Измерение вязкости нефтепродуктов

Абсолютная и кинематическая вязкость

При воздействии на жидкость внешних сил она сопротивляется потоку благодаря внутреннему трению. Вязкость - мера этого внутреннего трения.

Кинематическая вязкость - мера потока имеющей сопротивление жидкости под влиянием силы тяжести. Когда две жидкости равного объема помещены в идентичные капиллярные вискозиметры и двигаются самотеком, вязкой жидкости требуется больше времени для протекания через капилляр. Если одной жидкости требуется для вытекания 200 секунд,а другой - 400 секунд, вторая жидкость в два раза более вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости.

Абсолютная вязкость, иногда называемая динамической или простой вязкость, является произведением кинематической вязкости и плотности жидкости:
Абсолютная вязкость = Кинематическая вязкость * Плотность.

Размерность кинематической вязкости - L2/T, где L - длина, и T - время. Обычно используется сантистокс (cSt). ЕДИНИЦА СИ кинематической вязкости - mm2/s, что равно 1 cSt. Абсолютная вязкость выражается в сантипуазах (сПуаз). ЕДИНИЦА СИ абсолютной вязкости - миллипаскаль-секунда (mPa-s), где 1 сПуаз = 1 mPa-s.

Другие общепринятые, но устаревшие единицы кинематической вязкости - Универсальные Секунды Сейболта (SUS) и Фурановые Секунды Сейболта (SFS). Эти единицы могут быть преобразованы в сантистоксы согласно инструкциям, приведенным в ASTM D 2161.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Зависимость, в которой вязкость является константой независимо от напряжения или скорости сдвига, называется законом вязкости Ньютона. Закону вязкости Ньютона подчиняются большинство обычных растворителей, минеральные основные масла, синтетические основные масла, полностью синтетические однокомпонентные масла. Они называются ньютоновскими жидкостями.

Неньютоновские - жидкости могут быть определены как те, для которых вязкость не константа, а изменяется в зависимости от скорости сдвига или напряжения сдвига, при котором измеряется. Большинство современных моторных масел - обладают свойством мультивязкости, и изготовлены с применением высокомолекулярных полимеров, называемыми модификаторами вязкости. Вязкость таких масел уменьшается с увеличением в скорости сдвига. Они называются «жидкостями, разжижающимися при сдвиге» (shear-thinning)становящимися тоньше сдвигом" жидкостями(газами). Примерами других неньютоновских жидкостей являются краска для потолков, притирочная паста и «резиновый» цемент.

Методы измерения вязкости

Вискозиметры можно классифицировать по трем главным типам:
1. Капиллярные вискозиметры измеряют расход фиксированного объема жидкости через малое отверстие при контролируемой температуре. Скорость сдвига можно измерить примерно от нуля до 106 с-1, заменяя капиллярный диаметр и приложенное давление. Типы капиллярных вискозиметров и их режимы работы:
Стеклянный капиллярный вискозиметр (ASTM D 445) - Жидкость проходит через отверстие устанавливаемого - диаметра под влиянием силы тяжести. Скорость сдвига - меньше чем 10 с-1. Кинематическая вязкость всех автомобильных масел измеряется капиллярными вискозиметрами.

Капиллярный вискозиметр высокого давления (ASTM D 4624 и D 5481) -Фиксированный объем жидкости выдавливается через стеклянный капилляр диаметра под действием приложенного давления газа. Скорость сдвига может быть изменена до 106 с-1. Эта методика обычно используется, чтобы моделировать вязкость моторных масел в рабочих коренных подшипниках. Эта вязкость называется, вязкостью при высокой температуре и высоком сдвиге (HTHS) и измеряется при 150 oC и 106 с-1. HTHS вязкость измеряется также имитатором конического подшипника, ASTM D 4683 (см. ниже).

2. Ротационные вискозиметры используют для измерения сопротивления жидкости течению вращающий момент на вращающемся вале. К ротационным вискозиметрам относятся имитатор холодной прокрутки двигателя (CCS), миниротационный вискозиметр (MRV), вискозиметр Брукфильда и имитатор конического подшипника (TBS). Скорость сдвига может быть изменена за счет изменения габаритов ротора, зазора между ротором и стенкой статора и частоты вращения.

Имитатор холодной прокрутки (ASTM D 5293) - CCS измеряет кажущуюся вязкость в диапазоне от 500 до 200000 сПуаз. Скорость сдвига располагается между 104 и 105 c-1. Нормальный диапазон рабочей температуры - от 0 до -40 oC. CCS показал превосходную корреляцию с пуском двигателя при низких температурах. Классификация вязкости SAE J300 определяет низкотемпературную вязкостную эффективность моторных масел пределами по CCS и MRV.

