航煤烧蚀机理研究成果揭示

2024-01-18 百科知识版权反馈

【摘要】：一旦航空煤油被卡脖子，我国空军机群将陷入无法起飞的境地，这意味着我国的国防安全将受到严重威胁。这时，侯祥麟突然意识到，十多年来我国空军一直使用的苏制航空煤油从未发生过烧蚀现象，一定是苏联的油中含有抑制烧蚀的物质。随后，科研人员把苏联航空煤油进行脱硫精制后，试验后又出现了烧蚀现象。解决了烧蚀问题后，石油科学研究院又继续组织陆婉珍等人开展了烃类燃烧过程中对镍铬合金腐蚀机理及硫化物抗烧蚀机理的研究工作。

第二次世界大战后，喷气式飞机逐渐取代活塞式发动机飞机，成为各国空军的主要装备。航空煤油（又称喷气燃料）是喷气式飞机的发动机燃料，同时还是飞机油泵调节组合部件的润滑与工作介质，以及燃油与滑油换热器的冷却介质。因此，航空煤油的质量要求很高，既要有良好的燃烧性能，又要有良好的润滑抗磨性、高温安定性、低温流动性和很高的洁净度。航空煤油的消耗量很大，是常规军用油品中需要数量最多的品种。

新中国成立初期，我国仅有玉门等几个小油矿，全国每年仅产十几万吨石油。西方国家一直对中国实行禁运，使国内石油产品奇缺。我国空军飞机和大型民航客机所使用的航空煤油一直从苏联进口，1959年进口量达50万吨。为解决航空煤油国产化问题，1956年和1957年，石油工业部组织玉门炼油厂按苏联喷气燃料规格标准，利用玉门原油研制生产航空煤油。经过多次试验，生产出了凝固点和比重都符合要求的航空煤油。但是当把油样在飞机发动机做燃烧试验后，却发现喷气发动机合金钢火焰筒的内壁被烧出了一些小孔，该油对镍铬合金火焰筒产生严重的高温燃气腐蚀（简称烧蚀）。以后的试验表明，我国当时已开采的原油及页岩油加氢生成油生产的喷气燃料对镍铬合金都有烧蚀，并不是玉门喷气燃料独有的问题。如果烧蚀问题不解决，喷气燃料就不能自立于国内。这期间，虽组织各方面力量进行解决，并将油样送往苏联由全苏石油炼制研究所协助研究，但整整一年也没有找出引起烧蚀的原因，所提出的各种解决方法也无济于事。

1959年，中苏关系紧张，从苏联进口的石油产品尤其是军用油品数量锐减，出现了全国性的“油荒”，许多汽车使用煤气做燃料，车顶背上了大气包。部队执勤训练也因缺油而受到影响。一旦航空煤油被卡脖子，我国空军机群将陷入无法起飞的境地，这意味着我国的国防安全将受到严重威胁。1960年8月16日，聂荣臻元帅亲自致信石油工业部余秋里部长。他在信中焦急地写道：“航空油料仍完全依靠进口，煤油的技术问题还未解决，汽油只能生产部分型号，润滑油也有不少问题。这些情况使人担心：一旦进口中断，飞机和某些战斗车辆就可能被迫停飞和停驶。”面临如此紧急的形势，余秋里部长坐不住了，他在兰州召开会议，沉重地说：“搞不出航空煤油来，我们过天安门都得低着头啊！”又对时任石油科学研究院副院长的侯祥麟说：“你们再解决不了这个问题，我就把你们研究院的牌子倒过来挂！”口气严厉地要求在今冬明春，航空煤油的质量一定要过关。

刚刚成立的石油科学研究院承受了前所未有的压力。为了解决这一难题，主管炼油的副院长侯祥麟亲自主持，组织全院的力量进行技术攻关。在以往的文献中，对矿物燃料燃烧过程引起合金腐蚀的原因，一般都认为是硫或重金属（如金属钒）所造成的。因此，起初怀疑油里含有重金属或硫化物造成合金烧蚀，陆婉珍带领技术人员对航空煤油的性质、组成以及微量元素含量进行了详细的分析测定。但结果表明，我国航煤中重金属和硫化物的含量均低于国外的油品。大家认为即使这样，肯定也是油中存在其他没有检测出来的有害杂质，因而多家研制单位都在油品的精制上下功夫。但不论如何精制，油品仍对火焰筒有严重的烧蚀。后来干脆用纯烃进行燃烧试验，烧蚀坑点依旧出现。随后，大家又在油品添加剂上想办法，选择了一些不同种类的添加剂分别大量加入燃油中，进行燃烧试验。其中掺入一种含有硫和磷的添加剂时烧蚀程度有所减轻，但仍没有完全抑制烧蚀问题。

