常見(jiàn)類(lèi)型油液含水量測(cè)定方法研究

熊麗媛

(航空工業(yè)(新鄉(xiāng))計(jì)測(cè)科技有限公司，河南新鄉(xiāng) 453019)

0 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，汽車(chē)供油系統(tǒng)的穩(wěn)定性與其息息相關(guān)，而影響供油系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素除了固體顆粒污染，還包括水顆粒的污染，尤其是當(dāng)固體顆粒污染物得到有效控制后，水顆粒污染對(duì)供油系統(tǒng)的危害會(huì)更加凸顯。例如燃油中的水，會(huì)對(duì)汽車(chē)供油系統(tǒng)造成動(dòng)力性危害，同時(shí)還會(huì)使汽車(chē)零部件中機(jī)油的潤(rùn)滑性能大大降低，導(dǎo)致磨損、使濾紙膨脹壽命縮短，更會(huì)滋生微生物引起堵塞和腐蝕，甚至惡化燃油的燃燒過(guò)程，使整個(gè)燃油系統(tǒng)報(bào)廢，嚴(yán)重影響汽車(chē)運(yùn)行壽命。為保證油液質(zhì)量，防止因水分超標(biāo)造成油液性能的下降甚至汽車(chē)動(dòng)力、供油系統(tǒng)的損壞，準(zhǔn)確測(cè)定油液中的含水量具有非常重要的意義，本文作者針對(duì)各種油液系統(tǒng)中常見(jiàn)類(lèi)型油液含水量的測(cè)定方法進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究，以掌握準(zhǔn)確有效的測(cè)定油液中含水量的方法，為進(jìn)一步監(jiān)控油液中的水分提供技術(shù)支持，同時(shí)也為汽車(chē)行業(yè)動(dòng)力供油系統(tǒng)的出廠檢驗(yàn)提供技術(shù)保障。

1 水在油中的狀態(tài)分析

水分在油中會(huì)以多種不同的狀態(tài)存在，主要包括溶解水、游離水和乳化水3種狀態(tài)[1]。通常這3種狀態(tài)并非獨(dú)立存在，而是以其中混合狀態(tài)組合同時(shí)存在于油中[2]。如圖1所示，溶解水溶于油中，油呈透明色(圖1(a));乳化水在油中呈乳狀(圖1(b));游離水在油中游離分層(圖1(c))，并大量沉淀于容器底部。

圖1 溶解水、乳化水和游離水在油中的狀態(tài)示意

2 常見(jiàn)油品類(lèi)型及指標(biāo)

(1)燃油、煤油類(lèi)

此類(lèi)油品黏度很低，在常見(jiàn)試驗(yàn)溫度40 ℃下為1～2 mm2/s。在常溫下，其含水飽和度通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定為 (100～150)μL/L[3]，即含水量少于100 μL/L時(shí)，大多以溶解水的形式存在于其中。

(2)紅油、藍(lán)油類(lèi)

在常見(jiàn)試驗(yàn)溫度40 ℃下，此類(lèi)油品的黏度為10～15 mm2/s，黏度稍高，常溫下其水飽和度高于燃油、煤油類(lèi)油品，一般低于300 μL/L[4]。當(dāng)油中含水量較大時(shí)，水顆粒大多以游離和乳化狀態(tài)同時(shí)存在于其中。

(3)4050滑油、HP-8B潤(rùn)滑油類(lèi)

此類(lèi)油品黏度較高，在常見(jiàn)試驗(yàn)溫度40 ℃下為24～26 mm2/s。游離水珠在此類(lèi)高黏度油品中存在的概率較大。

3 檢測(cè)設(shè)備

(1)卡爾·費(fèi)休滴定儀

測(cè)定含水量的方法主要有蒸餾法和卡爾·費(fèi)休滴定法。由于蒸餾法局限于當(dāng)原油水含量體積分?jǐn)?shù)低于1%[5]時(shí)進(jìn)行，因此卡爾·費(fèi)休滴定法是目前測(cè)試油中含水量的主要方法，包括卡爾·費(fèi)休容量滴定法和卡爾·費(fèi)休庫(kù)侖滴定法，兩者的工作原理[6]均基于使油液中的水與卡爾·費(fèi)休試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但后者在實(shí)際應(yīng)用中能夠更簡(jiǎn)單直接地測(cè)定原油中的水含量，且該方法對(duì)水含量的測(cè)定范圍擴(kuò)大到10～25 000 mg/kg[7]，因此現(xiàn)行新標(biāo)準(zhǔn)已采用庫(kù)侖滴定法代替容量滴定法進(jìn)行含水量的測(cè)定。