Минироторный вискозиметр (ASTM D 4684) - тест MRV, который связан с механизмом прокачиваемости масла, является измерением при низкой скорости сдвига. Главная особенность метода - медленная скорость охлаждения образца. Образец подготавливается так, чтобы иметь определенную тепловую предысторию, которая включает нагревание, медленно охлаждение, и циклы пропитки. MRV измеряет кажущееся остаточное напряжение, которое, если большее чем пороговое значение, указывает на потенциальную проблему отказа прокачивания, связанную с проникновением воздуха. Выше некоторой вязкости (в настоящее время определенной как 60000 сПуаз по SAE J 300), масло может быть вызвать отказ прокачиваемости по механизму, называемому "эффект ограниченного потока". Масло SAE 10W, например, должно иметь максимальную вязкость 60000 сПуаз при -30 o C без остаточного напряжения. С помощью этого метода измеряют также кажущуюся вязкость при скоростях сдвига от 1 до 50 c-1.
Вискозиметр Брукфильда - определяет вязкость в широких пределах (от 1 до 105 Пуаз) при низкой скорости сдвига (до 102 c-1).

ASTM D 2983 используется прежде всего для определения низкотемпературной вязкости автомобильных трансмиссионных масел, масел для автоматических трансмиссий гидравлических и тракторных масел. Температура - испытаний находится в диапазоне от -5 до -40 o C.

ASTM D 5133, метод сканирования Брукфильда, измеряет вязкость образца по Брукфильду, при охлаждении с постоянной скоростью 1 o C/час. Подобно MRV, метод ASTM D 5133 предназначен для определения прокачиваемости масла при низких температурах. С помощью этого испытания определяется точка структурообразования, определенная как температура, при которой образец достигает вязкости 30,000 сПуаз. Определяется также индекс(показатель) структурообразования как самая большая скорость увеличения вязкости от -5oC к самой низкой испытательной температуре. Этот метод находит применение для моторных масел, и требуется согласно ILSAC GF-2.

Имитатор конического подшипника (ASTM D 4683) - эта методика также позволяет измерять вязкость моторных масел при высокой температуре и высокой скорости сдвига (см. Капиллярный Вискозиметр высокого давления). Очень высокие скорости сдвига получаются за счет чрезвычайно малого зазора между ротором и стенкой статора.

3. Разнообразные приборы используют множество других принципов; например, время падения стального шарика или иглы в жидкости, сопротивление вибрации зонда, и давления, прилагаемого к зонду текущей жидкостью.

Индекс вязкости

Индекс вязкости (ИВ) - эмпирическое число, указывающее степень изменения в вязкости масла в пределах данного диапазона температур. Высокий ИВ означает относительно небольшое изменение вязкости с температурой, а низкий ИВ означает большое изменение вязкости с температурой. Большинство минеральных основных масел имеет ИВ между 0 и 110, но ИВ полимерсодержащего масла (multigrage) часто превышает 110.

Для определения индекса вязкости требуется определить кинематическую вязкость при 40oC и 100oC. После этого ИВ определяют из таблиц по ASTM D 2270 или ASTM D 39B. Так как ИВ определяется из вязкости при 40oC и 100oC, он не связан с низкотемпературной или HTHS вязкостью. Эти значения получают с помощью CCS, MRV, низкотемпературного вискозиметра Брукфильда и вискозиметров высокой скорости сдвига.

SAE не использует ИВ, для классификации моторных масел начиная с 1967, потому что этот термин технически устарел. Однако, методика Американского нефтяного института API 1509 описывает систему классификации основных масел, используя ИВ как один из нескольких параметров, чтобы обеспечить принципы взаимозаменяемости масел и универсализацию шкалы вязкости.

Основные типы модификаторов вязкости

Химическая структура и размер молекул - наиболее важные элементы молекулярной архитектуры модификаторов вязкости. Имеется множество типов модификаторов вязкости, выбор зависит от специфических обстоятельств.

Все выпускаемые сегодня модификаторы вязкости, состоят из алифатических углеродных цепочек. Главные структурные различия находятся в боковых группах, которые отличаются и химически, и по размеру. Эти изменения в химической структуре обеспечивают различные свойства модификаторов вязкости типа масел, такие как способность к загустеванию, зависимость вязкости от температуры, окислительная стабильность и характеристики экономии топлива.

