СТАНДАРТНЫЙ ОБРАЗЕЦ ДЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СМАЗЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТОПЛИВ ДЛЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ)
STANDARD SAMPLE FOR METROLOGICAL SUPPORT OF TESTS FOR MEASURING THE LUBRICITY OF JET ENGINE FUELS (VARIANTS)

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к стандартным образцам для измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей, и может быть использовано в качестве средства метрологического обеспечения методики выполнения измерений смазывающей способности топлив для реактивных двигателей в процессе их производства и применения.
Метрологическое обеспечение испытаний нефтепродуктов и топлив для реактивных двигателей в частности строится на базе аттестованных стандартных образцов, которые выступают в качестве средства измерений в виде определенного количества вещества или материала, предназначенное для воспроизведения и хранения размеров величин, характеризующих состав или свойства этого вещества (материала), значения которых установлены в результате метрологической аттестации, используемое для передачи размера единицы при поверке, калибровке, градуировке средств измерений, аттестации методик выполнения измерений [1 - ГОСТ 8.315-97 Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов].
Одним из ключевых эксплуатационных свойств топлив для реактивных двигателей является их смазывающая способность, то есть способность снижать силу трения, уменьшать износ и предотвращать задиры, заедание и сваривание сопряженных деталей машин и механизмов. В качестве величины, характеризующей смазывающую способность топлив для реактивных двигателей, как правило, принимают геометрические характеристики пятна износа, образующегося при взаимном перемещении той или иной пары трения в среде испытуемого топлива. При этом геометрические характеристики пятна износа существенно зависят от используемой методики измерения. Существует ряд методик измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей.
Известна методика измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей на аппарате ВОС-100, сущность которой заключается в перемещении испытательного кольца относительно аксиально расположенного стального шарика в среде испытуемого топлива. Испытательное кольцо вращается с фиксированной скоростью, а его частичное погружение в резервуар с испытуемым топливом поддерживает кольцо в смоченном состоянии и постоянно переносит испытуемое топливо в пространство между поверхностями шар/цилиндр [2 - ГОСТ Р 53715-2009 Топлива авиационные для газотурбинных двигателей. Метод определения смазывающей способности на аппарате шар-цилиндр (Bocle)].
Известна методика измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей на лабораторном стенде ПСТ-3, сущность которой заключается во взаимном перемещении шарика и кольца (трение качения с проскальзыванием) в среде испытуемого топлива. Оси вращения оправки с шариком и кольца лежат в одной вертикальной плоскости, причем ось вращения оправки в этой плоскости имеет отклонение от вертикальности. За счет этого создается крутящий момент, приводящий во вращение оправку и обеспечивающий качение шарика по кольцу. Оправка периодически притормаживается, в результате чего между шариком и кольцом создается режим трения качения с проскальзыванием [3 - СТО 08151164-0245-2017 Топлива для реактивных двигателей. Метод оценки противоизносных свойств на установке ПСТ-3. - М.: ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», 2017].
Образовавшееся в результате испытаний по данным методикам пятно износа оценивают по:
- диаметру пятна износа WSD, мм [2];
- ширине дорожки износа h, мм [3].
В настоящее время аттестация методик [2, 3] осуществляется путем контроля технических характеристик, что является малоэффективным -необходимо оценивать стабильность работы такого испытательного оборудования относительно какого-либо вещества или материала с известными измеряемыми характеристиками. При анализе источников научно-технической и патентной информации авторам не удалось выявить технические решения, которые можно использовать в качестве стандартных образцов при определении смазывающей способности топлив для реактивных двигателей по методикам [2, 3].
Таким образом, перед авторами стояла задача создания стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей, а также для аттестации применяемого испытательного оборудования (аппарата ВОС-100, лабораторного стенда ПСТ-3).
К стандартным образцам для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей предъявляются следующие требования: - химический состав стандартного образца должен быть адекватным химическому составу топлив для реактивных двигателей; - материал стандартного образца должен обеспечивать точное воспроизведение хранимых величин при последующих выпусках партий стандартного образца.
