Методы измерения вязкости и пластичности нефтепродуктов

Общий обзор методов вискозиметрии и пластометрии

Вискозиметрия основана на законе вязкости Ньютона. Из него следует, что для определения вязкости необходимо измерить напряжение, которое сообщает слою жидкости некоторую скорость по отношению к другому слою, находящемуся от первого слоя на определенном расстоянии. На практике удобнее задавать постоянное напряжение и наблюдать скорость относительного движения. При этом можно определять скорость движения жидкости по отношению к неподвижному твердому телу или скорость движения твердого тела в неподвижной жидкости. Оба эти принципа нашли применение при конструировании вискозиметров. Приборы с неподвижными стенками представлены капиллярными вискозиметрами. Примером второго типа вискозиметров могут служить приборы с падающим шариком.

Первый вискозиметр был предложен еще в 1752 г. М. В. Ломоносовым . Вязкость в этом приборе (фиг. 26а) измерялась по скорости протекания жидкости через зазор между стенками воронки и вставленным в нее шаром. Величину зазора можно было регулировать, поднимая или опуская шар. Воронка наполнялась до постоянного уровня из специального резервуара, что обеспечивало постоянное гидростатическое давление на жидкость в зазоре, а следовательно, и постоянное напряжение. Скорость течения измерялась числом капель, падающих из воронки за единицу времени. Прибор Ломоносова включал многие основные элементы современных вискозиметров.

В восьмидесятых годах прошлого столетия Ф. Н. Шведов разработал оригинальный метод определения реологических параметров дисперсных систем по закручиванию цилиндра, подвешенного на упругой нити и погруженного в жидкость. Прибор Шведова был одним из первых вискозиметров с коаксиальными цилиндрами. В последнее время этот прибор усовершенствован в лаборатории П. А. Ребиндера. Возникновение нефтяной вискозиметрии связано с именем Н. П. Петрова . В конце прошлого столетия он провел обширные и очень тщательные измерения вязкости ряда минеральных и растительных масел с помощью сконструированного им капиллярного прибора (фиг. 27). В это же время С. Ламанский предложил специальный вискозиметр для масел, имеющий ряд преимуществ по сравнению с появившимся позднее вискозиметром Энглера.

В настоящее время число вискозиметров различной конструкции весьма велико, и их количество продолжает расти. Только в нефтяной вискозиметрии применяется или применялось около 200 приборов. Такое значительное число вискозиметров объясняется разнообразием задач вискозиметрии и различием свойств исследуемых жидкостей и пластичных тел. Невозможно создать

универсальные вискозиметры или пластометры, одинаково пригодные для всех случаев.

По принципиальным особенностям конструкции приборы для измерения вязкости делятся на следующие типы:

капиллярные вискозиметры; 2) ротационные вискозиметры, или приборы с коаксиальными цилиндрами; 3) вискозиметры с падающим шариком; 4) маятниковые вискозиметры; 5) вискозиметры с взаимно смещающимися цилиндрами или пластинками; 6) приборы, основанные на принципе сдувания тонкого слоя жидкости; 7) вискозиметры, основанные на других принципах.

Наиболее распространены капиллярные вискозиметры. Поданным М. П. Воларовича , около 80% всех измерений вязкости производится с их помощью. Эти приборы отличаются простотой, требуют малого количества жидкости, дешевы и дают достаточно точные результаты. К числу их недостатков относится невозможность измерения вязкости очень вязких жидкостей.

Второе место занимают ротационные вискозиметры. Эти приборы обеспечивают однородное поле напряжения в жидкости и позволяют измерять вязкость с высокой точностью. Сложность конструкции ротационных вискозиметров ограничивает их применение. К недостаткам их следует также отнести накопление в деформируемой жидкости диссипированного тепла. В капиллярных приборах это тепло уносится вместе с протекающей жидкостью. Ротационные вискозиметры применяются преимущественно для измерения вязкости дисперсных систем и высоковязких жидкостей и дополняют капиллярные приборы.

К простым приборам относятся также вискозиметры с падающим шариком, но с их помощью можно получить хорошие результаты только у вязких и вполне однородных жидкостей.

Для измерения пластичности и вообще реологических свойств веществ наряду с вязкостью необходимо определять предельные напряжения сдвига и модули упругости. Принципиально такие измерения могут производиться в вискозиметрах всех перечисленных групп, но в то время как при вискозиметрии измеряют значительные деформации (например, протекание всего исследуемого объема жидкости через капилляр), при определении модуля упругости и предельного напряжения сдвига наблюдают малые деформации. Для измерений малых деформаций более удобны вискозиметры с взаимно смещающимися цилиндрами или пластинками и ротационные вискозиметры.

