振動(dòng)式粘度儀在潤(rùn)滑油裝置的應(yīng)用

楊海河

(中國(guó)石油化工股份有限公司 濟(jì)南分公司, 濟(jì)南 250101)

0 引言

粘度是流動(dòng)物質(zhì)的一種物理特性，當(dāng)流體在外力的作用下流動(dòng)時(shí),在分子間呈現(xiàn)的阻力稱為粘度。潤(rùn)滑油粘度是衡量潤(rùn)滑油流動(dòng)性能的一個(gè)極為重要的指標(biāo)。其油膜厚度與潤(rùn)滑油粘度成正比，一定條件下，粘度越大，潤(rùn)滑性能就比較好。但粘度值過大，反而會(huì)增加摩擦阻力，浪費(fèi)能源。反之，若粘度值過低，則不能形成足夠厚的油膜，從而增大摩擦導(dǎo)致零件損壞。因此，潤(rùn)滑油粘度的測(cè)定分析，對(duì)潤(rùn)滑油工藝生產(chǎn)是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。

1 常用粘度分析儀原理與特點(diǎn)

粘度的定量定義為：粘度=剪切力/剪切率，單位是cp（動(dòng)力粘度）。

常用粘度的測(cè)量分為直接法與間接法兩大類。直接法的測(cè)量原理是根據(jù)粘度定義準(zhǔn)確控制剪切率的大小，通過測(cè)量剪切力的變化量即為粘度值，旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)采用直接法的測(cè)量原理。間接法不是從定量出發(fā)，而是從定性的角度間接測(cè)量：借助時(shí)間，長(zhǎng)度、功率、等各種參數(shù)間接的反映粘度的大小。如：振動(dòng)式、毛細(xì)管式、流出杯式、落球法式、微波法式、注塞法式等。常用的粘度測(cè)量?jī)x有以下幾種。

1.1 旋轉(zhuǎn)式粘度儀

旋轉(zhuǎn)式粘度儀工作原理如圖1所示，由同步電機(jī)以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)，連接刻度圓盤，再通過游絲和轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)子未受到液體的阻力，則游絲、指針與刻度盤同速旋轉(zhuǎn)，指針在刻度盤上指出的讀數(shù)為零。反之，如果轉(zhuǎn)子受到液體的粘滯阻力，則游絲產(chǎn)生扭矩，與粘滯阻力抗衡最后達(dá)到平衡，這時(shí)與游絲連接的指針在刻度盤上指示一定的讀數(shù)（即游絲的扭轉(zhuǎn)角）。將讀數(shù)乘上特定的系數(shù)即得到液體的粘度。

旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)量極為精確，改變轉(zhuǎn)速時(shí)可以評(píng)價(jià)流體流變性。但旋轉(zhuǎn)式粘度儀價(jià)格較貴，測(cè)量值為相對(duì)值，且裝置安裝不易。

1.2 流出杯式粘度儀

流出杯式粘度儀是利用液體本身重力而產(chǎn)生流動(dòng),通常以一定量的試樣在一定溫度下從粘度杯流出的時(shí)間來(lái)表示,以秒作單位。其原理如圖2所示。根據(jù)其操作原理,可將試樣的流出時(shí)間通過特性曲線換算成運(yùn)動(dòng)粘度值。

流出杯式粘度儀是在毛細(xì)管式粘度儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改制及放大,各國(guó)型號(hào)繁多且互不統(tǒng)一。如美國(guó)的福特杯、賽波特粘度儀; 德國(guó)的恩格拉粘度儀; 法國(guó)的巴貝粘度儀;英國(guó)的BS 杯、雷德伍德粘度儀，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)則是涂21杯和涂24 杯, 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的是ISO流出杯等。

流出杯經(jīng)濟(jì)適用且操作方便簡(jiǎn)單，但液體流出過程剪切率產(chǎn)生變化，粘度隨時(shí)間變化，無(wú)法評(píng)測(cè)物料特性，且不適用于潤(rùn)滑油生產(chǎn)工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 旋轉(zhuǎn)式粘度儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of Rotary viscometer

圖2 流出杯式粘度儀原理圖Fig.2 Schematic diagram of flow-cup viscometer

1.3 毛細(xì)管式粘度儀

毛細(xì)管式粘度儀工作原理如圖3所示。將液體樣品由一個(gè)精確的計(jì)量泵由過濾器吸入到粘度分析儀中，并在加熱槽中循環(huán)，直至樣品溫度穩(wěn)定；而后，樣品流過一段短毛細(xì)管，期間測(cè)量毛細(xì)管兩端的壓降(為動(dòng)態(tài)粘度的函數(shù))，再利用密度測(cè)量值加以校正，便可獲得參考溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度值。

毛細(xì)管式粘度測(cè)量精度高、測(cè)量過程中能夠進(jìn)行精確穩(wěn)定的溫度控制，具有良好的趨勢(shì)分析效果。但毛細(xì)管式粘度儀易碎，且裝置內(nèi)殘留樣品不易清洗，測(cè)量周期長(zhǎng)，安裝及成本較高。

