飞机燃油系统的微生物污染与腐蚀
Microbial Contamination and Corrosion in Aircraft Fuel System
通讯作者: 丁磊,E-mail:dinglei601@163.com,研究方向为飞机燃油系统微生物防治
收稿日期: 2021-11-19 修回日期: 2021-12-15
Corresponding authors: DING Lei, E-mail:dinglei601@163.com
Received: 2021-11-19 Revised: 2021-12-15
作者简介 About authors
李征鸿,男,1978年生,硕士,研究员
结合微生物生长繁殖所必需的水、营养物、温度及酸碱度等条件,对飞机燃油在生产、运输、储存及飞机日常使用维护过程中可能出现微生物污染原因进行分析;结合燃油系统中微生物生长繁殖特性,总结了微生物对燃油性能、油箱结构、油泵/油滤以及非金属材料的危害作用。此外,对比分析了现有飞机燃油系统微生物检测方法及其标准,并对国外飞机燃油系统微生物预防措施及流程进行分析。本综述将为我国今后飞机燃油系统微生物污染检测及预防等工作提供理论基础及研究方向,并在工程应用方面起到指导性作用。
关键词:
The possible causes for the microbial contamination of aircraft fuel during the process of manufacturing, transportation, storage, and daily use and maintenance of aircraft are summarized and analyzed by taking the prerequisite for microbial growth and reproduction, namely water, nutrients, temperature, and pH etc. into consideration. The effect of the existing microorganisms on the fuel performance, fuel tank structure, fuel pump/oil filter, and non-metallic materials are also summarized in terms of the growth and reproduction characteristics of microorganisms in the fuel system. In addition, we comparatively analyzed the existing methods and standards related with the detection of microorganisms for the aircraft fuel systems. Finally, the prevention methods and processes against microbes are also analyzed. This review will provide a theoretical basis and research direction for the detection and prevention in microbial contamination in aircraft fuel system, while play a guiding role for engineering application.
Keywords:
本文引用格式
李征鸿, 张志超, 丁磊, 隋青云, 胡小兵, 李察.
LI Zhenghong, ZHANG Zhichao, DING Lei, SUI Qingyun, HU Xiaobing, LI Cha.
燃油系统作为飞机整体中至关重要的组成部分,要具备贮存满足飞机航时、航程需求量的燃油能力;并按规定顺序在地面及所有飞行姿态下连续有效地提供满足发动机使用需求的燃油。因此,飞机燃油系统的清洁度会影响发动机工作性能和使用寿命,并且直接危害飞机使用安全。
飞机燃油系统污染源主要包括水污染和杂质污染两大类,其中由水污染造成的微生物污染发生概率最高,且危害最为严重。飞机燃油系统微生物主要通过飞机油箱通气增压或日常维护过程进入的空气所带入,主要包括细菌和真菌 (霉菌和酵母菌等)[1-7]。飞机燃油在生产、运输、储存及使用过程中混入的水分为这些微生物提供生长繁殖所必需的水源;飞机燃油、添加剂和非金属材料为这些微生物提供碳源、氮源及其它微量元素,在温度和酸碱度适宜的条件下,这些微生物在燃油与水交界面迅速繁殖生长[8-11];当微生物繁殖生长达到一定程度的时候,会带来飞机燃油性能下降、腐蚀飞机油箱结构、堵塞油泵和气滤、腐蚀油箱内非金属材料等危害,最终影响飞行安全。
1 微生物污染形式
飞机燃油系统污染微生物生存在燃油与水的交界面中,污染微生物以飞机燃油、添加剂和油箱内橡胶材料为营养物质,在温度及水分等条件合适的时候,微生物就会迅速繁殖生长。
1.1 航空油箱内沉积水引起的微生物污染
图1
1.2 航空油箱内营养物引起的微生物污染