Полиизобутилен (PIB или полибутен) - преобладающие модификаторы вязкости в конце 1950-ых, с тех пор PIB модификаторы были заменены модификаторами других типов, потому что они обычно не обеспечивают удовлетворительную работу при низких температурах и работу дизельных двигателей. Однако, низкмолекулярные PIB все еще широко используется в автомобильных трансмиссионных маслах.
Полиметилакрилат (PMA) - PMA модификаторы вязкости содержат алкильные боковые цепочки, которые препятствуют образованию кристаллов воска в масле, таким образом обеспечивая превосходные свойства при низкой температуре.

Олефиновые сополимеры (OCP) - OCP модификаторы вязкости широко используются для моторных масел благодаря их низкой стоимости и удовлетворительной моторной эффективности. Выпускаются различные OCP, отличные главным образом по молекулярному весу и отношению этилена к пропилену.

Сложные эфиры сополимера стирола и малеинового ангидрида (стироловые эфиры) - стироловые эфиры - мультифункциональные модификаторы вязкости высокой эффективности. Комбинация различных алкильных групп придает маслам, содержащим такие добавки, превосходные свойства при низкой температуре. Стирольные модификаторы вязкости использовались в маслах для энергосберегающих двигателей и по-прежнему используются в трансмиссионных маслах для автоматических коробок передач.

Насыщенные стиролдиеновые сополимеры - модификаторы на основе гидрогенизированныз сополимеров стирола с изопреном или бутадиеном способствуют экономии топлива, хорошими характеристиками вязкости при низких температурах и выскокотемпературными свойствами.

Насыщенные радиальные полистиролы (STAR) - модификаторы на основе гидрогенизированных радиальных полистирольных модификаторов вязкости показывают хорошее сопротивление сдвигу при относительно низкой стоимости обработки, по сравнению с другими типами модификаторов вязкости. Их свойства при низкой температуре подобны свойствам модификаторов OCP.

Вода H 2 O представляет собой ньютоновскую жидкость и ее течение описывается законом вязкого трения Ньютона, в уравнении которого коэффициент пропорциональности называется коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.

Вязкость воды зависит от температуры. Кинематическая вязкость воды равна 1,006·10 -6 м 2 /с при температуре 20°С.

В таблице представлены значения кинематической вязкости воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.). Значения вязкости даны в интервале температуры от 0 до 300°С. При температуре воды свыше 100°С, ее кинематическая вязкость указана в таблице на линии насыщения.

Кинематическая вязкость воды изменяет свою величину при нагревании и охлаждении. По данным таблицы видно, что с ростом температуры воды ее кинематическая вязкость уменьшается . Если сравнить вязкость воды при различных температурах, например при 0 и 300°С, то очевидно ее уменьшение примерно в 14 раз. То есть вода при нагревании становится менее вязкой, а высокая вязкость воды достигается если воду максимально охладить.

Значения коэффициента кинематической вязкости при различных температурах необходимы для вычисления величины числа Рейнольдса, которое соответствует определенному режиму течения жидкости или газа.

Если сравнить вязкость воды с вязкостью других ньютоновских жидкостей, например с , или с , то вода будет иметь меньшую вязкость. Менее вязкими, по сравнению с водой, являются органические жидкости – , бензол и сжиженные газы, например такие, как .

Динамическая вязкость воды в зависимости от температуры

Кинематическая и динамическая вязкость связаны между собой через значение плотности. Если кинематическую вязкость умножить на плотность, то получим величину коэффициента динамической вязкости (или просто динамическую вязкость).

Динамическая вязкость воды при температуре 20°С равна 1004·10 -6 Па·с. В таблице даны значения коэффициента динамической вязкости воды в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.). Вязкость в таблице указана при температуре от 0 до 300°С.

Динамическая вязкость при нагревании воды уменьшается , вода становится менее вязкой и при достижении

Вязкость - это одна из основных характеристик моторного масла, которая определяется по стандарту SAE J300 . Областью применения данного стандарта является определение предельных значений для классификации моторных смазочных масел только в реологических терминах. Другие характеристики масел не рассматриваются или не включены. Напомним, что реология - это раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Это говорит о том, что любые попытки только на основании вязкости моторного масла определить его состав, эксплуатационные характеристики или применимость для конкретных двигателей является шарлатанством и недопустимы .

Стандарт SAE J300 регламентирует два блока свойств моторных масел - низкотемпературные и высокотемпературные вязкостные характеристики моторных масел.