Если при определении вязкости жидкостей наблюдают только скорость деформации при постоянном напряжении, то при изучении пластичных тел измеряют также силу, вызывающую начало течения, и размер деформации при различных нагрузках ниже предела текучести. Отличие пластометров от вискозиметров заключается в том, что первые снабжены приспособлениями для варьирования напряжения. Вискозиметры для исследования аномалии вязкости имеют устройства для изменения скорости течения жидкости (в частности, капиллярные вискозиметры — установки для изменения разности давлении на концах капилляра).

В нефтяной вискозиметрии капиллярные приборы являются основным типом вискозиметров для светлых нефтепродуктов и минеральных масел при положительных температурах. При низких температурах для масел применяют как капиллярные, так и ротационные вискозиметры.

, полученные

в капиллярных и ротационных вискозиметрах, совпадают до температур порядка —30°. У масел с вязкостью Еб0 = 10—15 вязкость, полученная обоими методами, совпадает до температур порадка —10°.

Для изучения консистентных смазок и битумов пользуются преимущественно приборами со смещающимися цилиндрами и пластинками, ротационными вискозиметрами и вискозиметрами с падающими шариками. В последнее время Г. В. Виноградов и В. П. Павлов сконструировали капиллярный вискозиметр для консистентных смазок.

Кроме физически обоснованных вискозиметров, в нефтяных лабораториях сохранились вискозиметры, устройство которых основано на условных технических методах оценки реологических свойств. Некоторые из них, как, например, методы определения температуры застывания или каплепадения, предназначены для определения температуры изменения свойств нефтепродуктов. Другие позволяют сравнивать свойства испытуемых веществ с известными или эталонными продуктами. Многие из этих методов страдают существенными дефектами. Так, в вискозиметре Энглера не всегда обеспечивается ламинарное течение, в приборах для определения температуры застывания недостаточно определено напряжение, да и вообще неясно, наблюдается ли предел текучести или высокая вязкость. Одна из наиболее актуальных задач нефтяной вискозиметрии заключается в замене определения вязкости при помощи условных методов определением простыми, физически обоснованными приборами.

Сложность реологических свойств смазок, масел и топлив при низких температурах, а также недостатки условных технических вискозиметров и пластометров привели к тому, что для оценки механических свойств этих нефтепродуктов в условиях эксплуатации были предложены специальные приборы, представляющие собой модели масляных систем двигателей или других механизмов или непосредственно части этих систем. К ним относятся приборы В. К. Лимаря и В. Г. Сидорова , К. С. Рамайя и В. В. Соколова для определения прокачиваемости масел при низких температурах, установка Д. Л. Гольдштейна, 3. В. Векслера и Г. Е. Журавлева для определения нижнего температурного предела эксплуатации дизельных топлив и кинематические пары поршень-цилиндр и вал-подшипник, применявшиеся М. П. Вола-ровичем для исследования минеральных масел при низких температурах.

Вискозиметры, позволяющие измерять вязкость в абсолютных единицах (пуазах и стоксах), делятся на первичные и вторичные. В первичных вискозиметрах весьма точно определяются размеры прибора, объем протекшей жидкости и напряжение. Они служат для измерения вязкости первичных (калибровочных) жидкостей и для весьма точных измерений вязкости остальных жидкостей,

Абсолютные вискозиметры довольно сложны по устройству и применяются главным образом для специальных физико-химических исследований. Для практических целей пользуются вторичными вискозиметрами, в которых вязкость измеряется путем сравнения скорости течения испытуемой жидкости с эталонной, вязкость которой измерена в первичном вискозиметре.

Основными калибровочными жидкостями служат вода, касторовое масло, раствор сахара в воде, некоторые индивидуальные органические соединения и минеральные масла.

В приложении к ГОСТ 33-46 указаны значения вязкости ряда органических соединений (фенол, анилин, хинолин, этиленгликоль, форм амид и т. д.). которые могут применяться в качестве калибровочных жидкостей . В табл. 5 приведены значения вязкости высокоочищенного касторового масла согласно измерениям Кальбаума и Ребера. Плотность исследованного ими образца масла равнялась при 5° 0,9707 г/см3, при 40° 0,9464 г/см. Значения вязкости воды при различных температурах даны в табл. 5.

Министерство нефтяной промышленности выпускает калибровочные минеральные масла, приготовленные из авиационного масла МС, масла машинного СУ, трансформаторного масла и очищенного автотракторного дизельного топлива. Эталонные масла хранят в темноте, при комнатной температуре и каждые три месяца проверяют их вязкость. В ГОСТ 33-46 приведены значения вязкости калибровочных жидкостей и характеристика вискозиметров, для которых они рекомендуются. Эти вязкости являются номинальными, уточненные значения даются в соответствующих паспортах на каждую партию.