圖3 毛細(xì)管式粘度儀原理圖Fig.3 Schematic diagram of Capillary Viscometer

圖4 振動(dòng)式粘度儀原理圖Fig.4 Schematic diagram of vibration type viscometer

1.4 振動(dòng)式粘度儀

振動(dòng)法測(cè)量方式有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式和振動(dòng)片式等多種。常用的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)式測(cè)量包括衰減振動(dòng)式和強(qiáng)制振動(dòng)式。

衰減振動(dòng)式基于浸于液體中作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的物體由于受到液體施于的粘性力，其扭轉(zhuǎn)振幅會(huì)衰減，測(cè)量出振幅衰減情況和衰減周期，即可通過相應(yīng)公式計(jì)算出液體粘度。

強(qiáng)制振動(dòng)式原理是由外界補(bǔ)充振動(dòng)物體由于粘性所損耗的能量，使振動(dòng)物體維持恒定振動(dòng)頻率和振幅，由所補(bǔ)充的能量和液體粘度之間的關(guān)系計(jì)算粘度值。振動(dòng)法常用于低粘度液體的粘度測(cè)量。

振動(dòng)法具有振動(dòng)周期和衰減測(cè)量方便、樣品用量少、控溫方便的優(yōu)點(diǎn)。

2 IVA-2s型插入式智能振動(dòng)在線粘度分析儀簡(jiǎn)介

IVA-2s型插入式智能振動(dòng)在線粘度分析儀由武漢華天通力科技有限公司研制生產(chǎn)。該粘度儀基于扭轉(zhuǎn)振蕩原理，利用粘性流體物質(zhì)分子間剪切力的變化特性，直接從工藝現(xiàn)場(chǎng)流體管線中快速獲取粘度數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品適用于煉油裝置潤(rùn)滑油生產(chǎn)過程中相關(guān)產(chǎn)品的粘度測(cè)定分析。

2.1 測(cè)量過程

其測(cè)量過程為：通過一只特制的一端固定的振動(dòng)金屬桿部件，金屬桿的另一端即傳感器與被測(cè)介質(zhì)接觸，金屬桿的特定部位設(shè)置電磁激勵(lì)振蕩源和電磁感應(yīng)部件。在激勵(lì)源的作用下，金屬桿沿其軸向方向按特定頻率進(jìn)行振蕩，當(dāng)被測(cè)流體在金屬桿端部傳感器表面流動(dòng)時(shí)，具有一定振蕩頻率和幅值的端部傳感器表面會(huì)剪切被測(cè)流體介質(zhì)，其剪切力的大小會(huì)隨被測(cè)介質(zhì)粘性值大小的變化而產(chǎn)生變化，通過電磁感應(yīng)部件獲取其變化，再通過特定的算法，即可精確地得到被測(cè)介質(zhì)的粘度值。

此外，根據(jù)被測(cè)介質(zhì)粘性范圍的不同，設(shè)計(jì)不同尺寸和幾何形狀的振動(dòng)體，可使該分析儀能夠適應(yīng)不同粘度范圍的被測(cè)介質(zhì)的測(cè)量。

該種分析儀能夠在非常寬的粘度范圍進(jìn)行測(cè)量工作。由于沒有可動(dòng)部件，其實(shí)際應(yīng)用的可靠性是一般毛細(xì)管式工粘度分析儀無(wú)法比擬的。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）采用特制的振動(dòng)式一體化不銹鋼檢測(cè)器直接插入被測(cè)工藝管道，檢測(cè)液體粘度，無(wú)需恒溫系統(tǒng)，無(wú)活動(dòng)連接部件、體積小、安裝方便。

2）采用西門子的高性能PLC實(shí)時(shí)處理被測(cè)油品的粘度特性，所測(cè)粘度在要求的范圍內(nèi)不受被測(cè)管道油品溫度、壓力、流量變化的影響，檢測(cè)結(jié)果與GB/T 10247-2008 相對(duì)應(yīng)。

3）分析儀操作面板設(shè)有液晶顯示器和操作按鍵，可隨時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)分析儀相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，并提供4～20mA.DC或RS485(modbus協(xié)議)輸出信號(hào)。

4）防爆等級(jí)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。

5）產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，無(wú)需人工日常維護(hù)。

2.3 振動(dòng)式粘度儀的技術(shù)指標(biāo)及要求

1）粘度檢測(cè)范圍在2～2000厘沱。典型量程在0～40厘沱。

2）試驗(yàn)方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10247-2008 相對(duì)應(yīng)。

3）時(shí)間常數(shù)為 60s。

4）重復(fù)精度是標(biāo)定量程的1%。

5）所測(cè)試樣壓力需小于1Mpa，進(jìn)出口壓差≥0.3MPa具有較好的流動(dòng)性，溫度處于60～120℃之間，且無(wú)明顯水珠、雜質(zhì)和氣泡。

