اللزوجة هي مقياس لمقاومة السائل للتدفق. وهي من أهم خواص السوائل وتلعب دوراً هاماً في صناعة البترول.
تؤثر لزوجة النفط الخام على قدرتنا على ضخه إلى خارج الأرض؛ تؤثر لزوجة الوقود وتطايره على مدى سهولة تفتيته في محاقن الوقود؛ وتؤثر لزوجة مادة التشحيم على قدرتها على حماية المحرك.
إنها خاصية قياس مهمة في الأغذية والطلاء وطلاءات البوليمر وغيرها من الصناعات حيث يكون تدفق الحمل الحراري منتجًا مهمًا أو خاصية استخدام.
التغيرات الصغيرة في اللزوجة يمكن أن يكون لها تأثير كبير على خصائص السوائل البترولية. أدت أهمية قياس اللزوجة الحركية إلى قيام صناعة البترول بتطوير طريقة دقيقة، نُشرت لأول مرة في عام 1937، ASTM D445، طريقة اختبار اللزوجة الحركية للسوائل الشفافة وغير الشفافة.
مصطلح "الكينماتيكا" يعني ببساطة أنه يتم إجراء القياسات أثناء تدفق السائل تحت تأثير الجاذبية. يتم تحديده عن طريق قياس الوقت اللازم لتدفق حجم السائل بواسطة الجاذبية من خلال مقياس اللزوجة الشعري الزجاجي المعاير.
على الرغم من أن الأمر يبدو بسيطًا، إلا أن تحقيق الدقة العالية التي تتطلبها الصناعة يعد مهمة صعبة للغاية. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على دقة طريقة الاختبار هذه.
من وجهة نظر اقتصادية، فإن الخطأ بنسبة واحد بالمائة في لزوجة المنتج الذي يؤدي إلى تعديل المزيج يمكن أن يضيف بسهولة سنتًا لكل جالون إلى تكلفة المنتج. بالنسبة لشركة تصنيع مواد تشحيم كبرى، قد يؤدي ذلك إلى خسارة إيرادات قدرها مليون دولار أو أكثر سنويًا.
درجة حرارة
وكما يقول المثل، "العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على قيمة المنزل هو الموقع، والموقع، والموقع". عندما يتعلق الأمر بقياسات اللزوجة، فإن "أهم عامل يؤثر على جودة قياسات اللزوجة هو درجة الحرارة، درجة الحرارة، درجة الحرارة".
يعد التحكم في درجة الحرارة أهم معلمة للحصول على قياسات دقيقة ودقيقة للزوجة الحركية. وينطبق هذا بشكل خاص على المنتجات البترولية لأن معدل تغير اللزوجة لكل وحدة درجة حرارة أكبر بكثير من المنتجات الأخرى.
ولذلك، فإن التغيرات الصغيرة في درجة الحرارة يمكن أن يكون لها تأثير كبير على لزوجة السائل. يجب التحكم في درجات حرارة الحمام الأكثر شيوعًا والتي تبلغ 40 درجة و100 درجة ضمن +/- 0.02 درجة. هذه نافذة ضيقة للغاية ويجب توخي الحذر الشديد لتحقيق هذه السيطرة.
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على درجة الحرارة:
ميزان الحرارة. عند قياس اللزوجة، يجب استخدام مقياس حرارة محدد أو أي جهاز استشعار آخر لدرجة الحرارة بدقة محددة ويلبي متطلبات طريقة الاختبار.
قد تكون قراءة مقياس الحرارة بدقة حتى درجة 0.01 أمرًا صعبًا، لذا يوصى باستخدام عدسة مكبرة. يجب غمر مقياس الحرارة في الحمام إلى العمق الصحيح. يجب معايرتها إلى +/- 0.02 درجة سنوياً على الأقل. وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي تحديد نقطة تجمد مقياس الحرارة كل ستة أشهر وتطبيق عامل التصحيح.