(2)天平

目前常用的卡爾·費(fèi)休庫(kù)侖滴定法在分析時(shí)，一般選用稱(chēng)重法進(jìn)行試驗(yàn)，能夠避免因體積誤差造成測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，因此需配套使用精密電子天平進(jìn)行取樣稱(chēng)重，其精度要求不低于0.1 mg。

4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)采用常用的C30型卡爾·費(fèi)休滴定儀進(jìn)行測(cè)試。在試驗(yàn)過(guò)程中，分別采用潔凈瓶抽取100 mL潔凈油品，編號(hào)為1#—3#，其中1#為航空煤油、2#為YH-15航空液壓油，3#為4050航空潤(rùn)滑油，測(cè)定其含水量本底值后，再分別向1#—3#油品中注入已知等量的水分，充分?jǐn)嚢韬螅M(jìn)行含水量的測(cè)定，并且測(cè)定時(shí)取樣位置保持一致，均在中部取樣。

(2)試驗(yàn)中采用注射器注入水滴，并采用精密電子天平進(jìn)行水滴的稱(chēng)重，避免體積讀數(shù)及氣泡影響引入誤差。經(jīng)計(jì)算，常溫下注水量與對(duì)應(yīng)油品中含水量理論值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 注水量與油品中含水量理論值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

5.1 含水量本底值的測(cè)定

試驗(yàn)時(shí)，采用卡爾·費(fèi)休滴定儀分別對(duì)1#—3#潔凈油品采取搖晃后測(cè)試、靜置后測(cè)試、取樣體積為0.5 mL及1.0 mL進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，當(dāng)取樣體積為0.5 mL時(shí)，其測(cè)定值普遍偏低，并且重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性[8]很差；而當(dāng)取樣體積為1.0 mL時(shí)，測(cè)定值正常。因此在一般情況下或含水量較小時(shí)，其測(cè)定時(shí)取樣體積不能低于1.0 mL。

表2 搖晃后和靜置后取樣其含水量本底測(cè)定值對(duì)比 μg/g

另外，采取靜置后和搖晃后測(cè)試的結(jié)果相當(dāng)，因?yàn)榇藭r(shí)各油品中的含水量本底值較小，未達(dá)到水在油中的飽和度，因此水在油中的狀態(tài)為溶解水，分布較為均勻，測(cè)試前搖晃與否對(duì)結(jié)果影響不明顯，但比較而言，采用靜置后取樣測(cè)試時(shí)，各測(cè)定值之間的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性均不如搖晃后取樣的測(cè)試結(jié)果。綜上所述，最終各油品的含水量本底值取搖晃后取樣體積為1.0 mL時(shí)的測(cè)定值更為可信。

5.2 注水量為10.0 mg時(shí)的測(cè)定值

采用精密電子天平稱(chēng)重(10.0±0.1)mg純凈水，分別注入上述1#—3#油品中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅扇u晃后取樣和靜置后取樣對(duì)其含水量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 注水量為10.0 mg時(shí)的含水量測(cè)定值對(duì)比

由表3可知，采取搖晃后測(cè)試和靜置后測(cè)試的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，并且靜置后取樣測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度極差，而搖晃后測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度均在±5%以?xún)?nèi)。此外，1#靜置取樣測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性也很差，因?yàn)楹娇彰河偷酿ざ鹊?，水在其中的狀態(tài)很不穩(wěn)定，靜置一段時(shí)間后，水分容易向下部擴(kuò)散，即不能均勻分布于油中，此時(shí)若取樣位置稍有偏差，便會(huì)大大降低測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性，造成數(shù)據(jù)異常，因此不可取。

5.3 注水量為50.0 mg時(shí)的測(cè)定值

采用精密電子天平稱(chēng)重(40.0±0.5)mg純凈水，分別繼續(xù)注入上述1#—3#油品中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，采取搖晃后取樣和靜置后取樣對(duì)其含水量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 注水量為50.0 mg時(shí)的含水量測(cè)定值對(duì)比