除了碳源以外,氮源也是供给微生物生命活动的必要营养元素。微生物生长所需氮源来自于燃油添加剂和油箱内非金属材料。为了提高燃油性能,燃油中会添加各种添加剂,微生物通过分解一些含硫添加剂来获取氮源;同时微生物也能通过分解油箱内非金属材料,如腈橡胶、聚氨酯泡沫等物质,来获取所需氮源[8]。
除了碳源和氮源两类主要的必备营养元素之外,微生物生长所需其它微量元素主要来自于燃油油液本身,如钾、硫酸盐和磷酸盐[10]等能在大容积燃油中通过油隔膜效应在水中得到浓缩,从而为微生物提供钾、硫、磷等微量元素。
1.3 航空油箱内温度及酸碱度变化引起的微生物污染
由于飞机燃油系统中污染微生物主要包括细菌和真菌 (霉菌和酵母菌等),都可以在不同温度下存活,当温度过低时,微生物会进入休眠状态,一旦温度适宜便会重新开始生长繁殖[24]。大部分细菌适宜生长温度为2~30 ℃,霉菌适宜生长温度为27~29 ℃,酵母菌适宜生长温度为25~28 ℃,而飞机日常使用及停放环境温度基本全覆盖这三种主要微生物适宜生长温度,因此飞机燃油系统中微生物会在适宜温度时迅速生长繁殖,其余温度下生长减慢或休眠[9]。此外,大部分微生物能够在一个相当宽泛的酸碱度范围内生长繁殖,如细菌适宜酸碱度为:pH=6.5~8.0,霉菌适宜酸碱度为:pH=4.0~5.8,酵母菌适宜酸碱度为:pH=3.8~6.0,由此可见微生物对酸碱度要求并不严格,因此飞机燃油系统酸碱度适宜于大部分微生物生长。
2 微生物污染危害
2.1 降低燃油性能
飞机燃油系统中的碳氢化合物和燃油添加剂会被微生物蚕食分解,微生物生长代谢产生水,提高了燃油中水分含量;硫酸盐还原菌代谢产物会增加燃油中硫元素的含量,使燃油出现银片腐蚀不合格问题;微生物代谢生长繁殖产物分散于燃油中,增加燃油悬浮颗粒,其中部分代谢产物会使燃油乳化,微生物细胞会进入油相生成粘泥。微生物可以通过团簇形成生物被膜等方式,来截留燃油油液中水分,导致排水不完全。以上方面都会导致燃油性能下降,并最终影响飞行安全[27]。
2.2 腐蚀油箱结构
受腐蚀油箱结构如图2所示,油箱受到腐蚀侵害后表面会呈现出明显的腐蚀斑痕,并有相应的腐蚀产物富集。飞机油箱结构一旦受到腐蚀,会导致结构强度降低,严重的造成油箱壁板穿孔,导致燃油泄露,甚至引起飞机失火。
图2
2.3 堵塞泵和油滤
图3
2.4 降解非金属材料
飞机燃油系统微生物形成团簇,进入迅速生长繁殖阶段时,需要大量氮源,其中一部分氮源来自于微生物对油箱内非金属材料如:腈橡胶、聚氨酯泡沫等物质分解得到。由于飞机油箱内所填充泡沫为聚氨酯材料,因此微生物的生长繁殖对聚氨酯泡沫产生破坏,严重时会导致泡沫水解、碎裂成泡沫渣,不仅严重破坏填充材料的过滤功能,更会堵塞燃油管路。飞机油箱中聚氨酯泡沫降解后分别如图4所示。
图4
3 微生物污染检测方法
检测飞机燃油系统污染度常用方法有过滤及培养法、间接检测法和设备检测法等。目前被国际公认使用的两种过滤及培养方法为:好氧微生物成分和沸点低于390 ℃的油料组成测定 (IP385) 和液体油料中细菌及真菌标准操作 (D6974)[13]。但由于过滤及培养方法需要严格无菌操作环境、熟练操作技能和繁琐操作流程,一般难于在飞机维护部门完成。
由于污染微生物会对飞机燃油油液很多特性产生影响,间接检测法主要利用此特点,通过对燃油油液外观、过滤性、固体颗粒含量、表面张力、铜片腐蚀性、化学组成和Cl-浓度等指标变化,间接判断飞机燃油系统是否发生微生物污染。由于其指标无法量化所带来检测结果的不确定性,因此未在飞机维护部门得到广泛应用[30]。
表1 燃油微生物污染检测方法对比
Table 1
Method | Microbial species | Testing time | Oil phase | Aqueous phase | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Mild | Moderate | Severe | Mild | Moderate | Severe | ||||
Microbe Monitor2 CFU·L-1 | Fungus, Mold, Yeast, M. resinae, Mildew mycelium, Mold spores | 1-5 d | ≤4000 | 4000-20000 | ≥20000 | ≤1000 | 1000-10000 | ≥10000 | |
Easicult combi CFU·L-1 | Fungus, Mold, Yeast, M. resinae, Mildew mycelium, Mold spores | 1-5 d | ≤4000 | 4000-20000 | ≥20000 | ≤1000 | 1000-10000 | ≥10000 | |
FUELSTAT resinae µ·L-1 | M. resinae, Mildew mycelium | 10 min | ≤150 | 150-750 | ≥750 | ≤33 | 33-166 | ≥166 | |
HY-LITE jet A1 RLU·L-1 | Fungus, mold, yeast, M. resinae, Mildew mycelium, Anaerobic microorganisms | <10 min | ≤1000 | 1000-5000 | ≥5000 | ≤1000 | 1000-5000 | ≥5000 |
