振動式粘度儀在潤滑油裝置的應用

楊海河

(中國石油化工股份有限公司 濟南分公司, 濟南 250101)

0 引言

粘度是流動物質的一種物理特性，當流體在外力的作用下流動時,在分子間呈現的阻力稱為粘度。潤滑油粘度是衡量潤滑油流動性能的一個極為重要的指標。其油膜厚度與潤滑油粘度成正比，一定條件下，粘度越大，潤滑性能就比較好。但粘度值過大，反而會增加摩擦阻力，浪費能源。反之，若粘度值過低，則不能形成足夠厚的油膜，從而增大摩擦導致零件損壞。因此，潤滑油粘度的測定分析，對潤滑油工藝生產是一個至關重要的參數。

1 常用粘度分析儀原理與特點

粘度的定量定義為：粘度=剪切力/剪切率，單位是cp（動力粘度）。

常用粘度的測量分為直接法與間接法兩大類。直接法的測量原理是根據粘度定義準確控制剪切率的大小，通過測量剪切力的變化量即為粘度值，旋轉式粘度計采用直接法的測量原理。間接法不是從定量出發，而是從定性的角度間接測量：借助時間，長度、功率、等各種參數間接的反映粘度的大小。如：振動式、毛細管式、流出杯式、落球法式、微波法式、注塞法式等。常用的粘度測量儀有以下幾種。

1.1 旋轉式粘度儀

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

旋轉式粘度計測量極為精確，改變轉速時可以評價流體流變性。但旋轉式粘度儀價格較貴，測量值為相對值，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生流動,通常以一定量的試樣在一定溫度下從粘度杯流出的時間來表示,以秒作單位。其原理如圖2所示。根據其操作原理,可將試樣的流出時間通過特性曲線換算成運動粘度值。

流出杯式粘度儀是在毛細管式粘度儀的基礎上進行的改制及放大,各國型號繁多且互不統一。如美國的福特杯、賽波特粘度儀; 德國的恩格拉粘度儀; 法國的巴貝粘度儀;英國的BS 杯、雷德伍德粘度儀，我國國家標準則是涂21杯和涂24 杯, 國際標準化組織推薦的是ISO流出杯等。

流出杯經濟適用且操作方便簡單，但液體流出過程剪切率產生變化，粘度隨時間變化，無法評測物料特性，且不適用于潤滑油生產工藝的實時監測。

圖1 旋轉式粘度儀原理圖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 毛細管式粘度儀

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

毛細管式粘度測量精度高、測量過程中能夠進行精確穩定的溫度控制，具有良好的趨勢分析效果。但毛細管式粘度儀易碎，且裝置內殘留樣品不易清洗，測量周期長，安裝及成本較高。

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

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

1.4 振動式粘度儀

振動法測量方式有扭轉振動式和振動片式等多種。常用的扭轉振動式測量包括衰減振動式和強制振動式。

衰減振動式基于浸于液體中作扭轉振動的物體由于受到液體施于的粘性力，其扭轉振幅會衰減，測量出振幅衰減情況和衰減周期，即可通過相應公式計算出液體粘度。

強制振動式原理是由外界補充振動物體由于粘性所損耗的能量，使振動物體維持恒定振動頻率和振幅，由所補充的能量和液體粘度之間的關系計算粘度值。振動法常用于低粘度液體的粘度測量。

振動法具有振動周期和衰減測量方便、樣品用量少、控溫方便的優點。

2 IVA-2s型插入式智能振動在線粘度分析儀簡介

IVA-2s型插入式智能振動在線粘度分析儀由武漢華天通力科技有限公司研制生產。該粘度儀基于扭轉振蕩原理，利用粘性流體物質分子間剪切力的變化特性，直接從工藝現場流體管線中快速獲取粘度數據。該產品適用于煉油裝置潤滑油生產過程中相關產品的粘度測定分析。

2.1 測量過程

其測量過程為：通過一只特制的一端固定的振動金屬桿部件，金屬桿的另一端即傳感器與被測介質接觸，金屬桿的特定部位設置電磁激勵振蕩源和電磁感應部件。在激勵源的作用下，金屬桿沿其軸向方向按特定頻率進行振蕩，當被測流體在金屬桿端部傳感器表面流動時，具有一定振蕩頻率和幅值的端部傳感器表面會剪切被測流體介質，其剪切力的大小會隨被測介質粘性值大小的變化而產生變化，通過電磁感應部件獲取其變化，再通過特定的算法，即可精確地得到被測介質的粘度值。

此外，根據被測介質粘性范圍的不同，設計不同尺寸和幾何形狀的振動體，可使該分析儀能夠適應不同粘度范圍的被測介質的測量。

該種分析儀能夠在非常寬的粘度范圍進行測量工作。由于沒有可動部件，其實際應用的可靠性是一般毛細管式工粘度分析儀無法比擬的。

2.2 技術特點

1）采用特制的振動式一體化不銹鋼檢測器直接插入被測工藝管道，檢測液體粘度，無需恒溫系統，無活動連接部件、體積小、安裝方便。

2）采用西門子的高性能PLC實時處理被測油品的粘度特性，所測粘度在要求的范圍內不受被測管道油品溫度、壓力、流量變化的影響，檢測結果與GB/T 10247-2008 相對應。

