大型民用飛機(jī)燃油箱污染影響與控制要求

卞 剛* 宋志強(qiáng) 葛 銳

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

0 引言

燃油箱的基本功能是存儲(chǔ)燃油，并保證油箱內(nèi)燃油向油泵入口順暢流動(dòng)。燃油是燃油系統(tǒng)、動(dòng)力裝置系統(tǒng)、輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)的工作介質(zhì)，是全機(jī)能源的源頭。燃油系統(tǒng)、動(dòng)力裝置系統(tǒng)、輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)包含較多精密設(shè)備，為保證各系統(tǒng)正常工作，必須保證燃油足夠清潔。在燃油箱結(jié)構(gòu)與燃油箱內(nèi)系統(tǒng)件制造、飛機(jī)部裝總裝、試驗(yàn)、加油、運(yùn)行以及維護(hù)維修過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生、遺留各類雜質(zhì)、顆粒物等污染物質(zhì)或多余物，并對(duì)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響。為保證飛機(jī)正常運(yùn)行，有必要針對(duì)各種環(huán)節(jié)產(chǎn)生的燃油箱污染物/多余物，采用各種手段減少、控制其產(chǎn)生，或降低其影響。

1 燃油箱污染物類型與影響

1.1 燃油箱污染物類型

燃油箱污染物特指飛機(jī)制造、運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中自然滋生、制造遺留、損傷脫落產(chǎn)生的潔凈燃油、干凈產(chǎn)品所不允許的多余物。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)，燃油箱內(nèi)污染物/多余物主要有以下種類，見(jiàn)表1。其中制造維護(hù)過(guò)程中的污染物、多余物一般源于制造加工過(guò)程中清潔工作不到位、工藝程序不完善、生產(chǎn)技能不熟練、質(zhì)量控制不嚴(yán)等因素。正常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的污染物、多余物則一般源于油箱內(nèi)自然運(yùn)行環(huán)境、燃料自身化學(xué)物理特性、零部件和材料的自然老化或失效等因素。

表1 燃油箱污染物/多余物類型與產(chǎn)生階段

1.2 燃油箱污染物/多余物的影響

與燃油相關(guān)的機(jī)載系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng)、動(dòng)力裝置系統(tǒng)、輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)、油箱內(nèi)其它系統(tǒng)以及燃油箱結(jié)構(gòu)，燃油的污染有可能引起上述系統(tǒng)的功能失效或性能降級(jí)等，對(duì)于不同的污染物，其產(chǎn)生的影響如下所述。

1.2.1 機(jī)械產(chǎn)品功能喪失與性能下降

各種固體雜質(zhì)、不溶于燃油的膠體、絮狀物等隨燃油流動(dòng)，極容易堵塞細(xì)小流動(dòng)通道，比如壓力傳感器的測(cè)壓管路、引射泵噴嘴、伺服部件的精細(xì)孔道等，從而引起相關(guān)性能下降、功能喪失或可靠性降低，如圖1中的顆粒污染物。某些固體污染物或多余物，容易卡滯活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致部件功能降級(jí)或喪失，如單向閥被卡住不能打開或關(guān)閉，浮子轉(zhuǎn)軸或滑動(dòng)軸被卡住而不能浮動(dòng)；在低溫情況下，燃油中水分易形成積冰，堵塞流動(dòng)通道，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降或功能喪失。最終的影響可能是發(fā)動(dòng)機(jī)供油功能喪失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車。2008年1月17日，英航一架由北京飛倫敦的B777-200ER在希斯羅機(jī)場(chǎng)跑道入口前330 m處墜撞著陸，調(diào)查結(jié)論表明發(fā)動(dòng)機(jī)供油能力大幅下降，導(dǎo)致推力減小，而其原因可能是燃油熱交換器處出現(xiàn)燃油中水分結(jié)冰堵塞流動(dòng)通道導(dǎo)致供油不足引起。

圖1 引射泵噴嘴堵塞物

1.2.2 結(jié)構(gòu)腐蝕

水分在油箱中積聚，一方面易腐蝕結(jié)構(gòu)，另一方面易滋生微生物；微生物在其生長(zhǎng)過(guò)程中，從周圍環(huán)境吸收營(yíng)養(yǎng)素，并產(chǎn)生有害氣體、酸性物質(zhì)及其它分泌物等，影響燃料穩(wěn)定性，產(chǎn)生電化學(xué)環(huán)境致使金屬腐蝕、復(fù)合材料降解。

