Суть кинематической вязкостиПринцип методаКапилляры и термостатируемая баняПоследовательность определенияКак считать результатМасла и дизельное топливоПричины ошибок

Кинематическая вязкость нефтепродуктов: определение

Динамическая вязкость отражает внутреннее трение жидкости и выражается в мПа·с; кинематическая получается делением динамической на плотность. Она измеряется в мм²/с, а для нефтепродуктов её по привычке называют сантистоксом (сСт): 1 сСт = 1 мм²/с. У воды при 20 °C динамическая вязкость составляет около 1 мПа·с, а плотность — около 1 г/см³, следовательно, кинематическая вязкость равна примерно 1 мм²/с. Как величины связаны между собой, объясняют статьи «Измерение вязкости: методы, динамическая и кинематическая вязкость» и «Единицы вязкости».

Нефтепродукты характеризуют именно кинематической вязкостью, ведь течение под действием силы тяжести в двигателях, насосах, трубопроводах и смазочных системах определяется этой величиной, а капиллярный метод для ньютоновских жидкостей проще и точнее остальных. Топлива, масла и растворители, как правило, ньютоновские, так что от скорости сдвига результат не зависит.

Устройство метода по ГОСТ 33 и ASTM D445

В основе определения кинематической вязкости по ГОСТ 33 и близкому к нему ASTM D445 лежит единый принцип. Стеклянный капиллярный вискозиметр с пробой опускают в баню с неизменной температурой; после выдержки измеряют секундомером время, за которое проба проходит капилляр между двумя метками. Результат равен произведению этого времени на постоянную капилляра. Постоянная приводится в паспорте капилляра и устанавливается по образцу с известной вязкостью; как проводится такая проверка, сказано в статье «Поверка и калибровка вискозиметра, стандартные образцы вязкости».

Именно к этому методу приводит запрос «гост 33 вязкость кинематическая»: стандарт предъявляет требования к капиллярам, бане, температуре, выдержке, количеству измерений и допустимому расхождению между ними. Мы излагаем лишь принцип, а конкретные допуски и число повторов берите из действующего текста стандарта и вашей методики.

Примечание. Кинематическую вязкость нередко определяют при двух температурах, 40 и 100 °C, — для масел это типовые точки. Из двух значений вычисляют индекс вязкости; см. «Индекс вязкости масел по ГОСТ 25371».

Проба в капилляре в бане Выдержка до температуры бани Время истечения t между метками ν = C · t мм²/с (сСт) Постоянная C из паспорта капилляра

Рис. 1. Определение кинематической вязкости по формуле ν = C · t

Капилляры и баня

Капиллярные вискозиметры

Нефтепродукты измеряют в стеклянных капиллярных вискозиметрах, отличающихся диаметром капилляра. Капилляр подбирают так, чтобы время истечения не оказалось слишком малым (растёт ошибка отсчёта) и слишком большим (растёт длительность испытания); чем вязче проба, тем шире должен быть капилляр. Виды приборов рассмотрены в статье «Что такое вискозиметр и какие бывают».

Баня с точным термостатированием

Температуру пробы поддерживает прозрачная баня с мешалкой и регулятором: результат зависит от её стабильности, потому стандарт ограничивает разброс. Для стандартных испытаний серия КАДАММ ВИС-КВ (аппарат для определения кинематической вязкости нефтепродуктов) выпускается в трёх исполнениях с баней до 100 °C. Аппарат КАДАММ ВИС-КВП с баней до 135 °C рассчитан на растворы полимеров, а для испытаний при низких температурах до −65 °C служит КАДАММ ВИС-КВН. Температура поддерживается с точностью ±0,1 °C (в автоматическом исполнении ±0,01 °C), счёт времени ведётся до 9999,9 с.

Автоматизация

При ручном способе время снимает оператор. В автоматическом оптические датчики отмечают прохождение мениска мимо меток, и вязкость вычисляет сам прибор. КАДАММ ВИС-КВИ определяет плотность, вязкость и индекс вязкости: баня вмещает до 4 проб одновременно, в памяти записаны коэффициенты 99 капилляров, время отсчитывается с точностью ±0,01 с, а температура бани 20–100 °C выдерживается с точностью ±0,04 °C.

Дополнительные приборы

Низкотемпературные свойства моторных масел проверяют отдельным аппаратом КАДАММ ВИС-НТ: он измеряет кажущуюся вязкость 1500–27000 мПа·с при испытаниях от −5 до −40 °C. Для условной вязкости (Энглер, Сейболт) предназначены приборы из раздела «Вискозиметры условной вязкости». Весь перечень аппаратов для нефтепродуктов находится в разделе «Аппараты для определения вязкости нефтепродуктов».