Были выявлены некоторые технические решения, наиболее близкие по технической сущности к изобретению.
Известны государственные стандартные образцы смазывающей способности дизельных топлив: СО ВСС 9981-2011 и СО НСС 9982-2011 (выпускаются в РФ АНО НПО «ИНТЕГРСО» и ООО «ИНТЕГРСО», представляют собой смесь индивидуальных углеводородов), а также СОССДТ-ПА 10874-2017 (выпускается в РФ ООО «Петроаналитика», представляет собой дизельное топливо по ГОСТ 305-2013 марки Л) [4 - https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/19. Дата обращения 08.06.2021 г.]. Известные стандартные образцы предназначены для определения смазывающей способности дизельных топлив по методам [5-ГОСРРИСО 12156-1-2012 Топливо дизельное. Определение смазывающей способности на аппарате HFRR. Часть 1. Метод испытаний, 6 - ASTM D 6079-18 Стандартный метод оценки смазывающей способности дизельных топлив на установке с высокочастотным возвратно-поступательным движением].
Однако топлива для реактивных двигателей существенно отличаются по составу от дизельных топлив, имеют различия в методиках определения смазывающей способности, в связи с чем использование стандартных образцов смазывающей способности дизельных топлив невозможно в качестве стандартных образцов смазывающей способности топлив для реактивных двигателей.
Как показала практика и анализ источников научно-технической и патентной информации, для каждого показателя качества нефтепродуктов применяется конкретный стандартный образец.
Известны композиции стандартных образцов микроконцентраций серы в нефти и продуктах ее переработки [7 - RU Патент №2405144, GO IN 33/22]; контроля определения содержания хлорорганических соединений в нефти [8, 9 - RU Патент №2311636, G01N 33/22; RU Патент №2313787, G01N 33/22]; контроля погрешности результатов определения йодного числа светлых нефтепродуктов [10 - RU Патент №2297628, G01N 33/22]; определения фракционного состава жидких углеводородных топлив [11 -RU Патент №2292041, G01N 25/00]; настройки и поверки приборов экспресс-контроля температур начала и конца перегонки светлых нефтепродуктов [12 - RU Патент №2030742, GO IN 31/00]; метрологического обеспечения испытаний автомобильных бензинов при оценке их склонности к образованию отложений на деталях форсунок [13 - RU Патент №2663154, G01N 33/22]. Перечисленные композиции стандартных образцов представляют собой смеси индивидуальных углеводородов, а также товарные нефтепродукты или отдельные фракции нефти.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является композиция стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению химической стабильности топлив для реактивных двигателей [14 - RU Патент №2747051, G01N 33/22]. Указанная композиция состоит из химически чистых углеводородов, взятых в соотношении, (% масс): декалин (48-67), 1-децен (2-18), н-ундекан (остальное).
Указанные композиции стандартных образцов предназначены только для использования в конкретных методиках выполнения измерений, указанных в соответствующих патентных документах, а также в паспортах стандартных образцов, и имеют отличия по среднему химическому составу от топлив для реактивных двигателей, вследствие чего стандартные образцы смазывающей способности топлив для реактивных двигателей должны разрабатываться индивидуально.
Технический результат изобретения - расширение номенклатуры стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний нефтепродуктов, повышение достоверности результатов измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей и сокращение продолжительности процесса аттестации аппарата ВОС-100 и лабораторного стенда ПСТ-3, на которых определяют смазывающую способность топлив для реактивных двигателей.
Указанный технический результат достигается тем, что в стандартных образцах для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей, содержащих химически чистые углеводороды 1-децен или н-ундекан, согласно изобретению, каждый стандартный образец содержит 100,0% масс, или 1-децен, или н-ундекан.