يعد إجراء معايرة مقياس الحرارة أمرًا معقدًا ويتم وصفه في ASTM E77، طرق اختبار الفحص والتحقق من موازين الحرارة. نظرًا لأن التحكم في درجة الحرارة يعد عاملاً مهمًا، فمن المستحسن استخدام مقياسين للحرارة في كل حمام.
درجة حرارة الحمام موحدة ومستقرة. يعتبر توحيد درجة حرارة الحمام واستقرارها من المعالم المهمة الأخرى. يجب الحفاظ على طول مقياس اللزوجة بالكامل عند درجة الحرارة المناسبة. يؤثر نوع الدورة الدموية المستخدمة وعمر سائل الاستحمام ولزوجة سائل الاستحمام على تجانس درجة الحرارة.
يجب أن تكون لزوجة الدورة الدموية وسائل الحمام متوازنة لتوفير درجة حرارة موحدة في جميع أنحاء الحمام. يجب تغيير سوائل الاستحمام بشكل كامل قبل أن تبدأ في تغيير لونها، حيث يشير تغير اللون عادة إلى أن السائل قد تأكسد وربما زادت اللزوجة.
لا ينبغي أن يقع الحمام بالقرب من فتحات التهوية، كما هو الحال في غطاء الدخان، لأن هذا غالبا ما يؤدي إلى تدرجات مفرطة في درجة الحرارة في الحمام. إذا تمت إضافة مقياس لزوجة ثانٍ إلى حمام الاختبار أثناء استخدام مقياس لزوجة آخر مجاور لإجراء القياسات، فسوف يتأثر استقرار درجة الحرارة سلبًا.
إضاءة. أثناء وجودها في الحمام، تحتاج العينة الموجودة في الأنبوب إلى إضاءة كافية لضمان الفحص البصري المتسق للغضروف المفصلي عبر الجدول الزمني. ومن المهم ملاحظة أن هذه الإضاءة لا تؤثر على التحكم في درجة حرارة الحمام واستقرارها.
لا ينبغي الاستخفاف بمتطلبات درجة الحرارة هذه، حيث أن التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة يمكن أن تسبب تغيرات كبيرة في لزوجة بعض أنواع المنتجات البترولية.
مقياس اللزوجة
تتطلب جميع أجهزة قياس اللزوجة زجاج بوروسيليكات منخفض التمدد ملدنًا بالكامل من أجل البناء. هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار حجم مقياس اللزوجة المطلوب لتحليل العينات. أولاً، يجب معايرة مقياس اللزوجة لحساب اللزوجة.
تم وصف هذا الإجراء في ASTM D446، المواصفات وتعليمات التشغيل الخاصة بمقياس اللزوجة الحركي الشعري الزجاجي. تستخدم معايير اللزوجة لتحديد ثوابت مقياس اللزوجة. على الرغم من أن معيارًا واحدًا يكفي للحصول على ثابت، فإن استخدام معيارين يغطيان نطاق الشعيرات الدموية سوف ينتج ثابت معايرة أكثر موثوقية.
معايير اللزوجة لها تاريخ انتهاء الصلاحية ويجب عدم استخدامها بعد هذا التاريخ. من الممكن شراء مقياس لزوجة معاير له درجة حرارة ثابتة عند درجة الحرارة المناسبة. نظرًا لأنه بالنسبة لبعض أنواع مقاييس اللزوجة، يتغير ثابت مقياس اللزوجة مع درجة الحرارة، فمن المهم حساب ثابت مقياس اللزوجة لدرجة حرارة العينة التي تم تحليلها. يجب التحقق من ثوابت مقياس اللزوجة سنويًا على الأقل.
يجب أن يكون حجم مقياس اللزوجة بحيث يكون وقت التدفق للتحديد اليدوي 200 ثانية على الأقل؛ وإلا فإن التنسيق بين العين واليد سيكون عاملاً مهمًا. ينتظر المشغل مرور الغضروف المفصلي للسائل عبر خط التوقيت ويقيس وقت التدفق باستخدام ساعة أو ساعة توقيت. مطلوب وقت تدفق أكبر من 200 ثانية للتخلص من التباين المحتمل للمشغل.