这时，侯祥麟突然意识到，十多年来我国空军一直使用的苏制航空煤油从未发生过烧蚀现象，一定是苏联的油中含有抑制烧蚀的物质。于是，他让人将苏制航空煤油与国产航空煤油混兑后再进行燃烧试验，混兑的航空煤油果然没有发生任何烧蚀现象。这时，再把两种油中的非烃类化合物含量进行对比，发现苏制油中的硫化物比我们的高出了许多倍。随后，科研人员把苏联航空煤油进行脱硫精制后，试验后又出现了烧蚀现象。困扰研究人员好几年的烧蚀问题终于解决了，原来认为起烧蚀作用的硫元素实际上是对烧蚀起抑制作用的，国产原油硫含量过低是产生烧蚀的主要原因。在此基础上，石油科学研究院研制出了一种工业生产方便且价格低廉的硫化物抗烧蚀添加剂，定名为“33号”添加剂，随即正式投入国产航空煤油的生产，并通过了部队的试车和试飞鉴定。国产航空煤油很快在国内军用和民航客机上推广使用，不仅解决了我国喷气燃料的有无问题，而且产量迅速增加，为国防建设和国民经济发展作出了重大贡献^[3]。(www.chuimin.cn)

解决了烧蚀问题后，石油科学研究院又继续组织陆婉珍等人开展了烃类燃烧过程中对镍铬合金腐蚀机理及硫化物抗烧蚀机理的研究工作。当时人们判断，腐蚀可能是由于燃烧产物在高温下与镍铬合金表面起化学反应所造成。为了验证这个判断，在管式炉的石英管中放入镍铬合金试片，然后通入不同的燃气成分，在不同的温度下反复进行试验，结果发现，在650～800℃，通入一氧化碳和煤油可造成试片上有坑点腐蚀，而单独通入一氧化碳则没有此现象。如改为通入一氧化碳和萘时，腐蚀加剧，验证了腐蚀是由高温下的烃类燃气引起的。

在试验中还发现了一个特殊现象，即腐蚀的坑点上部都有毛状炭。在650～800℃间的燃烧所生成的积炭一般为无定型炭，石墨碳的形成需要2 000℃以上的高温，但毛状炭经分析研究室分析后确认为石墨碳。当时已有文献报道，在700℃时，烃类化合物能与金属镍反应生成石墨纤维，并认为这是由于镍的催化作用。为了考察镍铬合金是否也能起这种催化作用，科研人员分别在管式炉中放入镍片及合金片，并通入用氢气携带的萘，发现镍片表面有积炭，且有均匀腐蚀，而合金片则无此现象，说明金属镍能将烃类催化生成石墨碳，而镍铬合金则不产生这种催化作用。

陆婉珍带领分析室的研究人员，在中科院地质所和金属所的帮助下，进一步对毛状炭及腐蚀坑点附近的金属进行了组成和金相分析。毛状炭的分析结果表明，其主要成分是石墨碳，并有镍及镍铬的氧化物存在。坑点从表面至40微米深处的金属中含有大量石墨碳、氧化铬及碳化铬，表面的镍与铬含量的比率为原合金的3倍以上，电子探针的分析证明，表层有许多微区，其成分接近纯镍。

综合上述试验和分析结果，不难归纳出以下结论：在一氧化碳及烃类气氛下，合金表层碳化或内氧化产生了合金表面的富镍微区，其成分接近纯镍。这些微区是催化生成石墨碳的活性点，腐蚀就从这些活性点开始，逐渐扩展成为坑点。硫化物会使镍中毒，破坏镍的催化活性，从而切断了石墨化的过程。在烃类化合物中加入硫化物，抑制了燃烧过程中镍与烃类化合物的反应。从而，在理论上系统完整地阐明了我国低硫喷气燃料对发动机镍铬合金火焰筒的高温烧蚀机理。由于技术保密等原因，“烃类燃料在燃烧过程中对镍铬合金腐蚀机理的研究”这一成果直到1982年才申报国家奖项，获国家自然科学四等奖。这是石油化工科学研究院建院迄今为止获得的唯一一项自然科学类的国家奖励。

航煤烧蚀机理研究成果揭示

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