§ 3.6. Влияние топлив на коррозионный износ

Наличие в топливе химически активных соединений обусловлива­ет его коррозионную агрессивность по отношению к металлам и отрицательное воздействие на ряд неметаллических материалов, за­ключающееся в изменении их геометрических размеров или ме­ханических характеристик. Под коррозионной агрессивностью топлива понимается свойство топлива или продуктов его сгорания вызывать при контакте с металлами их коррозию.

Коррозионная агрессивность топлив определяется стандартными методами по потере массы, отнесенной к единице поверхности ме­таллической пластинки, находящейся в топливе в заданных условиях в течение определенного времени. Коррозионную агрессивность выражают в г/м². К коррозионно-агрессивным веществам, находящимся в топливе, в первую очередь относят водорастворимые кислоты (в том числе кислоты, образующиеся при гидролизе галоидных выносителей этилированных бензинов) и щелочи, гетероорганические кислородные и сернистые соединения.

Наличие в топливе воды интенсифицирует его коррозионную агрессивность. Особенно подвержены коррозии смесью воды с топливом малолегированные стали. Образующиеся при этом продук­ты коррозии (коричневые хлопья гидроокиси железа) нерастворимы в топливе и выпадают в осадок.

Таблица 3.7

Водорастворимые кислоты и щелочи оказывают сильное кор­розионное воздействие на металлы, поэтому их наличие в автотрак­торных топливах недопустимо. Проверка производится качественно с помощью индикаторов (метилоранжа и фенолфталеина).

К гетероорганическим кислородным соединениям (ОКС относят нафтеновые кислоты, фенолы и широкую группу кислородных со­единений других составов.

В табл. 3.7 даны результаты 500-часовых испытаний двигателя ЯАЗ-204 на топливах с различной кислотностью. Из табл. 3.7 сле­дует, что с ростом кислотности топлива увеличивается износ двига­теля.

Интенсивность коррозии, вызываемой ОКС, зависит от вида ме­талла (наиболее подвержены коррозии цветные металлы — медь, свинец, магний и их сплавы) и группового состава топлива. Например, в среде ароматических углеводородов коррозия магния в 2 раза меньше, чем в алканах.

Контроль за содержанием ОКС осуществляется по кислотности топлива. Накопление смол в топливе происходит параллельно с увеличением содержания ОКС и соответственно возрастанием кор­розионной агрессивности. Содержание фактических смол достигает предельных значений до того, как коррозионная агрессивность топлив становится недопустимой. Поэтому контроль и ограничение применения топлив по фактическим смолам одновременно исключа­ют возможность применения топлива, обладающего заметной кор­розионной агрессивностью по содержанию ОКС (по кислотности).

Активные сернистые соединения (элементная сера, меркаптаны, сероводород) обладают высокой коррозионной агрессивностью, поэто­му товарные топлива для ДВС не должны их содержать. Наличие активной серы проверяется качественно по появлению налетов на медной пластинке, опущенной в топливо (проба на медную пластинку).

Основная масса содержащихся в нефти гетероорганических кислородных и сернистых соединений имеет температуру кипения выше 200°С. Следовательно, они переходят в полуфабрикаты, используе­мые для получения дизельных топлив. Эти топлива содержат таких соединений в 3 —5 раз больше, чем бензины.

К оррозионный износ топливоподающей аппаратуры дизелей в значительной степени обусловлен наличием в топливе меркаптанов, поэтому содержание меркаптанов нормируется заданием допустимого содержания меркаптановой серы. Меркаптановой серой называют долю топлива, выраженную в процентах, которая приходится на имеющуюся в меркаптанах серу. Содержание меркаптановой серы определяется методом потенциометрического титрования азот­нокислым аммиакатом серебра.

Неактивные сернистые соединения (сульфиды, дисульфиды, и др.), находясь в жидком топливе, практически не обладают кор­розионной агрессивностью. Их вредное влияние проявляется при

повышении температуры топлива свыше 120 — 150 С, когда они распадаются с образованием активных сернистых соединений. При сгорании топлива в двигателе происходит разрушение не­активных сернистых соединений с образованием соответствующих оксидов. Образующиеся продукты интенсифицируют износ двигателя в тем большей степени, чем боль­ше серы содержится в топливе (рис. 3.54) и чем ниже темпера­тура охлаждающей жидкости.

Наибольшей коррозионной аг­рессивностью обладают серный SO₃ и сернистый SO₂ ангидриды. Кор­розионная агрессивность SО₃ зна­чительно выше, чем SO₂, но SО₃ образуется в меньших количест­вах, чем SO₂. С увеличением ко­эффициента избытка окислителя в рабочей смеси относительное ко­личество SO₃ возрастает.

П ри рассмотрении коррозионного воздействия топлив, содер­жащих соединения серы и галогеноводородные соединения, различа­ют газовую (высокотемпературную) и электрохимическую (низкотемпературную) коррозию. Газовая коррозия обусловлена воз­действием находящихся в газовой фазе серного и сернистого ан­гидридов, а также бромистого водорода; электрохимическая коррозия — воздействием кислот, образующихся при растворении этих соединений в воде, конденсирующейся из паров на поверхно­стях двигателя, имеющих температуру ниже точки росы. Элект­рохимическая коррозия вызывает больший износ, чем газовая, и поэтому является наиболее опасной.

