常見類型油液含水量測定方法研究

熊麗媛

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

0 引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對汽車動力系統(tǒng)的性能要求越來越高，汽車供油系統(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，水顆粒污染對供油系統(tǒng)的危害會更加凸顯。例如燃油中的水，會對汽車供油系統(tǒng)造成動力性危害，同時(shí)還會使汽車零部件中機(jī)油的潤滑性能大大降低，導(dǎo)致磨損、使濾紙膨脹壽命縮短，更會滋生微生物引起堵塞和腐蝕，甚至惡化燃油的燃燒過程，使整個燃油系統(tǒng)報(bào)廢，嚴(yán)重影響汽車運(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動力、供油系統(tǒng)的損壞，準(zhǔn)確測定油液中的含水量具有非常重要的意義，本文作者針對各種油液系統(tǒng)中常見類型油液含水量的測定方法進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究，以掌握準(zhǔn)確有效的測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)也為汽車行業(yè)動力供油系統(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 常見油品類型及指標(biāo)

(1)燃油、煤油類

此類油品黏度很低，在常見試驗(yàn)溫度40 ℃下為1～2 mm2/s。在常溫下，其含水飽和度通過試驗(yàn)測定為 (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

在常見試驗(yàn)溫度40 ℃下，此類油品的黏度為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潤滑油類

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

3 檢測設(shè)備

(1)卡爾·費(fèi)休滴定儀

測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)用中能夠更簡單直接地測定原油中的水含量，且該方法對水含量的測定范圍擴(kuò)大到10～25 000 mg/kg[7]，因此現(xiàn)行新標(biāo)準(zhǔn)已采用庫侖滴定法代替容量滴定法進(jìn)行含水量的測定。

(2)天平

目前常用的卡爾·費(fèi)休庫侖滴定法在分析時(shí)，一般選用稱重法進(jìn)行試驗(yàn)，能夠避免因體積誤差造成測試結(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)行測試。在試驗(yàn)過程中，分別采用潔凈瓶抽取100 mL潔凈油品，編號為1#—3#，其中1#為航空煤油、2#為YH-15航空液壓油，3#為4050航空潤滑油，測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)行含水量的測定，并且測定時(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，常溫下注水量與對應(yīng)油品中含水量理論值的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 注水量與油品中含水量理論值的對應(yīng)關(guān)系

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

5.1 含水量本底值的測定

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

由表2可以看出，當(dāng)取樣體積為0.5 mL時(shí)，其測定值普遍偏低，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)，測定值正常。因此在一般情況下或含水量較小時(shí)，其測定時(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定值對比 μg/g

另外，采取靜置后和搖晃后測試的結(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，測試前搖晃與否對結(jié)果影響不明顯，但比較而言，采用靜置后取樣測試時(shí)，各測定值之間的重復(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)的測定值更為可信。

5.2 注水量為10.0 mg時(shí)的測定值

采用精密電子天平稱重(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其含水量進(jìn)行測定，結(jié)果見表3。

表3 注水量為10.0 mg時(shí)的含水量測定值對比

由表3可知，采取搖晃后測試和靜置后測試的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，并且靜置后取樣測試結(jié)果的準(zhǔn)確度極差，而搖晃后測試結(jié)果準(zhǔn)確度均在±5%以內(nèi)。此外，1#靜置取樣測試結(jié)果的重復(fù)性也很差，因?yàn)楹娇彰河偷酿ざ鹊停谄渲械臓顟B(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，便會大大降低測試結(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)的測定值

采用精密電子天平稱重(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)嚢杈鶆蚝螅扇u晃后取樣和靜置后取樣對其含水量進(jìn)行測定，結(jié)果見表4。

表4 注水量為50.0 mg時(shí)的含水量測定值對比

由表4明顯可看出，隨著注水量的加大，對于黏度較大的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。但對于1#油品，靜置取樣測定結(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)際測得的平均值為127.30 μg/g，此值與上述分析一致。因此，對于黏度低的油品來說，當(dāng)其中的含水量超過其飽和狀態(tài)時(shí)，靜置后取樣的含水量測定結(jié)果非常不可信。

5.4 注水量為500.0 mg時(shí)的測定值

采用精密電子天平稱重(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其含水量進(jìn)行測定，結(jié)果見表5。從表5可以看出，此時(shí)在注水量較大的情況下，測定結(jié)果與之前的差別很大，究其原因，首先對于航空煤油來說，搖晃后取樣測定結(jié)果準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于靜置后取樣測定結(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)際測得的平均值為176.31 μg/g，此值與上述分析一致。因此，對于黏度低的油品來說，當(dāng)其中的含水量超過其飽和狀態(tài)時(shí)，靜置后取樣的含水量測定結(jié)果非常不可信。

表5 注水量為500.0 mg時(shí)的含水量測定值對比

另外，對于2#和3#油品來說，其黏度較高，在劇烈搖晃后，產(chǎn)生的氣泡不易消除，此時(shí)取樣測試會帶入大量空氣，其攜帶的空氣中的水分也會一同計(jì)入測試結(jié)果，因此搖晃后取樣測定結(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)再取樣其測試結(jié)果準(zhǔn)確度均在10%以內(nèi)，更接近理論值。所以，對于黏度高的油品來說，搖晃后取樣測試前應(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，瓶底無明顯水珠，瓶中呈渾濁狀態(tài)，說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，對于文中研究而言，注水量繼續(xù)加大對于航空煤油已無意義，因此，下面僅對2#和3#油品繼續(xù)注水測定其含水量。

5.5 注水量為1 000.0 mg時(shí)的測定值

采用精密電子天平稱重(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其含水量進(jìn)行測定，結(jié)果見表6。

表6 注水量為1 000.0 mg時(shí)的含水量測定值對比

從表6中可以進(jìn)一步看出，對于黏度較高的油品，在劇烈搖晃后，產(chǎn)生的氣泡不易消除，此時(shí)取樣測試會帶入大量空氣，其攜帶的空氣中的水分也會一同計(jì)入測試結(jié)果，因此搖晃后取樣測定結(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)再取樣其測試結(jié)果更接近理論值。所以，對于黏度高的油品來說，搖晃后取樣測試前應(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)間過長，已接近10 min，因此在實(shí)際測試中，對于高黏度高含水量油品，為避免試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間過長和試劑消耗過大，在第二次取樣測定時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況(首次測定值接近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)對于高黏度高含水量油品(首次測定值接近10 000.00 μg/g時(shí))，為避免試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間過長和試劑消耗過大，在第二次取樣測定時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況(首次測定值接近10 000.00 μg/g時(shí))適量減少取樣體積。

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

(4)當(dāng)待測樣品黏度較高(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量誤差。

(5)當(dāng)待測樣品黏度低，靜置可見水珠沉于瓶底時(shí)，則說明水在樣品中已達(dá)到飽和狀態(tài)，肉眼可見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)行測定。

(6)當(dāng)待測樣品黏度較高，輕晃可見水珠掛于瓶壁時(shí)，則說明水在樣品中已達(dá)到飽和狀態(tài)，肉眼可見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)行測定。

(7)當(dāng)待測樣品呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)，說明油中同時(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)行測定。

7 結(jié)束語

通過上述研究分析可知，水分在油液中的狀態(tài)是非常復(fù)雜的，文中對油中含水量的測定進(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)深入開展研究。