6）使用工藝管線直插式安裝（無(wú)腐蝕氣體、無(wú)強(qiáng)烈振動(dòng)、無(wú)陽(yáng)光直射并防雨防凍）。所有與分析儀安裝相連通的取樣管線和回樣管線均要加裝保溫伴熱措施，保證被分析油樣具有良好的流動(dòng)性。

3 IVA-2s型振動(dòng)插入式智能在線粘度儀應(yīng)用

3.1 某公司潤(rùn)滑油裝置在線粘度儀的選用

某公司采用“糠醛精制－高壓加氫處理/精制－酮苯脫蠟脫油”技術(shù)路線，生產(chǎn)市場(chǎng)上緊缺的HVIⅡ150BS 光亮油（粘度指數(shù)95以上）、HVIⅡ6和HVIⅡ10 高粘度基礎(chǔ)油。酮苯脫蠟裝置餾出口脫蠟油的粘度是考核該裝置油品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在實(shí)際工藝操作過程中，酮苯脫蠟裝置餾出口油品經(jīng)常是在不同性質(zhì)的油中進(jìn)行切換。為了準(zhǔn)確把握產(chǎn)品脫蠟油的切換過程，使酮苯脫蠟裝置及下道工序的工藝操作能夠在切換中保持平穩(wěn)，需要在每次切換過程中及時(shí)準(zhǔn)確知道各種脫蠟油產(chǎn)品的粘度數(shù)據(jù)，以便有針對(duì)性地及時(shí)調(diào)整相關(guān)的工藝參數(shù)，保證裝置餾出口產(chǎn)品的質(zhì)量，增加效益。由于該原料油是從常減壓裝置不同的側(cè)線經(jīng)過糠醛精制、加氫改質(zhì)，因此，各種原料的脫蠟油的粘度指標(biāo)各不相同，其分布情況如表1所示。

表1 6種物料性質(zhì)表Table 1 6Material property tables

從表1可以看出，6種物料的粘度指標(biāo)各不相同，且差別較大。為指導(dǎo)生產(chǎn)操作需要設(shè)置在線的粘度分析儀考慮到潤(rùn)滑油粘度儀的采購(gòu)成本、工藝安裝、維護(hù)難度、運(yùn)行費(fèi)用等多種因素，為了能夠長(zhǎng)周期、穩(wěn)定、可靠的在酮苯脫蠟裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，最終選用了武漢華天通力科技有限公司研制生產(chǎn)的“IVA-2型振動(dòng)插入式智能在線粘度分析儀。

3.2 工藝安裝方案

根據(jù)“IVA-2型振動(dòng)插入式智能在線粘度分析儀”技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)該裝置工藝特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)整套應(yīng)用方案。

如圖5所示，潤(rùn)滑油輸送過程中通過特定帶有截止閥的管道時(shí)，在截止閥前1后，潤(rùn)滑油輸送管道上下游通過連接法蘭引出潤(rùn)滑油粘度分析儀系統(tǒng)。當(dāng)截止閥1關(guān)閉后，潤(rùn)滑油從粘度分析儀支路流通，潤(rùn)滑油流經(jīng)粘度儀的輸入端之前與輸出端之后，分別設(shè)有壓力表1、截止閥2與壓力表2、截止閥3。以保證進(jìn)出口差壓大于等于0.3MPa，當(dāng)條件不滿足時(shí)及時(shí)關(guān)閉前后截止閥。粘度分析儀直接插入被測(cè)工藝管道，外接防爆控制箱，操作面板設(shè)有液晶顯示器和操作按鍵，可隨時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)分析儀相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，并提供輸出信號(hào)指操作室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖5 粘度儀工藝安裝示意圖Fig.5 Viscometer process sketch map

2012年10月在酮苯脫蠟裝置現(xiàn)場(chǎng)投入應(yīng)用，從實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)所獲取的運(yùn)行數(shù)據(jù)及記錄曲線表明，分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性滿足技術(shù)要求，跟蹤響應(yīng)及時(shí)，使用效果較好。后來(lái)，在潤(rùn)滑油加氫裝置分別在中潤(rùn)、重潤(rùn)出裝使用兩臺(tái)粘度儀，目前，振動(dòng)式粘度分析儀在該公司潤(rùn)滑油工藝安裝的3套粘度儀運(yùn)行正常，滿足了工藝要求，總體變化趨勢(shì)正常，為生產(chǎn)操作切換物料時(shí)提供了實(shí)時(shí)指導(dǎo)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)IVA-2型振動(dòng)插入式智能在線粘度分析儀的選型、以及實(shí)際應(yīng)用中的安裝、維護(hù)進(jìn)行了描述，對(duì)于出現(xiàn)的問題提出了改進(jìn)方法。由于該振動(dòng)式粘度儀直接插入工藝管線進(jìn)行測(cè)量，不需要樣品預(yù)處理及恒溫控制等輔助環(huán)節(jié)，因此，其工作可靠性很高，日常幾乎實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。對(duì)于類似工藝的潤(rùn)滑油粘度分析儀選型提供了參考,具有一定的推廣價(jià)值。

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