Что такое кинематическая вязкость нефтепродуктов
Динамическая вязкость показывает внутреннее трение жидкости и измеряется в мПа·с, а кинематическая — это динамическая вязкость, делённая на плотность. Единица кинематической вязкости — мм²/с, в практике нефтепродуктов её называют сантистоксом (сСт): 1 сСт = 1 мм²/с. Для воды при 20 °C динамическая вязкость около 1 мПа·с, плотность около 1 г/см³, поэтому кинематическая вязкость около 1 мм²/с. Подробнее о соотношении величин рассказано в статьях «Измерение вязкости: методы, динамическая и кинематическая вязкость» и «Единицы вязкости».
Нефтепродукты оценивают по кинематической вязкости, потому что их течение под действием силы тяжести (в двигателях, насосах, трубопроводах, смазочных системах) определяется именно этой величиной, а метод капилляра проще и точнее прочих для ньютоновских жидкостей. Для топлив, масел и растворителей, как правило, жидкости ньютоновские, поэтому результат не зависит от скорости сдвига.
ГОСТ 33 и ASTM D445: как устроен метод
Определение кинематической вязкости по ГОСТ 33 и аналогичному ему ASTM D445 строится на одном принципе. Стеклянный капиллярный вискозиметр с пробой помещают в баню с постоянной температурой. После выдержки пробе дают протечь через капилляр между двумя метками и замеряют время истечения секундомером. Искомая величина — произведение времени на постоянную капилляра. Постоянная указана в паспорте капилляра и определяется по образцу известной вязкости; порядок такой проверки описан в статье «Поверка и калибровка вискозиметра, стандартные образцы вязкости».
Запрос «гост 33 вязкость кинематическая» ведёт именно к этому методу: стандарт задаёт требования к капиллярам, бане, температуре, выдержке, числу измерений и допустимому расхождению между ними. Мы описываем принцип, а точные значения допусков и числа повторов берите из актуального текста стандарта и вашей методики.
Заметка. Кинематическую вязкость часто определяют при двух температурах: 40 и 100 °C — это стандартные точки для масел. По двум значениям рассчитывают индекс вязкости, см. «Индекс вязкости масел по ГОСТ 25371».
Рис. 1. Принцип определения кинематической вязкости: ν = C · t
Капилляры и баня
Капиллярные вискозиметры
Для нефтепродуктов применяют стеклянные капиллярные вискозиметры, различающиеся диаметром капилляра. Капилляр выбирают так, чтобы время истечения было не слишком коротким (иначе растёт ошибка отсчёта) и не слишком длинным (иначе растёт время испытания). Чем вязче проба, тем шире нужен капилляр. Разновидности приборов описаны в статье «Что такое вискозиметр и какие бывают».
Баня с точным термостатированием
Температуру пробы держит прозрачная баня с мешалкой и регулятором. От стабильности температуры зависит результат, поэтому стандарт требует малого разброса. Наша серия КАДАММ ВИС-КВ (аппарат для определения кинематической вязкости нефтепродуктов) выпускается в четырёх исполнениях: три с баней до 100 °C для стандартных испытаний и автоматическое с баней до 150 °C. Для растворов полимеров предназначен аппарат КАДАММ ВИС-КВП с баней до 135 °C, для низкотемпературных испытаний до −65 °C — КАДАММ ВИС-КВН. Точность поддержания температуры составляет ±0,1 °C, у автоматического исполнения ±0,01 °C, верхний предел отсчёта времени — 9999,9 с.
Автоматизация
В ручном варианте время считывает оператор. В автоматическом оптические датчики фиксируют прохождение мениска через метки, а прибор рассчитывает вязкость. Аппарат КАДАММ ВИС-КВИ определяет плотность, вязкость и индекс вязкости: в бане до 4 проб одновременно, в памяти хранятся коэффициенты 99 капилляров, точность отсчёта времени ±0,01 с, температура бани 20–100 °C с точностью ±0,04 °C.
Дополнительные приборы
Для низкотемпературных характеристик моторных масел есть отдельный аппарат КАДАММ ВИС-НТ: кажущаяся вязкость 1500–27000 мПа·с, испытания от −5 до −40 °C. А для условной вязкости (Энглер, Сейболт) предназначены приборы из раздела «Вискозиметры условной вязкости». Все аппараты для нефтепродуктов собраны в разделе «Аппараты для определения вязкости нефтепродуктов».
