燃油系統作為飛機整體中至關重要的組成部分,要具備貯存滿足飛機航時、航程需求量的燃油能力；并按規定順序在地面及所有飛行姿態下連續有效地提供滿足發動機使用需求的燃油。因此,飛機燃油系統的清潔度會影響發動機工作性能和使用壽命,并且直接危害飛機使用安全。

飛機燃油系統污染源主要包括水污染和雜質污染兩大類,其中由水污染造成的微生物污染發生概率最高,且危害最為嚴重。飛機燃油系統微生物主要通過飛機油箱通氣增壓或日常維護過程進入的空氣所帶入,主要包括細菌和真菌 (霉菌和酵母菌等)[1-7]。飛機燃油在生產、運輸、儲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]；當微生物繁殖生長達到一定程度的時候,會帶來飛機燃油性能下降、腐蝕飛機油箱結構、堵塞油泵和氣濾、腐蝕油箱內非金屬材料等危害,最終影響飛行安全。

微生物主要生活在油和水的界面上,以碳氫化合物為食。微生物主要是通過堵塞和腐蝕危害燃油系統。隨著飛機燃油系統的微生物污染問題日劇嚴重,國際航空界對此問題的研究也逐漸深入。國際航空運輸協會 (IATA) 于2005年頒布了《飛機油箱微生物污染指南材料》[12],美國材料與試驗協會 (ASTM) 發布了《燃油和燃油系統微生物污染指南》,并形成了完整成熟的檢測、分級處理流程方法[13]。但目前國內對此問題研究尚處于起步階段,本文期待對我國飛機燃油系統微生物污染檢測與預防技術的工程應用有所幫助。

1 微生物污染形式

飛機燃油系統污染微生物生存在燃油與水的交界面中,污染微生物以飛機燃油、添加劑和油箱內橡膠材料為營養物質,在溫度及水分等條件合適的時候,微生物就會迅速繁殖生長。

1.1 航空油箱內沉積水引起的微生物污染

水是微生物機體的重要組成部分,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物質和其代謝產物都需要溶于水,再通過其細胞表面進行物質交換,因此飛機燃油系統微生物主要生長繁殖在油水交界面處[14-16]。如圖1所示,細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,也是飛機燃油系統污染主要來源。

圖1   微生物生長位置示意圖[16]

飛機燃油中水分主要來源于三個途徑[17-21]：(1) 飛機燃油中本身還有少量游離水和溶解在燃油中的水,當溫度降低時,溶解在燃油中的水會被析出,沉積在油箱底部；(2) 飛機燃油生產、運輸、儲存和飛機日常維護檢查過程中混入雨水或大氣中的水分等；(3) 飛機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,造成油箱內凝露現象,導致飛機油箱內出現冷凝水。

1.2 航空油箱內營養物引起的微生物污染

微生物生長所需要營養物主要包括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元素,微生物的生長代謝必需依賴碳源才能合成基本的細胞結構并獲得能量。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氫化合物,如：烷烴、環烷烴、芳香烴等,微生物主要分解燃油中較短直鏈碳氫化合物來獲取碳源,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的必要營養元素。微生物生長所需氮源來自于燃油添加劑和油箱內非金屬材料。為了提高燃油性能,燃油中會添加各種添加劑,微生物通過分解一些含硫添加劑來獲取氮源；同時微生物也能通過分解油箱內非金屬材料,如腈橡膠、聚氨酯泡沫等物質,來獲取所需氮源[8]。

除了碳源和氮源兩類主要的必備營養元素之外,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 航空油箱內溫度及酸堿度變化引起的微生物污染

由于飛機燃油系統中污染微生物主要包括細菌和真菌 (霉菌和酵母菌等),都可以在不同溫度下存活,當溫度過低時,微生物會進入休眠狀態,一旦溫度適宜便會重新開始生長繁殖[24]。大部分細菌適宜生長溫度為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 ℃,而飛機日常使用及停放環境溫度基本全覆蓋這三種主要微生物適宜生長溫度,因此飛機燃油系統中微生物會在適宜溫度時迅速生長繁殖,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相當寬泛的酸堿度范圍內生長繁殖,如細菌適宜酸堿度為：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格,因此飛機燃油系統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