Суть изобретения заключается в том, что в качестве стандартных образцов предлагается использовать индивидуальные углеводороды различного строения - в частности или 1-децен - 100% масс, или н-ундекан - 100% масс, которые выпускаются промышленностью Российской Федерации для применения на предприятиях химической промышленности в качестве сырья при получении сложных химических соединений, в фармацевтической промышленности при производстве лекарственных препаратов, в лабораториях для анализа.
Авторы провели исследование для подтверждения возможности использования указанных индивидуальных углеводородов в качестве стандартных образцов смазывающей способности топлив для реактивных двигателей.
Состав стандартных образцов смазывающей способности топлив для реактивных двигателей должен быть подобран таким образом, чтобы обеспечить попадание аттестованного значения в диапазон измерений оценочного показателя смазывающей способности (таблица 1 настоящего изобретения). Диапазон измерения оценочного показателя «ширина дорожки износа, h» зафиксирован в [3]. Диапазон измерений показателя «диаметр пятна износа, WSD» был выбран на основе значений смазывающей способности эталонных жидкостей по [2] с нижней границей, соответствующий значению оценочного показателя жидкости А, и верхней -жидкости Б.
Показатели смазывающей способности 1-децена и н-ундекана представлены в таблице 2 настоящего изобретения.
Качественный состав стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей обусловлен тем, что на смазывающую способность топлив оказывает влияние строение органических соединений. Выбранные углеводороды являются соединениями, присутствующими в составе топлив для реактивных двигателей, что подтверждено исследованиями индивидуального и группового состава топлив для реактивных двигателей, выпускаемых по различным технологиям [15 - Яновский Л.С., Дубовкин Н.Ф., Галимов Ф.М. и др. Инженерные основы авиационной химмотологии. -Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2005. С.210-227].
Каждый из стандартных образцов смазывающей способности топлив для реактивных двигателей представляет собой индивидуальный углеводород [16 - Химическая энциклопедия в пяти томах. Издательство «Советская энциклопедия», 1990]:
1-децен - прозрачная бесцветная жидкость, имеющая плотность 741 кг/м, температуру плавления - минус 66,3°С, температуру вспышки 49°С;
н-ундекан - прозрачная жидкость, имеющая плотность 756 кг/м, при охлаждении до температуры минус 26°С превращается в воскообразное белое вещество, температура вспышки 60°С.
Образцы подвергали лабораторным испытаниям по методике [2], согласно которой в испытуемый образец помещают неподвижно закрепленный стальной шарик, прижатый к аксиально закрепленному стальному кольцу прилагаемой нагрузкой. Испытательный цилиндр вращается с фиксированной скоростью при частичном погружении в резервуар с испытуемым образцом [2]. Также образцы подвергали лабораторным испытаниям по методике [3], согласно которой в испытуемый образец помещают взаимно перемещающиеся стальной шарик и кольцо (трение качения с проскальзыванием) [3]. Во время испытаний по методикам [2, 3] на шарике образуется пятно износа, по геометрическим характеристикам которого судят о противоизносных свойствах топлив для реактивных двигателей.
Показатели смазывающей способности прототипа, представленные в таблице 3, выходят за границы диапазона измерений по методикам [2,3] (таблица 1), в связи с чем его невозможно использовать в качестве стандартного образца смазывающей способности топлив для реактивных двигателей.
Для обоснования состава стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей была исследована смазывающая способность индивидуальных углеводородов, наиболее характерных для топлив для реактивных двигателей. Результаты испытаний представлены в таблице 4.
Как следует из результатов испытаний, представленных в таблице 3, все исследуемые индивидуальные углеводороды соответствуют диапазону измерения показателей смазывающей способности (см. таблицу 1 настоящего изобретения). Максимальное значение показателей смазывающей способности (ширины дорожки износа h и диаметра пятна износа WSD) принадлежит углеводороду алканового ряда с одиннадцатью атомами углерода - н-ундекану. Минимальные значения диаметра пятна износа WSD принадлежат 1 - метилнафталину (0,535 мм) и 1-децену (0,569 мм), однако величина ширины дорожки износа h у них значительно отличается (1,204 мм у 1-метилнафталина и 0,948 мм у 1-децена).