3）分析儀操作面板設有液晶顯示器和操作按鍵，可隨時在現場對分析儀相關參數進行設置和修改，并提供4～20mA.DC或RS485(modbus協議)輸出信號。

4）防爆等級符合國家標準，適應現場環境要求。

5）產品性能穩定可靠，實現了長周期安全運行，無需人工日常維護。

2.3 振動式粘度儀的技術指標及要求

1）粘度檢測范圍在2～2000厘沱。典型量程在0～40厘沱。

2）試驗方法與國家標準GB/T 10247-2008 相對應。

3）時間常數為 60s。

4）重復精度是標定量程的1%。

5）所測試樣壓力需小于1Mpa，進出口壓差≥0.3MPa具有較好的流動性，溫度處于60～120℃之間，且無明顯水珠、雜質和氣泡。

6）使用工藝管線直插式安裝（無腐蝕氣體、無強烈振動、無陽光直射并防雨防凍）。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性。

3 IVA-2s型振動插入式智能在線粘度儀應用

3.1 某公司潤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”技術路線，生產市場上緊缺的HVIⅡ150BS 光亮油（粘度指數95以上）、HVIⅡ6和HVIⅡ10 高粘度基礎油。酮苯脫蠟裝置餾出口脫蠟油的粘度是考核該裝置油品質量的一項重要指標。

在實際工藝操作過程中，酮苯脫蠟裝置餾出口油品經常是在不同性質的油中進行切換。為了準確把握產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，需要在每次切換過程中及時準確知道各種脫蠟油產品的粘度數據，以便有針對性地及時調整相關的工藝參數，保證裝置餾出口產品的質量，增加效益。由于該原料油是從常減壓裝置不同的側線經過糠醛精制、加氫改質，因此，各種原料的脫蠟油的粘度指標各不相同，其分布情況如表1所示。

表1 6種物料性質表Table 1 6Material property tables

從表1可以看出，6種物料的粘度指標各不相同，且差別較大。為指導生產操作需要設置在線的粘度分析儀考慮到潤滑油粘度儀的采購成本、工藝安裝、維護難度、運行費用等多種因素，為了能夠長周期、穩定、可靠的在酮苯脫蠟裝置現場運行，最終選用了武漢華天通力科技有限公司研制生產的“IVA-2型振動插入式智能在線粘度分析儀。

3.2 工藝安裝方案

根據“IVA-2型振動插入式智能在線粘度分析儀”技術特點，針對該裝置工藝特點和現場實際情況設計整套應用方案。

如圖5所示，潤滑油輸送過程中通過特定帶有截止閥的管道時，在截止閥前1后，潤滑油輸送管道上下游通過連接法蘭引出潤滑油粘度分析儀系統。當截止閥1關閉后，潤滑油從粘度分析儀支路流通，潤滑油流經粘度儀的輸入端之前與輸出端之后，分別設有壓力表1、截止閥2與壓力表2、截止閥3。以保證進出口差壓大于等于0.3MPa，當條件不滿足時及時關閉前后截止閥。粘度分析儀直接插入被測工藝管道，外接防爆控制箱，操作面板設有液晶顯示器和操作按鍵，可隨時在現場對分析儀相關參數進行設置和修改，并提供輸出信號指操作室進行數據分析。

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場投入應用，從實際現場所獲取的運行數據及記錄曲線表明，分析數據準確性滿足技術要求，跟蹤響應及時，使用效果較好。后來，在潤滑油加氫裝置分別在中潤、重潤出裝使用兩臺粘度儀，目前，振動式粘度分析儀在該公司潤滑油工藝安裝的3套粘度儀運行正常，滿足了工藝要求，總體變化趨勢正常，為生產操作切換物料時提供了實時指導，達到了預期的目標。

4 結束語

本文對IVA-2型振動插入式智能在線粘度分析儀的選型、以及實際應用中的安裝、維護進行了描述，對于出現的問題提出了改進方法。由于該振動式粘度儀直接插入工藝管線進行測量，不需要樣品預處理及恒溫控制等輔助環節，因此，其工作可靠性很高，日常幾乎實現免維護。對于類似工藝的潤滑油粘度分析儀選型提供了參考,具有一定的推廣價值。

[1]樂嘉謙 .儀表工手冊[M].北京:化學工業出版社,1998.

[2]林世雄 .石油煉制工程(第二版)[M].北京：石油工業出版社,1997.

[3]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊(3版)[M].北京:化學工業出版社,2000.

[4]石油煉制基本知識編寫小組.石油煉制基本知識[M].北京：石油工業出版社,1983.