振动式粘度仪在润滑油装置的应用

杨海河

(中国石油化工股份有限公司 济南分公司, 济南 250101)

0 引言

粘度是流动物质的一种物理特性，当流体在外力的作用下流动时,在分子间呈现的阻力称为粘度。润滑油粘度是衡量润滑油流动性能的一个极为重要的指标。其油膜厚度与润滑油粘度成正比，一定条件下，粘度越大，润滑性能就比较好。但粘度值过大，反而会增加摩擦阻力，浪费能源。反之，若粘度值过低，则不能形成足够厚的油膜，从而增大摩擦导致零件损坏。因此，润滑油粘度的测定分析，对润滑油工艺生产是一个至关重要的参数。

1 常用粘度分析仪原理与特点

粘度的定量定义为：粘度=剪切力/剪切率，单位是cp（动力粘度）。

常用粘度的测量分为直接法与间接法两大类。直接法的测量原理是根据粘度定义准确控制剪切率的大小，通过测量剪切力的变化量即为粘度值，旋转式粘度计采用直接法的测量原理。间接法不是从定量出发，而是从定性的角度间接测量：借助时间，长度、功率、等各种参数间接的反映粘度的大小。如：振动式、毛细管式、流出杯式、落球法式、微波法式、注塞法式等。常用的粘度测量仪有以下几种。

1.1 旋转式粘度仪

旋转式粘度仪工作原理如图1所示，由同步电机以稳定的速度旋转，连接刻度圆盘，再通过游丝和转轴带动转子旋转，如果转子未受到液体的阻力，则游丝、指针与刻度盘同速旋转，指针在刻度盘上指出的读数为零。反之，如果转子受到液体的粘滞阻力，则游丝产生扭矩，与粘滞阻力抗衡最后达到平衡，这时与游丝连接的指针在刻度盘上指示一定的读数（即游丝的扭转角）。将读数乘上特定的系数即得到液体的粘度。

旋转式粘度计测量极为精确，改变转速时可以评价流体流变性。但旋转式粘度仪价格较贵，测量值为相对值，且装置安装不易。

1.2 流出杯式粘度仪

流出杯式粘度仪是利用液体本身重力而产生流动,通常以一定量的试样在一定温度下从粘度杯流出的时间来表示,以秒作单位。其原理如图2所示。根据其操作原理,可将试样的流出时间通过特性曲线换算成运动粘度值。

流出杯式粘度仪是在毛细管式粘度仪的基础上进行的改制及放大,各国型号繁多且互不统一。如美国的福特杯、赛波特粘度仪; 德国的恩格拉粘度仪; 法国的巴贝粘度仪;英国的BS 杯、雷德伍德粘度仪，我国国家标准则是涂21杯和涂24 杯, 国际标准化组织推荐的是ISO流出杯等。

流出杯经济适用且操作方便简单，但液体流出过程剪切率产生变化，粘度随时间变化，无法评测物料特性，且不适用于润滑油生产工艺的实时监测。

图1 旋转式粘度仪原理图Fig.1 Schematic diagram of Rotary viscometer

图2 流出杯式粘度仪原理图Fig.2 Schematic diagram of flow-cup viscometer

1.3 毛细管式粘度仪

毛细管式粘度仪工作原理如图3所示。将液体样品由一个精确的计量泵由过滤器吸入到粘度分析仪中，并在加热槽中循环，直至样品温度稳定；而后，样品流过一段短毛细管，期间测量毛细管两端的压降(为动态粘度的函数)，再利用密度测量值加以校正，便可获得参考温度下的运动粘度值。

毛细管式粘度测量精度高、测量过程中能够进行精确稳定的温度控制，具有良好的趋势分析效果。但毛细管式粘度仪易碎，且装置内残留样品不易清洗，测量周期长，安装及成本较高。

图3 毛细管式粘度仪原理图Fig.3 Schematic diagram of Capillary Viscometer

图4 振动式粘度仪原理图Fig.4 Schematic diagram of vibration type viscometer

1.4 振动式粘度仪

振动法测量方式有扭转振动式和振动片式等多种。常用的扭转振动式测量包括衰减振动式和强制振动式。

衰减振动式基于浸于液体中作扭转振动的物体由于受到液体施于的粘性力，其扭转振幅会衰减，测量出振幅衰减情况和衰减周期，即可通过相应公式计算出液体粘度。

强制振动式原理是由外界补充振动物体由于粘性所损耗的能量，使振动物体维持恒定振动频率和振幅，由所补充的能量和液体粘度之间的关系计算粘度值。振动法常用于低粘度液体的粘度测量。

振动法具有振动周期和衰减测量方便、样品用量少、控温方便的优点。

2 IVA-2s型插入式智能振动在线粘度分析仪简介

IVA-2s型插入式智能振动在线粘度分析仪由武汉华天通力科技有限公司研制生产。该粘度仪基于扭转振荡原理，利用粘性流体物质分子间剪切力的变化特性，直接从工艺现场流体管线中快速获取粘度数据。该产品适用于炼油装置润滑油生产过程中相关产品的粘度测定分析。

2.1 测量过程

其测量过程为：通过一只特制的一端固定的振动金属杆部件，金属杆的另一端即传感器与被测介质接触，金属杆的特定部位设置电磁激励振荡源和电磁感应部件。在激励源的作用下，金属杆沿其轴向方向按特定频率进行振荡，当被测流体在金属杆端部传感器表面流动时，具有一定振荡频率和幅值的端部传感器表面会剪切被测流体介质，其剪切力的大小会随被测介质粘性值大小的变化而产生变化，通过电磁感应部件获取其变化，再通过特定的算法，即可精确地得到被测介质的粘度值。