1.2.3 傳感器感應(yīng)偏離或功能喪失

水分與燃油屬性不同，過(guò)多水分會(huì)導(dǎo)致油量傳感器測(cè)量偏差；膠帶、標(biāo)簽、繩帶、絲線、微生物等粘覆住傳感器感應(yīng)裝置，易使傳感器感應(yīng)功能喪失或出錯(cuò)，導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤的信號(hào)，如圖2為油箱里脫落的膠帶。

圖2 油箱內(nèi)脫落膠帶

1.2.4 燃油箱燃爆風(fēng)險(xiǎn)

脫落的金屬絲、金屬線等搭接在不同結(jié)構(gòu)間，在兩端大電勢(shì)差情況下可能會(huì)產(chǎn)生放電，導(dǎo)致燃油箱有燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.5 飛機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降

燃油箱中過(guò)多的污染物會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損傷、性能下降，并需為此安排排故、更換產(chǎn)品、油箱清潔等維護(hù)工作。燃油箱內(nèi)的相關(guān)工作通常需要3 d～7 d的周期，停場(chǎng)維修產(chǎn)生的成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。

2 燃油箱污染防護(hù)控制環(huán)節(jié)

燃油箱污染控制需要從產(chǎn)品全生命周期及場(chǎng)景研究污染的來(lái)源，對(duì)其實(shí)施控制。需要從源頭上針對(duì)工作介質(zhì)——燃油的清潔特性，基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)特點(diǎn)與制造工藝技術(shù)水平，定義結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)防污染相關(guān)設(shè)計(jì)要求，并延伸至制造、運(yùn)行維護(hù)各階段與過(guò)程，在全生命周期中需接受相關(guān)質(zhì)量要求的控制，燃油箱污染防護(hù)控制主要環(huán)節(jié)見(jiàn)圖3。通常燃油的存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程中燃油品質(zhì)由航油公司、機(jī)場(chǎng)控制，相關(guān)規(guī)定如 MH/T6020[1]、MH/T6005[2]、ATA Specification 103[3]等。飛機(jī)運(yùn)行維護(hù)中燃油箱清潔由航空公司、維修公司控制，一般按相關(guān)手冊(cè)及航空公司、維修公司規(guī)定執(zhí)行。飛機(jī)研制、生產(chǎn)中燃油箱清潔則由飛機(jī)制造商、供應(yīng)商控制，下文僅針對(duì)制造商研制生產(chǎn)與航空公司運(yùn)營(yíng)維護(hù)角度提出相關(guān)要求。

圖3 飛機(jī)燃油箱污染控制環(huán)節(jié)

3 燃油箱污染防護(hù)制造商控制

基于燃油/燃油箱/燃油系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的污染物類型與特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮避免/降低污染物產(chǎn)生的可能。產(chǎn)品研制生產(chǎn)中可充分借鑒GJB5296[4]及其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從組織管理、設(shè)計(jì)制造等多方面控制多余物。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)將預(yù)防污染與多余物、提供清潔燃油作為設(shè)計(jì)需求，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮預(yù)防污染、多余物產(chǎn)生，以及便于檢查、清除污染、多余物，控制其風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，組織上應(yīng)建立完善的質(zhì)量控制要求，對(duì)全生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理。

3.1 燃油箱及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般要求

3.1.1 材料選用要求

燃油箱內(nèi)及與燃油接觸的產(chǎn)品材料選用一般要求如下：

1）油箱內(nèi)所有產(chǎn)品及各類材料應(yīng)與燃油及其添加劑相容；

2）與燃油接觸的零部件表面不應(yīng)采用鎂、銅、鎘及其合金材料，油箱內(nèi)避免使用含銀材料；

3）不應(yīng)選用在產(chǎn)品使用環(huán)境及壽命期內(nèi)易發(fā)生蟲蛀、腐蝕、脫皮、龜裂以及滋生霉菌的材料，應(yīng)保證產(chǎn)品在規(guī)定的使用期限內(nèi)和使用環(huán)境條件下不脫漆、不脫鍍層、不氧化生銹、不發(fā)生催化斷裂；

4）新材料必須在燃油環(huán)境中開展相容性試驗(yàn)才可應(yīng)用，可參照RTCA DO-160[5]第11章“流體敏感性”。3.1.2燃油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

燃油箱結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)要求如下：

1）油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能避免液體流動(dòng)死區(qū)的設(shè)計(jì)，使油箱內(nèi)油液、水分等能夠順暢流向燃油泵吸油口或油箱放沉淀區(qū)域，降低水分積聚滋生微生物和結(jié)冰的可能；