飛機燃油系統中的碳氫化合物和燃油添加劑會被微生物蠶食分解,微生物生長代謝產生水,提高了燃油中水分含量；硫酸鹽還原菌代謝產物會增加燃油中硫元素的含量,使燃油出現銀片腐蝕不合格問題；微生物代謝生長繁殖產物分散于燃油中,增加燃油懸浮顆粒,其中部分代謝產物會使燃油乳化,微生物細胞會進入油相生成粘泥。微生物可以通過團簇形成生物被膜等方式,來截留燃油油液中水分,導致排水不完全。以上方面都會導致燃油性能下降,并最終影響飛行安全[27]。

2.2 腐蝕油箱結構

飛機燃油系統微生物將油箱結構表面的防護涂層作為獲取營養物質的重要來源,附著在其表面生長繁殖,造成油箱結構表面防護涂層被腐蝕；同時,微生物在生長繁殖過程中產生的代謝產物 (如硫化氫、硫酸、醋酸、乳酸等) 會使飛機燃油酸化,使油箱結構表面防護層被腐蝕,導致油箱結構失去保護[14,27,28]。

失去防護層的飛機油箱結構基體金屬直接暴露在腐蝕環境中,油箱中水分含有的污染物會對金屬結構直接造成腐蝕；微生物對金屬腐蝕主要指參加硫、鐵元素循環,主要包括硫氧化菌、硫酸鹽還原菌和鐵細菌[29-32],由于海水中還有豐富的硫酸鹽,當飛機進行海上任務時,一部分硫酸鹽會伴隨海面上濕潤空氣進入飛機油箱；另一部分,在飛機燃油油液本身中也富含很多硫化物。在厭氧環境中,油液內硫酸鹽還原菌會將油液內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化合物從而產生H2S導致金屬腐蝕[27]。

受腐蝕油箱結構如圖2所示,油箱受到腐蝕侵害后表面會呈現出明顯的腐蝕斑痕,并有相應的腐蝕產物富集。飛機油箱結構一旦受到腐蝕,會導致結構強度降低,嚴重的造成油箱壁板穿孔,導致燃油泄露,甚至引起飛機失火。

圖2   飛機油箱腐蝕后的宏觀形貌[25]

2.3 堵塞泵和油濾

飛機燃油系統微生物主要在油箱底部結構筋條和管路低點存水部位生長繁殖,一旦溫度適宜,微生物會迅速生長繁殖形成團簇結構,體積也會隨之迅速增大,微生物也會隨之迅速蔓延,由于團簇的結構更具親水性,在霉菌和酵母菌消耗掉水層表面附著的氧氣后,就會進入休眠狀態,此時更有助于厭氧硫酸鹽細菌的生長,導致團簇進一步增大。從圖3中可以看出,細菌的團簇以及其代謝所分泌的粘稠產物會造成飛機燃油系統泵的出入口、發動機燃油過濾元件、以及燃油過濾元件的外殼/活門等部件堵塞問題[26],直接導致發動機供油不足,發動機難于啟動或啟動時間過長,因此極容易造成發動機喘振或超溫而損壞發動機。

圖3   被堵塞的發動機過濾元件及過濾元件外殼[26]

2.4 降解非金屬材料

飛機燃油系統微生物形成團簇,進入迅速生長繁殖階段時,需要大量氮源,其中一部分氮源來自于微生物對油箱內非金屬材料如：腈橡膠、聚氨酯泡沫等物質分解得到。由于飛機油箱內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生破壞,嚴重時會導致泡沫水解、碎裂成泡沫渣,不僅嚴重破壞填充材料的過濾功能,更會堵塞燃油管路。飛機油箱中聚氨酯泡沫降解后分別如圖4所示。