من الواضح أنه يجب استخدام أنبوب مقياس اللزوجة النظيف للتحليل، ولكن ماذا تعني كلمة "نظيف" بالضبط؟ يجب أن يكون الأنبوب خاليًا من الغبار أو الجزيئات الأخرى، ويجب أن يبلل السائل السطح الزجاجي بوضوح.
عادةً، يكفي الشطف عدة مرات باستخدام عينة مذيب مثل النافتا، يليها مذيب جاف مثل الأسيتون، ثم التطهير باستخدام غاز جاف خالٍ من الغبار مثل الهواء أو النيتروجين. يجب أيضًا أن يجف المذيب دون ترك أي بقايا. وهذا أمر مثير للقلق بشكل خاص إذا تم استخدام المذيبات التجارية أو المذيبات المفيدة.
يمكن إزالة بقايا العينات السابقة المطلية على الجزء الداخلي من مقياس اللزوجة باستخدام محلول تنظيف حمض الكروميك 1 أو محلول تنظيف مؤكسد قوي لا يحتوي على الكروم. 2
لا تستخدم أبدًا المنظفات السائلة القلوية أو أي محاليل تنظيف ذات درجة حموضة أكبر من 8.0 لأنها ستغير فعليًا حجم الشعيرات الدموية عن طريق إذابة الجدران الزجاجية، وبالتالي تغيير ثوابت المعايرة.
توجد هذه الأنواع من السوائل بشكل شائع في جميع أنحاء المختبرات التحليلية ويمكن استخدامها لتطبيقات أخرى، ولكن إذا تم استخدامها لتنظيف أنابيب الاختبار فسوف تتطلب إعادة معايرة أنابيب الاختبار. هناك طريقة أخرى لتغيير ثابت معايرة مقياس اللزوجة للحد الأدنى للحجم بشكل ملحوظ وهي نقع أنبوب الاختبار في الماء المغلي طوال الليل. قد يكون الأنبوب نظيفًا ولكن سيحتاج إلى إعادة معايرته قبل الاستخدام.
يجب أيضًا أن يكون الأنبوب جافًا قبل الاستخدام. يوصى باستخدام الهواء الجاف الخالي من الغبار أو النيتروجين.
عند تعليقه في حمام بدرجة حرارة ثابتة، يجب أن يكون الأنبوب في الوضع الرأسي المحدد، وخاليًا من الاهتزاز، وعلى عمق الغمر المحدد. اتبع تعليمات الشركة المصنعة والتعليمات الواردة في طريقة الاختبار.
جهاز توقيت
يجب أن يكون جهاز التوقيت دقيقًا في حدود +/- 0.07% من القراءة ويجب أن يكون قادرًا على القراءة في نطاق دقة يبلغ 2 أو000 ثانية أو 0.1 ثانية لجزء واحد لمدة تدفق 200 ثانية. يجب توخي الحذر عند استخدام أجهزة التوقيت الإلكترونية لأن التيار المتردد قد لا يوفر الدقة المطلوبة.
معالجة العينات
إذا كانت الجزيئات مرئية، ينبغي جمع عينة تمت تصفيتها. وهذا مهم بشكل خاص عند تحليل الزيوت المستعملة. ونظرًا لأن العينة يجب أن تكون خالية من الهواء، فيجب السماح لها بالتصلب لتبديد الهواء المحبوس، إن وجد. كما أن سوائل التنظيف المسببة للتآكل ستغير ثوابت المعايرة، كذلك ستتغير العينات المسببة للتآكل (درجة الحموضة العالية).
ومع زيادة الرقم الهيدروجيني للعينة، فإن التغير في الثابت يزداد بشكل أسرع. كلما كانت الشعيرات الدموية أصغر، كانت التغييرات الثابتة أسرع. بعد تحليل عينة كاوية، قد يكون من الضروري إعادة معايرة أنبوب الاختبار، على الرغم من أن العينات الكاوية جدًا لا توجد عادةً في صناعة البترول.
