, в который на каждые 100 г добавляют 0,01 г перманганата калия, после чего выдерживают смесь при комнатной температуре не менее 2 ч, а наличие мицеллярной воды оценивают по окрашенным в розовый цвет каплям на дне прозрачной емкости.

Сущность заявленного способа заключается в подборе соотношения твердого загрязнителя, используемого в качестве адсорбента для снижения агрегативной устойчивости пробы (при наличии мицеллярной воды происходит ее выделение). Определение мицеллярной воды в топливах с повышенным содержанием поверхностно-активных веществ (адсорбционные смолы, противоводокристаллизационные жидкости) показали, что основными критическими моментами определения наличия мицеллярной воды являются вид и соотношение топлива и используемого загрязнителя - твердого полярного адсорбента оксида железа или силикагеля, время контакта (выдерживания) загрязнителя с испытуемым топливом.

Для индикации наличия мицеллярной воды в реактивном топливе выбран перманганат калия как высокочувствительный и не влияющий на изменение цвета реактивного топлива.

Совокупность ограничительных и отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения, достаточна для получения технического результата, что подтверждается представленными ниже результатами исследования проб различных искусственно приготовленных реактивных топлив (таблица 1).

Как видно из испытания, разрушение мицеллярных структур достигается в присутствии только твердых полярных адсорбентов оксида железа и силикагеля (10 и 11 столбец), взятых в соотношении с топливом 1:0,05 (7 и 8 столбец, 2 и 6 строка) и более. В качестве адсорбента (загрязнителя) выбран порошкообразный оксид железа(III), обладающий наименьшим временем разделения 120 мин (таблица 2), низкой стоимостью и доступностью, или силикагель.

Время выдерживания смеси (не менее 2 ч) обосновано тем, что увеличение времени не влияет на точность определения, а уменьшение времени не позволит определить наличия мицеллярной воды в топливе в случае ее присутствия.

Способ определения мицеллярной воды в реактивных топливах осуществляется следующим образом.

Пример. Пробу реактивного топлива ТС-1 (ГОСТ 10227-86) в количестве 1000 г подготавливают в соответствии с ГОСТ 2517-2012, наливают в стеклянный стакан при комнатной температуре, определяют содержание общей и растворенной воды в топливе известным методом Карла Фишера (ГОСТ Р 54281-2010), рассчитывают содержание мицеллярной воды по разности общей и растворенной воды в приготовленном образце топлива.

Затем в стеклянный стакан с пробой вводят твердый загрязнитель (порошкообразный оксид железа (III), ТУ 14-106-340-89) в количестве 50 г (соотношение 1:0,05) и интенсивно перемешивают известными способами, например магнитной мешалкой. Перемешивание смеси должно проводится с частотой вращения мешалки, обеспечивающей равномерное распределение загрязнителя в объеме топлива. Загрязнитель адсорбирует поверхностно-активные вещества из объема смеси, что приводит к снижению агрегативной устойчивости мицеллярных структуры воды. Через 30 мин мешалку останавливают и проводят фильтрование суспензии топлива с загрязнителем через бумажный фильтр (например, «белая лента» по ТУ 2642-01-42624157-98), на котором остается твердый загрязнитель с адсорбированными на его поверхности поверхностно-активными веществами.

Фильтрат топлива в количестве 775 г с агрегативно неустойчивыми мицеллярными структурами воды поступает в стеклянный стакан (массу полученного фильтрата определяют путем взвешивания стакана до после заполнения). В полученный фильтрат добавляют перманганат калия 0,8 г (из расчета 0,01 г на 100 г фильтрата) и выдерживают его при комнатной температуре в течение 2 ч. На дне стакана под слоем фильтрата появляются капли воды светло-розового цвета, что соответствует исходной пробе анализируемого топлива.

Заявляемым способом были исследованы товарные и искусственно приготовленные образцы реактивных топлив с поверхностно-активными веществами (адсорбционные смолы и противоводокристаллизационная жидкость «И»), состав которых и результаты определения мицеллярной воды известным способом (прототип) и предлагаемым представлены в таблице 3. Содержание растворенной и микроэмульсионной воды определяли методом Карла Фишера (ГОСТ Р 54281-2010).

Как видно из результатов испытаний известный способ в отличие от заявляемого бракует образцы топлив, не содержащие мицеллярную воду (таблица 3, строки 1 и 4, столбец 6), в то время как заявляемый способ позволяет исключить ошибочное определение мицеллярной воды в образцах топлив (строки 1 и 4, столбец 7).

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемый способ позволяет эффективно и доступно определять мицеллярную воду в реактивных топливах в условиях хранения и аэродромного контроля качества.

Применение изобретения позволит повысить безопасность полетов летательных аппаратов за счет исключения отказов узлов и агрегатов топливных систем, вызванных накоплением мицеллярной воды.