Таким образом, при высоких температурах происходит газовая коррозия (рис. 3.55, зона II), при низких — электрохимическая (рис. 3.55, зона I). Су­ществует температура t_КР, при которой скорость коррозии минмальна. Откло­нение от t_КР вызывает увеличение ско­рости коррозии. Так как интенсивность роста и абсолютная величина электрохимической коррозии больше, чем газовой, то температурным режим охлаждения двигателя должен выбраться по t_КР с возможными отклонениями в сторону большей температуры, соответствующей гарантированной работе в условиях газовой коррозии, т.е. при меньших износах двигателя (зона t_опт).

Усиленному низкотемпературному коррозионному износу подвергаются элементы двигателя, работающие при относительно низких температурах, например стенки цилиндра в наиболее интенсивно охлаждаемых зонах, детали, расположенные в картере двигателя (в особенности шейки и вкладыши коленчатого вала). Смешиваясь с моторным маслом, кислоты оказывают коррозионное воздействие практически на все подвижные элементы двигателя. Наибольшие коррозионные износы отмечаются при работе двигателя на низкотемпературных режимах (зимой, с частыми остановками и большими интервалами между пусками, работа с малой нагрузкой и т.п.).

Контроль количества содержащихся в топливе неактивных сернистых соединений (неактивной серы) осуществляется по имеющейся в них сере, для чего в стандартном приборе (рис. 3.56) сжигают определенную порцию топлива, улавливают образовавшиеся оксиды серы и пересчетом устанавливают количество серы (в процентах) от массы сгоревшего топлива.

Различные двигатели обладают разной чувствительностью к сернистой коррозии (рис. 3.57). При проектировании двигателя воз­можность коррозионного износа необходимо учитывать путем выбора достаточно коррозионно-стойких материалов для деталей, наиболее подверженных коррозионному износу. Например, хромирование верхних компрессионных колец и изготовление гильз цилиндра из хромкремнистого чугуна позволило более чем в 2 раза уменьшить износ этих деталей на одном из типов двигателя.

Углеводородное топливо (в особенности ароматические углеводо­роды) является растворителем для многих конструкционных неме­таллических материалов (резины, герметики, пластмассы и т.п.). При достаточно длительных контактах топлива (а в ряде случаев и его паров) с этими материалами возможно нарушение их гео­метрических размеров («набухание» или «размывание»), растворение содержащихся в них компонентов, изменение химического состава и механических характеристик. Поэтому неметаллические материалы (в первую очередь резина) должны испытываться на совместимость (стойкость) с контактирующим с ними топливом и его парами. Резины, удовлетворяющие требованиям стойкости под воздействием углеводородных топлив и масел, называют бензомаслостойкими.

Борьба с коррозионной агрессивностью топлив осуществляется также мероприятиями, направленными на исключение (или умень­шение времени) работы двигателя и его отдельных элементов на низкотемпературных режимах и введением в моторные масла и топливо противокоррозионных присадок.

Противокоррозионным присадки (ингибиторы коррозии) — это вещества, добавляемые к топливу для снижения всех видов коррозии

металлов. Один из наиболее распространенных видов противокор­розионных присадок — это защитные присадки, добавляемые к топливу для снижения электрохимической коррозии. В зависимости от строения и свойств противокоррозионных присадок механизм их действия может заключаться в создании на поверхности металла защитных адсорбированных (ингибиторы адсорбционного действия), хемосорбированных (ингибиторы хемсорбционного действия) пленок либо в химической нейтрализации имеющихся в топливе коррозионно-агрессивных веществ. Пассивная защита от коррозионного воздействия жидких топлив осуществляется путем нанесения на кон­тактирующие с топливом металлические поверхности лакокрасочных и пластиковых покрытий. Например, покрытие на основе пено­полиуретана высокой плотности наряду с хорошими защитными свойствами обладает низкой теплопроводностью, что обеспечивает стабильную температуру топлива в баках и трубопроводах.

В качестве противокоррозионных присадок, нейтрализующих про­дукты сгорания серы, к топливу добавляются щелочные соединения — аммиак и его соли, нитраты и карбонаты щелочных металлов.

Под защитной способностью топлив понимают совокупность свойств определяющих способность этот топлива защищать от коррозии конструкционные материалы при воздействии на них коррозионно-агрессивных сред (например, воды). При достаточно длительных перерывах в работе двигателя рабочие поверхности аг­регатов системы топливоподачи подвергаются коррозии из-за попа­дания на них воды (конденсация атмосферной влаги, негерметичность системы охлаждения и т.п.). Например, в дизелях коррозии подвергаются прецизионные поверхности трения топливоподающей аппаратуры. Защитная способность топлив определяется их способностью образовывать на поверхности металла адсорбирован­ную пленку и физической стабильностью этой пленки. Главную роль в образовании таких пленок играют поверхностно-активные вещест­ва, обладающие полярными молекулами. Для улучшения защитных свойств топлив в них вводят защитные присадки.

Механизм действия защитных присадок основан на торможении процессов электрохимической коррозии вследствие вытеснения воды с поверхности металла. В качестве защитных присадок используют вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами из ряда жирных кислот, эфиров, диэфиров и т.п. В защитных присадках отечественного производства используют нефтяные сульфонаты и нитрованные масла, обладающие высокими поверхностно-активными свойствами.

Для борьбы с коррозионной агрессивностью дизельных топлив, содержащих повышенное количество серы, в моторные масла вводят щелочные присадки, нейтрализующие кислотные соединения, обра­зующиеся при сгорании этих топлив.