Для определения низкотемпературных вязкостных характеристик моторного масла используются два теста:

• ASTM D5293 - Cold Crank Simulator (CCS ) или имитация холодного пуска. Данный метод определяет максимальную динамическую вязкость моторного масла, при которой обеспечивается гарантированный запуск двигателя штатными системами запуска при низких температурах. Вязкость определяется при температурах от -10 0 С до -35 0 С.
• ASTM D4684 - Mini Rotary Viscometer (MRV ) или тест на прокачиваемость. Этот метод назван по имени прибора, на котором проводится тест - вискозиметр. В этом методе определяется максимальная динамическая вязкость моторного масла, гарантирующая поступление масла во все пары трения в момент запуска двигателя. То есть, данный тест призван определить насколько будет безопасным тот самый холодных запуск двигателя, возможность которого определяет предыдущий тест. Так как перед запуском все моторное масло находится внизу в картере двигателя, то крайне важно, чтобы при запуске двигателя масло было как можно быстрее доставлено ко всем парам трения, в том числе и тем, которые находятся на самом верху двигателя. Вязкость определяется при температурах -15 0 С до -40 0 С.

Обратите внимание на то, что температура, при которой проводится тест на прокачивание моторного масла одного класса вязкости всегда на 5 градусов ниже, чем температура, при которой проводится имитация холодного пуска. Кроме того, необходимо отметить, что когда мы видим значения температур, при которых проводятся эти тесты, то должны понимать, что имеются в виду НЕ температуры окружающего воздуха , а непосредственно температуры моторного масла . А для того, чтобы температура моторного масла внутри двигателя достигла -35 0 С необходимо, чтобы двигатель находился при температуре окружающего воздуха в -35 0 С более двух суток.

Также следует обратить внимание на тот факт, что в перечне определяемых параметров при классификации по стандарту SAE J300 нет таких параметров, как температура застывания и температура потери текучести . Данные параметры довольно часто являются предметом различных дискуссий при попытке подбора моторного масла, но давайте попробуем разобраться, какие свойства моторного масла могут характеризовать эти два параметра.

Температура застывания моторного масла . Итак, давайте представим себе ситуацию, когда рядом стоят стакан и ведро с одним и тем же моторным маслом. Температура окружающего воздуха начинает постепенно снижаться. Моторное масло в стакане замерзнет значительно раньше, чем моторное масло в ведре, на поверхности которого будет ледяная корка, а внутри масло будет еще жидким. В обоих случаях масло будет замерзать при одной и той же температуре моторного масла , но для того, чтобы его температура снизилась до этой отметки время, проведенное моторным маслом при данной температуре окружающего воздуха , будет разным. Кроме того, сама по себе температура застывания моторного масла в двигателе не может принести потребителю какой-либо практической пользы, так как ему интересно не то, когда он гарантированно НЕ СМОЖЕТ завести двигатель, а то, когда он способен это сделать. Именно поэтому в стандарте SAE J300 не определяется температура застывания моторного масла. Вместо этого проводится тест имитирующий холодный запуск двигателя.

Температура потери текучести . Про данный параметр можно сказать ровно то же, что и про температуру застывания моторного масла. При одной и той же температуре окружающего воздуха моторное масло в трубке диаметром 5-6 мм и 20-30 мм потеряет текучесть за разное количество времени. Ну и безусловно можно повторить, что потребителю гораздо интереснее пределы, до которых масло гарантированно достигнет верхних пар трения, чем температура, при которой масло точно не сможет быть туда доставлено. Что и определяет использование в стандарте SAE J300 теста на прокачиваемость, в котором не рассматривается такой показатель как температура потери текучести.

Теперь перейдем к высокотемпературным вязкостным характеристикам моторного масла. Для их определения в стандарте SAE J300 также имеется два теста:

• ASTM D445 - Кинематическая вязкость при 100 0 С. Метод определяет минимальную кинематическую вязкость моторного масла при температурах, близких к рабочим температурам двигателя. Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости к плотности среды. Измерение кинематической вязкости производится под действием силы тяжести в капиллярном вискозиметре. В процессе измеряется время вытекания из калиброванной емкости через отверстие определенного диаметра под действием силы тяжести.
• ASTM D5481 - H igh T emperature H igh S hare (HTHS ) или вязкость при высокой температуре (150 0 С) и высокой скорости сдвига (10 6 с -1 ). Метод определяет минимальное значение динамической вязкости, при котором моторное масло гарантированно обеспечивает наличие масляной пленки на поверхностях движущихся деталей двигателя. По сути, в данном испытании происходит имитация реальных условий работы моторного масла в таких местах двигателя, как соединения гильзы цилиндра - поршневые кольца. Указанная скорость сдвига, которая реализуется вискозиметром, используемым в данном тесте, соответствует приблизительно 8000-9000 оборотов двигателя. Данный тест призван подтвердить тот факт, что при высокой температуре и высокой скорости сдвига масляная пленка будет существовать, не будет масляного голодания и повышенного износа движущихся частей двигателя. Параметр HTHS является крайне важным для классификации моторных масел по категории PC-11 , причем для подкатегории API FA-4 он становится критически важным. Поскольку по данному параметру мы можем оценить баланс между защитой двигателя и максимальной топливной эффективностью.