其中,Microbe Monitor2检测法[31]可以对燃油和水中真菌、霉菌和酵母菌进行定量测试。具体检测过程为:用注射器将燃油或水样本注入到营养凝胶体中,晃动凝胶试剂瓶,使凝胶溶解、样本充分分散于凝胶中,之后放于薄层中,让微生物在营养凝胶中生长1~4 d,待产生肉眼可见紫色菌落,便可对样本进行定量分析。
Easicult combi检测法可以对水中真菌、霉菌和酵母菌进行半定量测试。具体检测过程为:将涂匀一层微生物生长媒介的载片放入水样本中,之后取出放入消毒的试管和细菌培养器中1~4 d,待载片上生长出肉眼可见的微生物菌落,与标准参照图进行对比半定量分析。
HY-LITE jet A1可以检测燃油和水中ATP总量。将1 mL蓝色capture溶液滴入燃油和水样本中,摇晃使其混合均匀,静置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笔进行化验,ATP含量通过HY-LITE光学仪检测后,结果可以通过RLU (相对光学单位) 定量表示,由于单次检测时间少于10 min,因此被广泛应用[32]。
4 微生物污染预防
目前,国内军机系统尚无完整关于微生物检测及预防规范,民航所普遍采用的是根据美国航空运输协会ATA100规范编制的飞机维护手册 (AMM)。为预防飞机燃油系统微生物污染,应在飞机生产及使用过程中采取如下措施:
(1) 从飞机油箱内部结构设计入手,使得油箱内水可以通过排水孔汇集到油箱低点,最终可以由沉淀活门放出机外,减少油箱内水含量[33]。
(2) 制定针对性飞机燃油系统微生物检测流程。空中客机公司结合飞机维护手册 (AMM) 制定了微生物检测及维护流程,具体流程如图5所示。
图5
(3) 按照燃油系统维护规程进行油箱油液循环。油液循环能够降低油箱内沉积水含量,并降低微生物附着于油箱结构的可能性。
(4) 使用相应燃油杀菌剂[34]。杀菌剂选用要求为:能够充分溶解于燃油和水中;对飞机发动机燃烧性能无影响;对燃油性质无影响;毒性可接受;具有广泛抗菌谱。根据以上原则选取适当杀菌剂对飞机燃油系统微生物进行预防。
5 结论与展望
(1) 由于微生物生长繁殖所必须条件有:水、营养物、适宜温度及酸碱度等,而飞机燃油、添加剂及非金属材料可以为微生物提供营养物,且微生物对酸碱度要求并不敏感,因此飞机燃油系统污染微生物主要原因是由于燃油生产、运输、储存及飞机日常使用维护中混入水分,最终在适宜的温度条件下导致燃油系统微生物污染。
(2) 飞机燃油系统微生物污染将带来燃油性能降低、油箱结构腐蚀、泵及燃油滤堵塞和油箱内非金属材料腐蚀等危害。
(3) 目前,我国民航对于微生物污染预防方法主要来源于美国航空运输协会ATA100规范,军机则缺少相关检测与预防标准和规范。因此,提出适用于军机,且更为高效的微生物污染检测与预防方法是当务之急。
参考文献
Biofilm formation and persistence on abiotic surfaces in the context of food and medical environments
[J]. ,The biofilm formation on abiotic surfaces in food and medical sectors constitutes a great public health concerns. In fact, biofilms present a persistent source for pathogens, such as Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus, which lead to severe infections such as foodborne and nosocomial infections. Such biofilms are also a source of material deterioration and failure. The environmental conditions, commonly met in food and medical area, seem also to enhance the biofilm formation and their resistance to disinfectant agents. In this regard, this review highlights the effect of environmental conditions on bacterial adhesion and biofilm formation on abiotic surfaces in the context of food and medical environment. It also describes the current and emergent strategies used to study the biofilm formation and its eradication. The mechanisms of biofilm resistance to commercialized disinfectants are also discussed, since this phenomenon remains unclear to date.