圖4   飛機油箱的聚氨酯泡沫掉渣[26]

3 微生物污染檢測方法

檢測飛機燃油系統污染度常用方法有過濾及培養法、間接檢測法和設備檢測法等。目前被國際公認使用的兩種過濾及培養方法為：好氧微生物成分和沸點低于390 ℃的油料組成測定 (IP385) 和液體油料中細菌及真菌標準操作 (D6974)[13]。但由于過濾及培養方法需要嚴格無菌操作環境、熟練操作技能和繁瑣操作流程,一般難于在飛機維護部門完成。

由于污染微生物會對飛機燃油油液很多特性產生影響,間接檢測法主要利用此特點,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、化學組成和Cl-濃度等指標變化,間接判斷飛機燃油系統是否發生微生物污染。由于其指標無法量化所帶來檢測結果的不確定性,因此未在飛機維護部門得到廣泛應用[30]。

基于以上原因,國際航空運輸協會 (IATA) 推薦了幾種便于操作、結果可量化的微生物污染設備檢測法[12],主要包括：Microbe Monitor2、Easicult combi、FUELSTAT resinae和HY-LITE jet A1。4種設備檢測方法橫向對比如表1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凝膠體中,晃動凝膠試劑瓶,使凝膠溶解、樣本充分分散于凝膠中,之后放于薄層中,讓微生物在營養凝膠中生長1~4 d,待產生肉眼可見紫色菌落,便可對樣本進行定量分析。

Easicult combi檢測法可以對水中真菌、霉菌和酵母菌進行半定量測試。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菌培養器中1~4 d,待載片上生長出肉眼可見的微生物菌落,與標準參照圖進行對比半定量分析。

FUELSTAT resinae檢測法可以對燃油和水中大量污染物進行定量分析。具體檢測過程為：將燃油和水樣本加入藍提取液,充分混合后,將數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果[31,32]。

HY-LITE jet A1可以檢測燃油和水中ATP總量。將1 mL藍色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筆進行化驗,ATP含量通過HY-LITE光學儀檢測后,結果可以通過RLU (相對光學單位) 定量表示,由于單次檢測時間少于10 min,因此被廣泛應用[32]。

4 微生物污染預防

目前,國內軍機系統尚無完整關于微生物檢測及預防規范,民航所普遍采用的是根據美國航空運輸協會ATA100規范編制的飛機維護手冊 (AMM)。為預防飛機燃油系統微生物污染,應在飛機生產及使用過程中采取如下措施：

(1) 從飛機油箱內部結構設計入手,使得油箱內水可以通過排水孔匯集到油箱低點,最終可以由沉淀活門放出機外,減少油箱內水含量[33]。

(2) 制定針對性飛機燃油系統微生物檢測流程?？罩锌蜋C公司結合飛機維護手冊 (AMM) 制定了微生物檢測及維護流程,具體流程如圖5所示。

圖5   空客飛機微生物檢測流程

(3) 按照燃油系統維護規程進行油箱油液循環。油液循環能夠降低油箱內沉積水含量,并降低微生物附著于油箱結構的可能性。

(4) 使用相應燃油殺菌劑[34]。殺菌劑選用要求為：能夠充分溶解于燃油和水中；對飛機發動機燃燒性能無影響；對燃油性質無影響；毒性可接受；具有廣泛抗菌譜。根據以上原則選取適當殺菌劑對飛機燃油系統微生物進行預防。

5 結論與展望

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

(2) 飛機燃油系統微生物污染將帶來燃油性能降低、油箱結構腐蝕、泵及燃油濾堵塞和油箱內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防方法主要來源于美國航空運輸協會ATA100規范,軍機則缺少相關檢測與預防標準和規范。因此,提出適用于軍機,且更為高效的微生物污染檢測與預防方法是當務之急。

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