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。

微生物主要生活在油和水的界面上,以碳氢化合物为食。微生物主要是通过堵塞和腐蚀危害燃油系统。随着飞机燃油系统的微生物污染问题日剧严重,国际航空界对此问题的研究也逐渐深入。国际航空运输协会 (IATA) 于2005年颁布了《飞机油箱微生物污染指南材料》[12],美国材料与试验协会 (ASTM) 发布了《燃油和燃油系统微生物污染指南》,并形成了完整成熟的检测、分级处理流程方法[13]。但目前国内对此问题研究尚处于起步阶段,本文期待对我国飞机燃油系统微生物污染检测与预防技术的工程应用有所帮助。

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

水是微生物机体的重要组成部分,由于微生物没有特殊摄取食物和排泄的器官,并且微生物所需的营养物质和其代谢产物都需要溶于水,再通过其细胞表面进行物质交换,因此飞机燃油系统微生物主要生长繁殖在油水交界面处[14-16]。如图1所示,细菌趋向于在燃油跟水的界面处聚集生长。由此可见,水是微生物生长的必要条件,也是飞机燃油系统污染主要来源。

图1   微生物生长位置示意图[16]

飞机燃油中水分主要来源于三个途径[17-21]：(1) 飞机燃油中本身还有少量游离水和溶解在燃油中的水,当温度降低时,溶解在燃油中的水会被析出,沉积在油箱底部；(2) 飞机燃油生产、运输、储存和飞机日常维护检查过程中混入雨水或大气中的水分等；(3) 飞机停放昼夜温度变化大,使用过程中高低空飞行温度变化更大,造成油箱内凝露现象,导致飞机油箱内出现冷凝水。

1.2 航空油箱内营养物引起的微生物污染

微生物生长所需要营养物主要包括C、N和其它微量元素,主要来自于燃油本身、燃油添加剂和油箱内橡胶等非金属材料[22]。其中,碳源对微生物来说是必不可少的营养元素,微生物的生长代谢必需依赖碳源才能合成基本的细胞结构并获得能量。微生物生长所需的碳源来自于燃油液本身。由于燃油油液含有大量碳氢化合物,如：烷烃、环烷烃、芳香烃等,微生物主要分解燃油中较短直链碳氢化合物来获取碳源,即长度为C10~C18的烷烃最容易被微生物利用[23-26]。

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

飞机燃油系统微生物将油箱结构表面的防护涂层作为获取营养物质的重要来源,附着在其表面生长繁殖,造成油箱结构表面防护涂层被腐蚀；同时,微生物在生长繁殖过程中产生的代谢产物 (如硫化氢、硫酸、醋酸、乳酸等) 会使飞机燃油酸化,使油箱结构表面防护层被腐蚀,导致油箱结构失去保护[14,27,28]。

失去防护层的飞机油箱结构基体金属直接暴露在腐蚀环境中,油箱中水分含有的污染物会对金属结构直接造成腐蚀；微生物对金属腐蚀主要指参加硫、铁元素循环,主要包括硫氧化菌、硫酸盐还原菌和铁细菌[29-32],由于海水中还有丰富的硫酸盐,当飞机进行海上任务时,一部分硫酸盐会伴随海面上湿润空气进入飞机油箱；另一部分,在飞机燃油油液本身中也富含很多硫化物。在厌氧环境中,油液内硫酸盐还原菌会将油液内硫酸盐还原成硫化物[24],此外,硫酸盐还原菌还能分解含硫的有机化合物从而产生H2S导致金属腐蚀[27]。

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   飞机油箱腐蚀后的宏观形貌[25]

2.3 堵塞泵和油滤

飞机燃油系统微生物主要在油箱底部结构筋条和管路低点存水部位生长繁殖,一旦温度适宜,微生物会迅速生长繁殖形成团簇结构,体积也会随之迅速增大,微生物也会随之迅速蔓延,由于团簇的结构更具亲水性,在霉菌和酵母菌消耗掉水层表面附着的氧气后,就会进入休眠状态,此时更有助于厌氧硫酸盐细菌的生长,导致团簇进一步增大。从图3中可以看出,细菌的团簇以及其代谢所分泌的粘稠产物会造成飞机燃油系统泵的出入口、发动机燃油过滤元件、以及燃油过滤元件的外壳/活门等部件堵塞问题[26],直接导致发动机供油不足,发动机难于启动或启动时间过长,因此极容易造成发动机喘振或超温而损坏发动机。

图3   被堵塞的发动机过滤元件及过滤元件外壳[26]

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   飞机油箱的聚氨酯泡沫掉渣[26]

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]。

基于以上原因,国际航空运输协会 (IATA) 推荐了几种便于操作、结果可量化的微生物污染设备检测法[12],主要包括：Microbe Monitor2、Easicult combi、FUELSTAT resinae和HY-LITE jet A1。4种设备检测方法横向对比如表1所示。

表1   燃油微生物污染检测方法对比

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。

FUELSTAT resinae检测法可以对燃油和水中大量污染物进行定量分析。具体检测过程为：将燃油和水样本加入蓝提取液,充分混合后,将数滴混合溶液放到浆板的样品井中,10 min后在测试浆板注视窗可以看到污染度检测结果[31,32]。

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   空客飞机微生物检测流程

(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。

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