Порядок определения кинематической вязкости

Подготовка пробы и капилляра

Капилляр обязан быть чистым и сухим. Механические частицы забивают капилляр и искажают время истечения, поэтому пробу перемешивают и при необходимости фильтруют. Воды и пузырьков воздуха в пробе быть не должно. Если в масле или топливе есть вода либо примеси, пробу готовят по методике, а воду и механические примеси отделяют центрифугой — см. «Центрифуга для нефти: вода и механические примеси».

Заполнение и выдержка

Пробу втягивают в капилляр до метки, затем капилляр вертикально погружают в баню. Нужно выдержать время, достаточное для выравнивания температуры; оно указано в методике. Выдержку нельзя сокращать, поскольку особенно вязкая проба прогревается медленно.

Измерение времени

Пробу доводят до верхней метки, после чего засекают время, за которое мениск доходит до нижней. Замер повторяют до тех пор, пока результаты не уложатся в допустимое расхождение, предусмотренное стандартом. Секундомер должен быть достаточно точным; в автоматических приборах функцию выполняет встроенный блок.

Повтор при другой температуре

Масла измеряют при 40 и 100 °C, топлива — при температурах, которые заданы требованиями на продукт. Перед переходом на другую температуру капилляр очищают и высушивают.

Расчёт результата

Расчёт ведут по формуле ν = C · t, где C — постоянная капилляра в мм²/с², а t — среднее время истечения в секундах. Результат записывают в мм²/с (сСт). Чтобы перейти к динамической вязкости, кинематическую умножают на плотность пробы при той же температуре: η (мПа·с) = ν (мм²/с) · ρ (г/см³).

ВеличинаОбозначениеЕдиницаКак получают
Время истеченияtсИзмеряют секундомером или датчиками
Постоянная капилляраCмм²/с²Из паспорта капилляра
Кинематическая вязкостьνмм²/с (сСт)ν = C · t
Динамическая вязкостьηмПа·сη = ν · ρ

Когда плотность требуется определить по самой пробе, это делают отдельным измерением. Приборы вроде КАДАММ ВИС-КВИ совмещают в одном корпусе плотность, вязкость и индекс вязкости.

Вязкость масел и дизельного топлива

Смазочные масла

Основным показателем марки моторных, трансмиссионных и индустриальных масел служит кинематическая вязкость при 40 и 100 °C: по ней определяют класс вязкости, а пара значений позволяет рассчитать индекс вязкости. Кажущуюся вязкость при низких температурах оценивают дополнительно — для этого предназначен аппарат КАДАММ ВИС-НТ.

Вязкость дизельного топлива

Вязкость дизельного топлива нормируют, так как от неё зависят распыл в форсунках и смазка деталей топливной аппаратуры. Избыточная вязкость ухудшает распыл, недостаточная — снижает смазывающую способность и повышает износ. Топливо текучее, потому берут капилляры с узким диаметром и тщательно выдерживают температуру: при коротком времени истечения ошибка отсчёта становится заметной. Зимние и арктические сорта испытывают при пониженной температуре, а значит, нужна баня с охлаждением — смотрите разделы «Криостаты» и «Жидкостные термостаты».

Полимерные растворы и другие жидкости

Капиллярный метод рассчитан на прозрачные ньютоновские жидкости; для растворов полимеров предусмотрен аппарат КАДАММ ВИС-КВП с баней до 135 °C. Непрозрачные и неньютоновские материалы капилляром не измеряют: для них подходит ротационный прибор из раздела «Ротационные вискозиметры».

Источники ошибок

  • Нестабильная температура. Даже небольшое колебание температуры меняет вязкость. Меры: баня с точным регулятором и контроль по эталонному термометру.
  • Недостаточная выдержка. Проба не успевает прогреться. Мера: выдерживать столько, сколько указано в методике.
  • Загрязнённый капилляр. Остатки пробы и частицы искажают время истечения. Меры: тщательно промывать и сушить.
  • Пузырьки и вода. Нарушают течение. Мера: подготовить пробу и при необходимости дегазировать.
  • Наклон капилляра. Капилляр обязан стоять вертикально, иначе изменяется напор.
  • Неверная постоянная. Постоянная относится к конкретному капилляру и температуре; её периодически сверяют по стандартным образцам.

Наши аппараты для нефтепродуктов служат частью методики, а выбор капилляров, правила отбора проб и допустимые расхождения задаёт ваш стандарт. Нужна помощь с составом оснащения — сообщите, какие продукты и по какому стандарту вы испытываете, и инженеры соберут комплект.