由表4明顯可看出，隨著注水量的加大，對(duì)于黏度較大的2#和3#油品，采取搖晃后取樣和靜置后取樣結(jié)果的差距逐漸變小，尤其是采取靜置后取樣測(cè)定時(shí)，相比注水量為10.0 mg而言，其準(zhǔn)確度大幅提高。但對(duì)于1#油品，靜置取樣測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度呈倍數(shù)下降，這是因?yàn)椋?0.0 mg的注水量已超出水在航空煤油中的飽和度(其飽和度值為100.0～150.0 μg/g，相當(dāng)于10.0～15.0 mg的注水量)，其中不僅有溶解水，還存在游離水狀態(tài)，因此靜置后，游離狀的水珠快速沉降，此時(shí)在中部取樣，主要測(cè)試的是航空煤油中飽和溶解水的濃度，而從表中可以看出，實(shí)際測(cè)得的平均值為127.30 μg/g，此值與上述分析一致。因此，對(duì)于黏度低的油品來(lái)說(shuō)，當(dāng)其中的含水量超過(guò)其飽和狀態(tài)時(shí)，靜置后取樣的含水量測(cè)定結(jié)果非常不可信。

5.4 注水量為500.0 mg時(shí)的測(cè)定值

采用精密電子天平稱(chēng)重(450.0±5.0)mg純凈水，分別繼續(xù)注入上述1#—3#油品中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅扇u晃后取樣和靜置后取樣對(duì)其含水量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，此時(shí)在注水量較大的情況下，測(cè)定結(jié)果與之前的差別很大，究其原因，首先對(duì)于航空煤油來(lái)說(shuō)，搖晃后取樣測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于靜置后取樣測(cè)定結(jié)果，因?yàn)槿缜懊嫠治觯?00.0 mg的注水量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水在航空煤油中的飽和度，而且此時(shí)油中同時(shí)存在溶解水、游離水和乳化水，靜置后，游離狀的水珠快速沉降，中部水分主要為溶解水和部分游離水或乳化水，這時(shí)在中部取樣測(cè)試的是航空煤油中飽和溶解水的濃度加少量游離水或乳化水的濃度，而從表中可以看出，實(shí)際測(cè)得的平均值為176.31 μg/g，此值與上述分析一致。因此，對(duì)于黏度低的油品來(lái)說(shuō)，當(dāng)其中的含水量超過(guò)其飽和狀態(tài)時(shí)，靜置后取樣的含水量測(cè)定結(jié)果非常不可信。

表5 注水量為500.0 mg時(shí)的含水量測(cè)定值對(duì)比

另外，對(duì)于2#和3#油品來(lái)說(shuō)，其黏度較高，在劇烈搖晃后，產(chǎn)生的氣泡不易消除，此時(shí)取樣測(cè)試會(huì)帶入大量空氣，其攜帶的空氣中的水分也會(huì)一同計(jì)入測(cè)試結(jié)果，因此搖晃后取樣測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于理論值；而待其靜置后，氣泡慢慢消除，此時(shí)再取樣其測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度均在10%以?xún)?nèi)，更接近理論值。所以，對(duì)于黏度高的油品來(lái)說(shuō)，搖晃后取樣測(cè)試前應(yīng)超聲消泡或靜置幾分鐘，以消除空氣中水分帶入的測(cè)量誤差。

如圖2所示為注水量500.0 mg時(shí)1#—3#油品的狀態(tài)示意圖，從圖中可以觀察到，1#瓶中航空煤油底部呈現(xiàn)明顯的水珠，此為游離水狀態(tài)，說(shuō)明油中含水量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到飽和，多余未溶解的水分呈游離水和乳化水狀態(tài)存在其瓶中下部；2#和3#油品在相同的注水量下，瓶底無(wú)明顯水珠，瓶中呈渾濁狀態(tài)，說(shuō)明液壓油的飽和度大于煤油，且因其黏度高，未溶解的水分不會(huì)明顯沉降于瓶底，而是以游離水和乳化水的狀態(tài)均勻分布于油中，呈肉眼可見(jiàn)的渾濁狀態(tài)。

圖2 注水量為500.0 mg時(shí)油品的狀態(tài)