此外，根据被测介质粘性范围的不同，设计不同尺寸和几何形状的振动体，可使该分析仪能够适应不同粘度范围的被测介质的测量。

该种分析仪能够在非常宽的粘度范围进行测量工作。由于没有可动部件，其实际应用的可靠性是一般毛细管式工粘度分析仪无法比拟的。

2.2 技术特点

1）采用特制的振动式一体化不锈钢检测器直接插入被测工艺管道，检测液体粘度，无需恒温系统，无活动连接部件、体积小、安装方便。

2）采用西门子的高性能PLC实时处理被测油品的粘度特性，所测粘度在要求的范围内不受被测管道油品温度、压力、流量变化的影响，检测结果与GB/T 10247-2008 相对应。

3）分析仪操作面板设有液晶显示器和操作按键，可随时在现场对分析仪相关参数进行设置和修改，并提供4～20mA.DC或RS485(modbus协议)输出信号。

4）防爆等级符合国家标准，适应现场环境要求。

5）产品性能稳定可靠，实现了长周期安全运行，无需人工日常维护。

2.3 振动式粘度仪的技术指标及要求

1）粘度检测范围在2～2000厘沱。典型量程在0～40厘沱。

2）试验方法与国家标准GB/T 10247-2008 相对应。

3）时间常数为 60s。

4）重复精度是标定量程的1%。

5）所测试样压力需小于1Mpa，进出口压差≥0.3MPa具有较好的流动性，温度处于60～120℃之间，且无明显水珠、杂质和气泡。

6）使用工艺管线直插式安装（无腐蚀气体、无强烈振动、无阳光直射并防雨防冻）。所有与分析仪安装相连通的取样管线和回样管线均要加装保温伴热措施，保证被分析油样具有良好的流动性。

3 IVA-2s型振动插入式智能在线粘度仪应用

3.1 某公司润滑油装置在线粘度仪的选用

某公司采用“糠醛精制－高压加氢处理/精制－酮苯脱蜡脱油”技术路线，生产市场上紧缺的HVIⅡ150BS 光亮油（粘度指数95以上）、HVIⅡ6和HVIⅡ10 高粘度基础油。酮苯脱蜡装置馏出口脱蜡油的粘度是考核该装置油品质量的一项重要指标。

在实际工艺操作过程中，酮苯脱蜡装置馏出口油品经常是在不同性质的油中进行切换。为了准确把握产品脱蜡油的切换过程，使酮苯脱蜡装置及下道工序的工艺操作能够在切换中保持平稳，需要在每次切换过程中及时准确知道各种脱蜡油产品的粘度数据，以便有针对性地及时调整相关的工艺参数，保证装置馏出口产品的质量，增加效益。由于该原料油是从常减压装置不同的侧线经过糠醛精制、加氢改质，因此，各种原料的脱蜡油的粘度指标各不相同，其分布情况如表1所示。

表1 6种物料性质表Table 1 6Material property tables

从表1可以看出，6种物料的粘度指标各不相同，且差别较大。为指导生产操作需要设置在线的粘度分析仪考虑到润滑油粘度仪的采购成本、工艺安装、维护难度、运行费用等多种因素，为了能够长周期、稳定、可靠的在酮苯脱蜡装置现场运行，最终选用了武汉华天通力科技有限公司研制生产的“IVA-2型振动插入式智能在线粘度分析仪。

3.2 工艺安装方案

根据“IVA-2型振动插入式智能在线粘度分析仪”技术特点，针对该装置工艺特点和现场实际情况设计整套应用方案。

如图5所示，润滑油输送过程中通过特定带有截止阀的管道时，在截止阀前1后，润滑油输送管道上下游通过连接法兰引出润滑油粘度分析仪系统。当截止阀1关闭后，润滑油从粘度分析仪支路流通，润滑油流经粘度仪的输入端之前与输出端之后，分别设有压力表1、截止阀2与压力表2、截止阀3。以保证进出口差压大于等于0.3MPa，当条件不满足时及时关闭前后截止阀。粘度分析仪直接插入被测工艺管道，外接防爆控制箱，操作面板设有液晶显示器和操作按键，可随时在现场对分析仪相关参数进行设置和修改，并提供输出信号指操作室进行数据分析。

图5 粘度仪工艺安装示意图Fig.5 Viscometer process sketch map

2012年10月在酮苯脱蜡装置现场投入应用，从实际现场所获取的运行数据及记录曲线表明，分析数据准确性满足技术要求，跟踪响应及时，使用效果较好。后来，在润滑油加氢装置分别在中润、重润出装使用两台粘度仪，目前，振动式粘度分析仪在该公司润滑油工艺安装的3套粘度仪运行正常，满足了工艺要求，总体变化趋势正常，为生产操作切换物料时提供了实时指导，达到了预期的目标。

4 结束语

本文对IVA-2型振动插入式智能在线粘度分析仪的选型、以及实际应用中的安装、维护进行了描述，对于出现的问题提出了改进方法。由于该振动式粘度仪直接插入工艺管线进行测量，不需要样品预处理及恒温控制等辅助环节，因此，其工作可靠性很高，日常几乎实现免维护。对于类似工艺的润滑油粘度分析仪选型提供了参考,具有一定的推广价值。

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