2）在油箱中易產(chǎn)生微生物的區(qū)域，結(jié)構(gòu)表面涂防腐蝕涂層，通常是在油箱下壁板以上80mm以下區(qū)域，都需要涂覆；

3）油箱開口應(yīng)不易進(jìn)入外物，如雨水、冰雪、砂塵、小動(dòng)物、落葉等；

4）油箱中肋板最底部應(yīng)布置排液孔，大的過(guò)油孔布置在接近肋板底部位置，這樣一方面可以保證正常串油、過(guò)水，一方面肋板底部的結(jié)構(gòu)又可以一定程度上阻擋固體污染物在油箱里的輸運(yùn)；

5）油箱結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證油箱內(nèi)所有區(qū)域可以接近、檢查及清潔。

3.1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

燃油箱內(nèi)除了燃油系統(tǒng)，通常還可能布置有惰化系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電纜等，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到以下原則與要求：

1）系統(tǒng)自身應(yīng)避免產(chǎn)生污染物、多余物，應(yīng)避免系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)之間相互影響而帶來(lái)污染物、多余物，系統(tǒng)應(yīng)能夠耐受一定的污染物、多余物影響而不產(chǎn)生降級(jí)、退化，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)避免將不可控的污染物、多余物帶出至其它下游系統(tǒng)（譬如動(dòng)力裝置、輔助動(dòng)力裝置等系統(tǒng)）；

2）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮避免因油箱污染產(chǎn)生共因失效，并導(dǎo)致災(zāi)難性的事件；

3）系統(tǒng)件應(yīng)與燃油及其添加劑相容；相接觸的系統(tǒng)件之間、系統(tǒng)件與結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)避免產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)；系統(tǒng)件材料包括表面處理材料應(yīng)能耐受飛機(jī)飛行包線內(nèi)的自然環(huán)境變化，包括溫度變化、濕熱環(huán)境、壓力變化、鹽霧環(huán)境、高空臭氧、振動(dòng)、燃油沖擊、氣流吹洗等；

4）每一系統(tǒng)零件、裝配應(yīng)研究其失效模式中是否存在小零件脫落的失效，應(yīng)有充分的防失效設(shè)計(jì)，比如緊固件的放松。通常需考慮的脫落小零件，如柔性接頭的軸銷、卡扣、綁扎帶、搭接絲，搭接線的金屬絲、耳片，部件、管路安裝采用的緊固件，卡箍橡膠件，線纜上的標(biāo)簽等；

5）燃油箱氣路、油路等各種開口處，應(yīng)充分利用濾網(wǎng)，阻擋各類雜質(zhì)多余物進(jìn)入；

6）燃油系統(tǒng)管路布置應(yīng)盡量避免出現(xiàn)積液而堵塞流動(dòng)通道，同時(shí)部件應(yīng)減少微細(xì)通道的應(yīng)用；

7）燃油箱應(yīng)該具備措施，能夠在正常運(yùn)行中方便的排放、檢查油箱中沉積的主要污染物，如水分、微生物等。

3.2 燃油箱及相關(guān)系統(tǒng)制造一般要求

制造過(guò)程中的防污染與多余物控制除了技術(shù)上的因素，還重點(diǎn)包含質(zhì)量與管理的因素。同時(shí)，燃油箱內(nèi)的產(chǎn)品制造分多個(gè)層級(jí)，來(lái)自于多家供應(yīng)商、不同的制造企業(yè)，因此從制造上亦應(yīng)分層級(jí)、分階段進(jìn)行控制，其控制環(huán)節(jié)如圖4所示。

圖4 燃油箱污染防護(hù)制造控制環(huán)節(jié)

3.2.1 通用管理與質(zhì)量要求

制造環(huán)節(jié)防污染與多余物控制首先要從管理與質(zhì)量上制定相關(guān)的要求，通常從產(chǎn)品制造的人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面考慮：

1）制造相關(guān)人員應(yīng)具備相應(yīng)操作上崗資格，人員應(yīng)經(jīng)培訓(xùn)上崗；進(jìn)入工作區(qū)域人員、衣著應(yīng)滿足相關(guān)清潔規(guī)定。

2）采用的工具工裝應(yīng)滿足精度、質(zhì)保要求；工具、工裝干凈整潔；每次使用的工具、工裝應(yīng)建立清單，進(jìn)、出工作區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行比對(duì)檢查，避免有遺落；工藝設(shè)備應(yīng)具備自凈化能力和防污染入侵的措施。

3）確保制造所需原材料滿足圖紙要求，各類耗材、油料滿足質(zhì)保要求；進(jìn)、出工作區(qū)域，材料清單應(yīng)進(jìn)行比對(duì)檢查，避免有遺落；消耗、磨損類的材料在使用后應(yīng)對(duì)工作區(qū)進(jìn)行清潔。