Ориентируясь на результаты описанных выше тестов стандарт SAE J300 описывает несколько классов вязкости, для каждого из которых указаны предельные значения параметров, определяемых в испытаниях. Классы вязкости сведены в приведенную таблицу. В ней присутствуют зимние классы вязкости, которые имеют в своем названии букву W и в таблице выделены синим цветом. Также имеются летние классы вязкости, которые отмечены в таблице красным цветом.

Для каждого из зимних классов вязкости указана вязкость CCS в единицах системы Си - миллипаскалях в секунду (это соответствует сантипуазам - единицам, в которых измеряется динамическая вязкость в системе единиц СГС ) при соответствующей температуре моторного масла. Принадлежность моторного масла к одному из зимних классов вязкости свидетельствует, что двигатель использующий данное моторное масло сможет завестись при данной температуре моторного масла.

Вязкость для теста MRV указана одна для всех зимних классов вязкости, но температура проведения теста различается для каждого класса.

Кроме того, для того, чтобы соответствовать одному из зимних классов вязкости моторное масло должно обладать определенной минимальной кинематической вязкостью при 100 0 С, значения указаны в единицах системы СИ - миллиметры квадратные на секунду (это соответствует сантистоксам - единицам, в которых измеряется кинематическая вязкость в системе единиц СГС ).

Для летних классов вязкости указано значение динамической вязкости в параметре HTHS , но тут речь идет, в отличии от максимального значения для зимних классов вязкости, о минимальном значении. При значении параметра HTHS ниже порогового возможно возникновение масляного голодания и повышенного износа частей двигателя.

Вязкость жидкостей

Динамическая вязкость , или коэффициент динамической вязкости ƞ (ньютоновской), определяется формулой:

η = r / (dv/dr),

где r – сила вязкого сопротивления (на единицу площади) между двумя соседними слоями жидкости, направленная вдоль их поверхности, а dv/dr– градиент их относительной скорости, взятый по направлению, перпендикулярному к направлению движения. Размеренность динамической вязкости ML -1 T -1 , ее единицей в системе СГС служит пуаз (пз) = 1г/см*сек=1дин*сек/см 2 =100 сантипуазам (спз)

Кинематическая вязкость определяется отношением динамической вязкости ƞ к плотности жидкости p. Размерность кинематической вязкости L 2 T -1 , ее единицей в системе СГС служит стокс (ст) = 1 см 2 /сек=100 сантистоксам (сст).

Текучесть φ является величиной, обратной динамической вязкости. Последняя для жидкостей уменьшается с понижением температуры приблизительно по закону φ=А+В/Т, где А и В являются характеристическими постоянными, а Т обозначает абсолютную температуру. Величины А и В для большого количества жидкостей были даны Бэррером.

Таблица вязкость воды

Данные Бингхема и Джексона, выверенные по национальному стандарту в США и Великобритании на 1 июля 1953 года, ƞ при 20 0 С=1,0019 сантипуаза.

Таблица вязкость различных жидкостей Ƞ, спз

Относительная вязкость некоторых водных растворов (таблица)

Концентрация растворов предполагается нормальным, который содержит в 1л один грамм-эквивалент растворенного вещества. Вязкости даны по отношению к вязкости воды при той же температуре.

Таблица вязкость водных растворов глицерина

Вязкость жидкостей при высоких давлениях по Бриджмену

Таблица относительная вязкость воды при высоких давлениях

Таблица относительная вязкость различных жидкостей при высоких давлениях

Ƞ=1 при 30 ° С и давление 1 кгс/см 2

Вязкость твердых тел (ПЗ)

Таблица вязкость газов и паров

Динамическая вязкость газов обычно выражается в микропуазах (мкпз). Согласно кинетической теории вязкость газов должна не зависеть от давления и изменяться пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры. Первый вывод оказывается в общем правильным, исключением являются очень низкие и очень высокие давления; второй вывод требует некоторых поправок. Для изменения ƞ в зависимости от абсолютной температуры Т наиболее часто применяется формула:

Таблица вязкость некоторых газов при высоких давлениях (мкпз)