В связи с этим, в качестве стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей были индивидуальные углеводороды с крайними значениями показателей смазывающей способности - образцы №1 и 3 (таблица 3), содержащие 100% масс.1-децена или н-ундекана.
Таким образом, качественный и количественный состав стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей подтвержден результатами испытаний (таблица 4).
В зависимости от нефтехимического завода-производителя срок годности индивидуальных углеводородов, используемых при изготовлении стандартных образцов, может отличаться. Для определения срока хранения стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей было проведено изохорное исследование стабильности образцов №1 и 3 (таблица 4) [17 - РМГ 93-2015 Государственная система обеспечения единства измерений. Оценивание метрологических характеристик стандартных образцов. - М.: Стандартинформ, 2016. - 32 с.].
0
1
При изохорном исследовании стабильности применяют метод «ускоренного старения», в соответствии с которым 10 экземпляров стандартных образцов выдерживают в климатической камере тепла при повышенной температуре (77°С). Продолжительность исследования стабильности т оценивали по формуле  где Т - предполагаемый срок годности экземпляра стандартного образца (365 дней); t, t - температура хранения материала образца (25°С) и температура хранения образца при ускоренном старении (77°С). При выборе метода ускоренного старения опирались на правило Вант-Гоффа для медленных реакций: скорость реакции при нагреве на 10°С увеличивается в 2-4 раза.
Каждый день из климатической камеры отбирали по одному стандартному образцу и проводили испытания по измерению его смазывающей способности. Полученные значения смазывающей способности состаренного образца сравнивали с аттестованными значениями стандартного образца с учетом границ погрешности. Аттестованные значения стандартного образца и границы погрешности аттестованного значения определяли также в соответствии с [17].
Результаты измерений смазывающей способности 10 экземпляров стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей №1 и 3 (по таблице 4), выдержанных в течение различного времени при 77°С, а также аттестованные значения и границы погрешности аттестованных значений стандартных образцов приведены в таблице 5 настоящего изобретения.
Отклонения результатов испытаний стандартных образцов, выдержанных при повышенной температуре, от аттестованного значения оказались в интервале границ погрешности аттестованного значения (таблица 5). Таким образом, минимальный срок хранения стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей принят один год.
Срок годности стандартных образцов с сохранением их свойств - не менее одного года - обеспечен использованием нелетучих компонентов с температурами кипения в интервале 170-196°С (таблица 2 настоящего изобретения).
Полученные стандартные образцы для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей хранятся во флаконах из темного стекла с уплотнительной крышкой объемом 500 мл при обычных условиях (температура не выше 25°С) и используются по мере необходимости для аттестации испытательного оборудования. Гарантия - один год.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования разработанных стандартных образцов для метрологического обеспечения испытаний по измерению смазывающей способности топлив для реактивных двигателей по [2, 3].
Изобретение осуществимо и воспроизводимо, а существенные признаки изобретения (качественный и количественный состав), приведенные в формуле изобретения и подтвержденные результатами испытаний, позволяют повысить достоверность ранжирования топлив для реактивных двигателей по уровню смазывающей способности за счет приближения значений показателей смазывающей способности стандартных образцов к аналогичным показателям топлив для реактивных двигателей.
Настоящее изобретение создает техническую основу для воспроизведения, хранения и передачи величин, характеризующих смазывающую способность топлив для реактивных двигателей.
Применение изобретения позволяет проводить аттестацию и осуществлять контроль показателей точности методик измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей по [2, 3], проводить аттестацию испытательного оборудования, используемого для измерения смазывающей способности топлив для реактивных двигателей, контролировать точность результатов измерений по [2, 3], проверять компетентность испытательной лаборатории в процессе аккредитации, проводить межлабораторные сравнительные испытания для проверки квалификации испытательных лабораторий.