Community dynamics and phylogenetics of bacteria fouling Jet A and JP-8 aviation fuel
[J]. ,
Fuel biodegradation and molecular characterization of microbial biofilms in stored diesel/biodiesel blend B10 and the effect of biocide
[J]. ,
Microbial production of rhamnolipids: opportunities, challenges and strategies
[J]. ,
Research progress on mildew induced corrosion of al-alloy
[J]. ,
铝合金霉菌腐蚀研究进展
[J]. ,
Growth study and hydrocarbonoclastic potential of microorganisms isolated from aviation fuel spill site in Ibeno, Nigeria
[J]. ,
Robust multiplex quantitative polymerase chain reaction assay for universal detection of microorganisms in fuel
[J]. ,
Effect of culture medium on microbiologically influenced corrosion
[J]. ,
培养基对微生物腐蚀的影响
[J]. ,
Water content, temperature and biocide effects on the growth kinetics of bacteria isolated from JP-8 aviation fuel storage tanks
[J]. ,
Calamity of microorganism in ariation fuel system
[J]. ,
航空燃油系统的微生物灾害
[J]. ,
Mechanism of microbial corrosion in aircraft aluminum tank
[J]. ,
飞机铝合金油箱微生物腐蚀机理
[J]. ,
Characterization of microbial contamination in United States air force aviation fuel tanks
[J]. ,
Microbial contamination of Bulgarian aviation fuel
[J]. ,
Microbial contamination in aviation fuel
[J]. ,
浅析航空燃油中的微生物污染
[J]. ,
Aviation kerosene and prevention of microbial contamination
[J]. ,
航空煤油中微生物污染及防治
[J]. ,
Microbial hazards of jet fuel and counter measures
[J]. ,
喷气燃料的微生物危害及对策
[J]. ,
Microbial corrosion and control of aircraft integral fuel tanks
[J]. ,
飞机整体油箱的微生物腐蚀及其控制
[J]. ,
Impact of temperature on growth and reproduction of Microbiology in jet fuel
[J]. ,
温度对航空煤油中微生物生长繁殖的影响
[J]. ,
Microbial corrosion of aircraft integral fuel tanks and related maintenance
[J]. ,
飞机整体油箱的微生物腐蚀及维护
[J]. ,
Thermal nondestructive testing of corrosion in aviation aluminum panels and data processing algorithms
[J]. ,
飞机铝板腐蚀的热无损检测及数据处理方法
[J]. ,用红外热像无损检测技术对飞机铝合金板背面的腐蚀进行无损评估,分析试验系统的腐蚀探测能力,检验理论分析和一些数据处理方法的有效性。检测对象包括参考试件和存在自然腐蚀的真实飞机结构件。在检测参考试件上的以机制平底孔加化学腐蚀处理而制作的替代腐蚀缺陷时,时间域傅里叶变换法可获得最高的信噪比(SNR),在1.8 mm铝板上直径大于10 mm的各个缺陷区,腐蚀探测极限的估计值约为10%。对带有自然腐蚀的飞机铝合金件的检测表明,原始热像或简单处理算法,如时间平均,就能提供很高的SNR值。而一些先进处理算法,如脉冲相位法(PPT)、主分量分析(PCA)、多项式拟合和相关分析,在检测飞机铝板的自然腐蚀时其有效性值得怀疑。用三维传热数值计算对飞机铝试件的热无损检测进行了理论分析,所得到的理论温度分布及其变化过程与实测值相近。对一维腐蚀表征方法在航空铝板检测中的有效性进行了检验,证明该方法是有效的。
Corrosive behavior of 7075-T6 aluminum alloy as plane fuel tank material in accumulative water environment
[J]. ,
飞机油箱用材7075铝合金在积水环境中的微生物腐蚀规律
[J]. ,
Microoganism, the Formidable enemy of jet fuel
[J]. ,
航空燃料的大敌—微生物
[J]. ,
Fuel contamination prevention and maintenance actions
[J]. ,
燃油污染预防与维护措施
[J]. ,
Study on microbial contamination of military aircraft fuel
[J]. ,
军机燃油微生物污染的研究
[J]. ,
Fatigue life degenerating rule of pre-corroded aviation aluninun alloy
[J]. ,
航空铝合金预腐蚀疲劳寿命退化规律
[J]. ,
Determination of microbial damage caused by oxygen free radicals, and the protective role of superoxide dismutase
[J]. ,
Profiling the microbial contamination in aviation fuel from an airport
[J]. ,
Researches of the influence of microorganism in aircraft fuel system
[D].
飞机燃油系统中微生物的影响研究
[D].
Lysing agents for characteristic polluting microorganisms in jet fuels
[J]. ,
喷气燃料特征污染微生物裂解剂探索
[J]. ,
Introduction to microbiological contamination in aircraft fuel system
[J]. ,
飞机燃油系统中微生物的污染
[J]. ,
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