4）工藝程序和規(guī)范應(yīng)經(jīng)驗(yàn)證，并在生產(chǎn)制造過(guò)程中持續(xù)完善；制造操作應(yīng)嚴(yán)格按照工藝程序和規(guī)范執(zhí)行；特殊的工藝、人員技能水平影響比較大的工藝，應(yīng)有相對(duì)嚴(yán)格的檢查措施；不同制造工序間轉(zhuǎn)移應(yīng)有嚴(yán)格的污染控制技術(shù)措施和管理措施。

5）生產(chǎn)制造環(huán)境應(yīng)干凈整潔，確保周圍環(huán)境中沙塵、水分、雜質(zhì)等外來(lái)物不會(huì)進(jìn)入油箱；不同作業(yè)環(huán)境應(yīng)有隔離防護(hù)；在部裝、總裝環(huán)節(jié)尤其需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

3.2.2 各生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)要求

應(yīng)從零部件生產(chǎn)制造源頭至飛機(jī)最終交付的所有環(huán)節(jié)對(duì)污染物與多余物防護(hù)進(jìn)行控制：

1）零部件制造中應(yīng)避免出現(xiàn)毛刺、金屬屑、夾渣等，應(yīng)保證表面涂層的完整、光滑，表面不應(yīng)有粗糙的凹坑或死腔；應(yīng)確認(rèn)部件上的零件裝配緊固完好，無(wú)任何損傷、松動(dòng)跡象；不應(yīng)使用鋼絲刷打磨導(dǎo)管表面，不應(yīng)使用棉織品擦洗導(dǎo)管內(nèi)表面；制造完成應(yīng)進(jìn)行清潔，并予以必要的包裝。

2）所有層級(jí)產(chǎn)品都應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)制定相應(yīng)儲(chǔ)存運(yùn)輸要求；對(duì)于存在老化退化可能的零部件，有必要控制保存期限；包裝產(chǎn)品的材料不應(yīng)產(chǎn)生污染。

3）飛機(jī)裝配環(huán)節(jié)是所有控制環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，必須確保人員、工具、材料等進(jìn)、出油箱的控制，并需控制飛機(jī)裝配環(huán)境滿足要求；尤其需要注意機(jī)加工、涂膠、涂漆、安裝、調(diào)試等工作中產(chǎn)生污染、二次污染或多余物，充分做好清潔；每次進(jìn)油箱工作結(jié)束應(yīng)對(duì)油箱內(nèi)環(huán)境、產(chǎn)品進(jìn)行檢查。

4）飛機(jī)總裝完成后，應(yīng)安排油箱燃油清潔度檢查，并在供油管路上安裝臨時(shí)過(guò)濾裝置，在交付前的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或飛行時(shí)搜集過(guò)濾燃油中的污染物；飛機(jī)交付前應(yīng)安排油箱燃油微生物檢查，確認(rèn)微生物含量滿足客戶需求；另外需制定飛機(jī)停放期間的污染防護(hù)控制要求。

4 燃油箱污染防護(hù)運(yùn)營(yíng)商控制

運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的防污染與多余物控制指在飛機(jī)航線運(yùn)行過(guò)程中對(duì)燃油箱多余物控制的技術(shù)與管理要求。該階段的多余物控制分不同使用維護(hù)場(chǎng)景進(jìn)行管理，包括：日常勤務(wù)中的防污染工作、維護(hù)維修中的防污染工作以及飛機(jī)貯存停放期間的防污染工作，其中維護(hù)維修及貯存停放期間工作要求與在生產(chǎn)制造階段基本相同。

飛機(jī)燃油箱日常勤務(wù)工作日常勤務(wù)工作包括飛機(jī)常規(guī)的例行檢查、放沉淀、加油等，需要在這些勤務(wù)工作中檢查、控制油箱污染物的產(chǎn)生；例行檢查中需檢查油箱通氣口無(wú)明顯的雜物、多余物；重點(diǎn)是每日排放油箱中水分，取樣并檢查排出油液中的微生物、顆粒物雜質(zhì)情況，確保燃油清潔。

5 結(jié)論

燃油箱中污染物產(chǎn)生的影響成本巨大，其防護(hù)控制涉及設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)，需要從產(chǎn)品不同層級(jí)、不同要素、不同環(huán)節(jié)進(jìn)行管理控制：

1）飛機(jī)設(shè)計(jì)上要從源頭避免燃油箱應(yīng)用易產(chǎn)生污染物的產(chǎn)品，并且確認(rèn)能否容忍一定程度的污染；

2）生產(chǎn)制造與維護(hù)維修環(huán)節(jié)要控制人為或環(huán)境等引入污染物；

3）生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中需要持續(xù)監(jiān)控污染物的滋生，并控制其影響。