由上述分析可知，對(duì)于文中研究而言，注水量繼續(xù)加大對(duì)于航空煤油已無(wú)意義，因此，下面僅對(duì)2#和3#油品繼續(xù)注水測(cè)定其含水量。

5.5 注水量為1 000.0 mg時(shí)的測(cè)定值

采用精密電子天平稱(chēng)重(500.0±5.0)mg純凈水，分別繼續(xù)注入上述2#、3#油品中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅扇u晃后取樣和靜置后取樣對(duì)其含水量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 注水量為1 000.0 mg時(shí)的含水量測(cè)定值對(duì)比

從表6中可以進(jìn)一步看出，對(duì)于黏度較高的油品，在劇烈搖晃后，產(chǎn)生的氣泡不易消除，此時(shí)取樣測(cè)試會(huì)帶入大量空氣，其攜帶的空氣中的水分也會(huì)一同計(jì)入測(cè)試結(jié)果，因此搖晃后取樣測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于理論值；而待其靜置后，氣泡慢慢消除，此時(shí)再取樣其測(cè)試結(jié)果更接近理論值。所以，對(duì)于黏度高的油品來(lái)說(shuō)，搖晃后取樣測(cè)試前應(yīng)超聲消泡或靜置幾分鐘，以消除空氣中水分帶入的測(cè)量誤差。

另外，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于油品含水量很高，取樣體積為1 mL時(shí)，試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，已接近10 min，因此在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)于高黏度高含水量油品，為避免試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和試劑消耗過(guò)大，在第二次取樣測(cè)定時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況(首次測(cè)定值接近10 000.00 μg/g時(shí))適量減少取樣體積。

6 結(jié)果分析

綜上所述，在進(jìn)行油品中含水量測(cè)定時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)不同情況區(qū)別處理：

(1)抽取樣品時(shí)盡量在油品中部取樣，且取樣體積一般不得少于1.0 mL。

(2)對(duì)于高黏度高含水量油品(首次測(cè)定值接近10 000.00 μg/g時(shí))，為避免試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和試劑消耗過(guò)大，在第二次取樣測(cè)定時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況(首次測(cè)定值接近10 000.00 μg/g時(shí))適量減少取樣體積。

(3)當(dāng)待測(cè)樣品黏度低(一般在5 mm2/s以下)時(shí)，必須劇烈搖晃后立即取樣測(cè)定其含水量。

(4)當(dāng)待測(cè)樣品黏度較高(一般在10 mm2/s以上)時(shí)，搖晃后應(yīng)進(jìn)行超聲消泡或靜置處理，再取樣分析，以避免空氣中水分帶入的測(cè)量誤差。

(5)當(dāng)待測(cè)樣品黏度低，靜置可見(jiàn)水珠沉于瓶底時(shí)，則說(shuō)明水在樣品中已達(dá)到飽和狀態(tài)，肉眼可見(jiàn)的水珠即為未溶解的游離水珠，此時(shí)應(yīng)劇烈搖晃后立即抽取中部液樣進(jìn)行測(cè)定。

(6)當(dāng)待測(cè)樣品黏度較高，輕晃可見(jiàn)水珠掛于瓶壁時(shí)，則說(shuō)明水在樣品中已達(dá)到飽和狀態(tài)，肉眼可見(jiàn)的水珠為未溶解的游離水或油包水的乳化狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)劇烈搖晃，并超聲消泡或靜置幾分鐘后，再抽取中部液樣進(jìn)行測(cè)定。

(7)當(dāng)待測(cè)樣品呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)，說(shuō)明油中同時(shí)存在溶解水、游離水和乳化水狀態(tài)，且含水量比較高，分布較為均勻，此時(shí)可手動(dòng)搖晃并超聲消泡或靜置幾分鐘后，再抽取中部液樣進(jìn)行測(cè)定。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述研究分析可知，水分在油液中的狀態(tài)是非常復(fù)雜的，文中對(duì)油中含水量的測(cè)定進(jìn)行了較為全面細(xì)致的一系列試驗(yàn)，并在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出科學(xué)有效測(cè)定油中含水量的方法，為各種油液系統(tǒng)中油液水分的監(jiān)控及其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持，但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完全概括在不同情況下水分在油中的狀態(tài)及其處理方法，因此，這有待在今后的試驗(yàn)中繼續(xù)深入開(kāi)展研究。