Порядок определения кинематической вязкости
Подготовка пробы и капилляра
Капилляр должен быть чистым и сухим. Пробу перемешивают и при необходимости фильтруют, чтобы убрать механические частицы: они забивают капилляр и искажают время. Вода и пузырьки воздуха в пробе недопустимы. Если масло или топливо содержит воду или примеси, подготовку проводят по методике; для выделения воды и механических примесей используют центрифугу, см. «Центрифуга для нефти: вода и механические примеси».
Заполнение и выдержка
Пробу засасывают в капилляр до метки и помещают его в баню вертикально. Выдерживают время, достаточное для выравнивания температуры, и это время указано в методике. Прерывать выдержку нельзя: проба прогревается медленно, особенно вязкая.
Измерение времени
Пробу доводят до верхней метки и замеряют время прохода мениска до нижней. Измерение повторяют, пока результаты не будут укладываться в допустимое расхождение, указанное в стандарте. Секундомер должен иметь достаточную точность; у автоматических приборов это встроенный блок.
Повтор при другой температуре
Для масел пробу измеряют при 40 и 100 °C, для топлив — при своих температурах по требованиям на продукт. Перед сменой температуры капилляр очищают и сушат.
Расчёт результата
Кинематическую вязкость рассчитывают по формуле ν = C · t, где C — постоянная капилляра в мм²/с², t — среднее время истечения в секундах. Результат выражают в мм²/с (сСт). Динамическую вязкость получают умножением кинематической на плотность пробы при той же температуре: η (мПа·с) = ν (мм²/с) · ρ (г/см³).
| Величина | Обозначение | Единица | Как получают |
|---|---|---|---|
| Время истечения | t | с | Измеряют секундомером или датчиками |
| Постоянная капилляра | C | мм²/с² | Из паспорта капилляра |
| Кинематическая вязкость | ν | мм²/с (сСт) | ν = C · t |
| Динамическая вязкость | η | мПа·с | η = ν · ρ |
Если плотность нужна по самой пробе, её определяют отдельно. Аппараты вроде КАДАММ ВИС-КВИ объединяют плотность, вязкость и индекс вязкости в одном приборе.
Масла и вязкость дизельного топлива
Смазочные масла
Для моторных, трансмиссионных и индустриальных масел кинематическая вязкость при 40 и 100 °C — основной показатель марки. По нему масло относят к классу вязкости, а по паре значений считают индекс вязкости. При низких температурах дополнительно оценивают кажущуюся вязкость, об этом аппарат КАДАММ ВИС-НТ.
Вязкость дизельного топлива
Вязкость дизельного топлива нормируется, потому что от неё зависят качество распыла в форсунках и смазка деталей топливной аппаратуры. Слишком высокая вязкость ухудшает распыл, слишком низкая — смазывающую способность и износ. Проба топлива мало вязкая, поэтому используют капилляры с узким диаметром и следят за точностью температуры: при малом времени истечения ошибка отсчёта заметна. Для зимних и арктических сортов испытание проводят при пониженной температуре, и тогда нужна баня с охлаждением, см. разделы «Криостаты» и «Жидкостные термостаты».
Растворы полимеров и другие жидкости
Метод подходит для прозрачных ньютоновских жидкостей, и для растворов полимеров у нас есть аппарат КАДАММ ВИС-КВП с баней до 135 °C. Непрозрачные и неньютоновские материалы капилляром не меряют, для них берут ротационный прибор из раздела «Ротационные вискозиметры».
Источники ошибок
- Нестабильная температура. Малое изменение температуры меняет вязкость. Решение: баня с точным регулятором и контроль эталонным термометром.
- Недостаточная выдержка. Проба не успела прогреться. Решение: выдержка по методике.
- Загрязнённый капилляр. Остатки пробы и частицы меняют время. Решение: тщательная промывка и сушка.
- Пузырьки и вода. Искажают течение. Решение: подготовка пробы и дегазация при необходимости.
- Наклон капилляра. Вертикальное положение обязательно, иначе меняется напор.
- Неверная постоянная. Постоянная должна соответствовать конкретному капилляру и температуре. Периодически её проверяют по стандартным образцам.
Все наши аппараты для нефтепродуктов работают как часть методики: подбор капилляров, правила отбора проб и допустимые расхождения определяет ваш стандарт. Если вам нужна помощь с составом оснащения, напишите, какие продукты и по какому стандарту вы испытываете, и инженеры подберут комплект.