ويجب معايرة العينات عند درجة حرارة الاختبار المطلوبة. قد يستغرق الأمر ما يصل إلى 30 دقيقة، وقد تستغرق بعض المواد وقتًا أطول.
وينبغي الحصول على قياسين لوقت التدفق لكل عينة. إذا كان تحديدان لللزوجة الحركية المحسوبة من قياسات وقت التدفق متوافقين مع حدود قابلية القياس المحددة لنوع العينة التي يتم اختبارها، فيجب الإبلاغ عن متوسط التحديدين.
إذا تم تحديد حالات عدم الاتساق مرتين ضمن نطاق التحديد المحدد، فيجب تكرار القياس بعد التحقيق في الأسباب المحتملة وتصحيحها. قد يكون السبب هو مقياس اللزوجة القذر أو درجة حرارة الحمام غير الصحيحة أو وقت الموازنة.
مقياس اللزوجة التلقائي
تم استخدام مقاييس اللزوجة الآلية في صناعة البترول لأكثر من 30 عامًا لتحديد اللزوجة الحركية D445. إنها تحاكي الظروف المادية أو العمليات أو العمليات الخاصة بالمعدات اليدوية ويجب أن تفي بالدقة المحددة بواسطة الطريقة.
تنطبق جميع المتطلبات باستثناء أحد المتطلبات المذكورة أعلاه بالتساوي على الأدوات الآلية. بالنسبة للأدوات الآلية، تم تخفيف متطلبات وقت التدفق التي تتجاوز 200 ثانية. تقوم اللجنة الفرعية D02.07 لخصائص التدفق ASTM، المسؤولة عن طريقة الاختبار هذه، حاليًا بتحديد الحد الأدنى لوقت التدفق المسموح به لهذه الأدوات الآلية.
إذا تم تخفيف متطلبات وقت التدفق بالفعل، فسيتم تفعيل متطلبين إضافيين. أولاً، قد يتطلب حساب اللزوجة الحركية من ثوابت الأنبوب وأوقات التدفق مصطلحًا إضافيًا، وهو عامل تصحيح الطاقة الحركية. يأخذ هذا العامل في الاعتبار الطاقة المبذولة لتسريع السائل أثناء تدفقه من الخزان إلى الأنبوب الشعري.
لأوقات تدفق أطول، هذا التصحيح لا يكاد يذكر. ثانيًا، يحتاج جهاز التوقيت إلى الحفاظ على الدقة وحساسية الكشف لجزء واحد في عام 2000.
مراقبة الجودة
يجب استخدام عينات مراقبة الجودة بشكل دوري لمراقبة نظام القياس والتحقق من أن النتائج ضمن دقة طريقة الاختبار.
وينبغي استخدام أي عينة مشابهة في تركيبها لتلك التي يتم تحليلها عادة. ASTM D6299، الممارسة القياسية لتطبيق تقنيات ضمان الجودة الإحصائية لتقييم أداء نظام القياس التحليلي، توفر معلومات مفصلة عن أنظمة مراقبة الجودة.
تعميم
تعد طريقة اختبار اللزوجة الحركية للسوائل الشفافة والمعتمة من أهم الاختبارات في صناعة البترول. وقد تم استخدامه منذ عام 1937، ولكن يتم تحسين الطريقة باستمرار. تبدو هذه التقنية بسيطة، لكن عوامل كثيرة تؤثر على دقة القياس. إن استيفاء جميع متطلبات تنفيذ طريقة الاختبار سيسمح للمختبر بالوفاء بالدقة المحددة أو تجاوزها.
ملاحظات المؤلف
حمض الكروميك يشكل خطرا على الصحة ويجب التعامل معه بحذر. إنها سامة، وهي مادة مسرطنة معروفة، وهي شديدة التآكل ومن المحتمل أن تكون خطيرة عند ملامستها للمواد العضوية.
تعتبر محاليل التنظيف المؤكسدة بقوة والتي لا تحتوي على الكروم أيضًا شديدة التآكل ومن المحتمل أن تكون خطرة عند ملامستها للمواد العضوية.
