การวัดความหนืด: เรียบง่ายแต่ก็ยากเหลือเกิน

ความหนืดคือการวัดความต้านทานต่อการไหลของของไหล เป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของของไหลและมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม

ความหนืดของน้ำมันดิบส่งผลต่อความสามารถในการสูบออกจากพื้นดิน ความหนืดและความผันผวนของเชื้อเพลิงส่งผลต่อความง่ายในการทำให้อะตอมของหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง และความหนืดของน้ำมันหล่อลื่นส่งผลต่อความสามารถในการปกป้องเครื่องยนต์

เป็นคุณลักษณะการตรวจวัดที่สำคัญในอาหาร สี การเคลือบโพลีเมอร์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่การไหลแบบพาความร้อนเป็นผลิตภัณฑ์หรือคุณลักษณะการใช้งานที่สำคัญ

การเปลี่ยนแปลงความหนืดเล็กน้อยอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของของเหลวปิโตรเลียม ความสำคัญของการวัดความหนืดจลนศาสตร์ทำให้อุตสาหกรรมปิโตรเลียมพัฒนาวิธีการที่แม่นยำ ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1937, ASTM D445, วิธีทดสอบสำหรับความหนืดจลนศาสตร์ของของเหลวใสและทึบแสง

คำว่า "จลนศาสตร์" หมายความง่ายๆ ว่าการวัดเกิดขึ้นในขณะที่ของไหลไหลภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง กำหนดโดยการวัดเวลาที่ต้องใช้เพื่อให้ปริมาตรของของไหลไหลตามแรงโน้มถ่วงผ่านเครื่องวัดความหนืดของเส้นเลือดฝอยแก้วที่สอบเทียบแล้ว

แม้ว่าจะฟังดูง่าย แต่การได้รับความแม่นยำสูงและเที่ยงตรงตามที่อุตสาหกรรมต้องการนั้นเป็นงานที่ยากมาก มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อความแม่นยำของวิธีทดสอบนี้

จากมุมมองทางเศรษฐกิจ ข้อผิดพลาดหนึ่งเปอร์เซ็นต์ในความหนืดของผลิตภัณฑ์ซึ่งส่งผลให้มีการปรับส่วนผสมอาจเพิ่มต้นทุนผลิตภัณฑ์ได้หนึ่งเซ็นต์ต่อแกลลอน สำหรับผู้ผลิตน้ำมันหล่อลื่นรายใหญ่ อาจส่งผลให้สูญเสียรายได้ 1 ล้านเหรียญสหรัฐหรือมากกว่าต่อปี

อุณหภูมิ
ดังคำกล่าวที่ว่า "ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อมูลค่าบ้านคือทำเล ทำเล ทำเล" เมื่อพูดถึงการวัดความหนืด "ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อคุณภาพของการวัดความหนืดคืออุณหภูมิ อุณหภูมิ อุณหภูมิ"

การควบคุมอุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการวัดความหนืดจลนศาสตร์ที่แม่นยำและแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม เนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงความหนืดต่อหน่วยอุณหภูมินั้นสูงกว่าผลิตภัณฑ์อื่นๆ อย่างมาก

ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อความหนืดของของเหลว อุณหภูมิอ่างที่วัดได้โดยทั่วไปคือ 40 องศา และ 100 องศา จะต้องควบคุมภายใน +/- 0.02 องศา นี่เป็นช่วงที่แคบมากและต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งเพื่อให้บรรลุการควบคุมนี้

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่ออุณหภูมิ:

เครื่องวัดอุณหภูมิ เมื่อวัดความหนืด ต้องใช้เทอร์โมมิเตอร์ที่ระบุหรืออุปกรณ์ตรวจจับอุณหภูมิอื่นที่มีความแม่นยำตามที่กำหนดและตรงตามข้อกำหนดของวิธีทดสอบ

การอ่านเทอร์โมมิเตอร์อย่างแม่นยำถึง 0.01 องศาอาจเป็นเรื่องยาก ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้แว่นขยาย ต้องจุ่มเทอร์โมมิเตอร์ลงในอ่างให้มีความลึกที่ถูกต้อง ต้องปรับเทียบเป็น +/- 0.02 องศาอย่างน้อยปีละครั้ง นอกจากนี้ ควรกำหนดจุดเยือกแข็งของเทอร์โมมิเตอร์ทุกๆ หกเดือน และใช้ปัจจัยแก้ไข

ขั้นตอนการสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์มีความซับซ้อนและอธิบายไว้ใน ASTM E77 วิธีทดสอบสำหรับการตรวจสอบและทวนสอบเทอร์โมมิเตอร์ เนื่องจากการควบคุมอุณหภูมิเป็นตัวแปรที่สำคัญ จึงแนะนำให้ใช้เทอร์โมมิเตอร์สองตัวต่อการอาบน้ำ

อุณหภูมิอ่างจะสม่ำเสมอและคงที่ ความสม่ำเสมอและความเสถียรของอุณหภูมิอ่างเป็นปัจจัยสำคัญอื่นๆ ต้องรักษาความยาวทั้งหมดของเครื่องวัดความหนืดไว้ในอุณหภูมิที่เหมาะสม ประเภทของสารหมุนเวียนที่ใช้ อายุของของเหลวในอ่าง และความหนืดของของเหลวในอ่างจะส่งผลต่อความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ

ความหนืดของสารหมุนเวียนและของเหลวในอ่างจะต้องมีความสมดุลเพื่อให้อุณหภูมิที่สม่ำเสมอทั่วทั้งอ่าง จำเป็นต้องเปลี่ยนน้ำยาอาบน้ำให้หมดก่อนที่จะเริ่มเปลี่ยนสี เนื่องจากการเปลี่ยนสีมักจะบ่งบอกว่าของเหลวออกซิไดซ์และความหนืดอาจเพิ่มขึ้น

ไม่ควรวางอ่างอาบน้ำใกล้กับช่องระบายอากาศ เช่น ในตู้ดูดควัน เนื่องจากมักส่งผลให้อุณหภูมิในอ่างเปลี่ยนไปมากเกินไป หากเพิ่มเครื่องวัดความหนืดตัวที่สองลงในอ่างทดสอบในขณะที่ใช้เครื่องวัดความหนืดอีกตัวที่อยู่ติดกันในการวัด ความเสถียรของอุณหภูมิจะได้รับผลกระทบในทางลบ

แสงสว่าง ขณะอยู่ในอ่าง ตัวอย่างในหลอดต้องมีแสงสว่างเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่ามีการตรวจสอบวงเดือนด้วยสายตาอย่างสม่ำเสมอตลอดเส้นเวลา สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าแสงนี้ไม่ส่งผลต่อการควบคุมอุณหภูมิและความเสถียรของอ่างอาบน้ำ

ไม่ควรคำนึงถึงข้อกำหนดด้านอุณหภูมิเหล่านี้อย่างไม่ใส่ใจ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในความหนืดของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมบางประเภท

เครื่องวัดความหนืด
เครื่องวัดความหนืดทั้งหมดต้องใช้แก้วบอโรซิลิเกตที่มีการขยายตัวต่ำที่ผ่านการอบอ่อนเต็มที่ในการก่อสร้าง มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกขนาดของเครื่องวัดความหนืดที่จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ตัวอย่าง ขั้นแรก จะต้องปรับเทียบเครื่องวัดความหนืดเพื่อคำนวณความหนืด

ขั้นตอนนี้อธิบายไว้ใน ASTM D446 ข้อมูลจำเพาะและคู่มือการใช้งานสำหรับเครื่องวัดความหนืดจลนศาสตร์ของเส้นเลือดฝอยแก้ว มาตรฐานความหนืดใช้เพื่อกำหนดค่าคงที่ของเครื่องวัดความหนืด แม้ว่ามาตรฐานเดียวจะเพียงพอที่จะได้รับค่าคงที่ แต่การใช้สองมาตรฐานที่ครอบคลุมช่วงของเส้นเลือดฝอยจะทำให้เกิดค่าคงที่การสอบเทียบที่เชื่อถือได้มากขึ้น

มาตรฐานความหนืดมีวันหมดอายุและไม่ควรใช้เกินวันที่ดังกล่าว คุณสามารถซื้อเครื่องวัดความหนืดที่สอบเทียบแล้วซึ่งมีค่าคงที่ที่อุณหภูมิที่เหมาะสมได้ เนื่องจากสำหรับเครื่องวัดความหนืดบางประเภท ค่าคงที่ของความหนืดจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ การคำนวณค่าคงที่ของความหนืดสำหรับอุณหภูมิของตัวอย่างที่วิเคราะห์จึงเป็นสิ่งสำคัญ ควรตรวจสอบค่าคงที่ของ Viscometer อย่างน้อยปีละครั้ง

เครื่องวัดความหนืดต้องมีขนาดเพื่อให้เวลาไหลสำหรับการวัดด้วยตนเองอยู่ที่อย่างน้อย 200 วินาที มิฉะนั้นการประสานงานระหว่างตาและมือจะเป็นปัจจัยสำคัญ ผู้ปฏิบัติงานรอให้วงเดือนของของไหลผ่านเส้นบอกเวลาและวัดเวลาการไหลโดยใช้นาฬิกาหรือนาฬิกาจับเวลา ต้องใช้เวลาไหลมากกว่า 200 วินาทีเพื่อขจัดความผันแปรของผู้ปฏิบัติงานที่อาจเกิดขึ้น

แน่นอนว่าต้องใช้หลอดวัดความหนืดที่สะอาดในการวิเคราะห์ แต่คำว่า "สะอาด" หมายความว่าอย่างไรกันแน่ ท่อต้องปราศจากฝุ่นหรืออนุภาคอื่นๆ และของเหลวควรทำให้พื้นผิวกระจกเปียกอย่างชัดเจน

โดยทั่วไป ก็เพียงพอแล้วที่จะล้างหลายครั้งด้วยตัวทำละลายตัวอย่าง เช่น แนฟทา ตามด้วยตัวทำละลายแห้ง เช่น อะซิโตน จากนั้นล้างด้วยก๊าซแห้งไร้ฝุ่น เช่น อากาศหรือไนโตรเจน ตัวทำละลายจะต้องแห้งโดยไม่ทิ้งสารตกค้างใดๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อกังวลหากใช้ตัวทำละลายเกรดเชิงพาณิชย์หรือยูทิลิตี้

สารตกค้างจากตัวอย่างก่อนหน้านี้ที่เคลือบไว้ด้านในของเครื่องวัดความหนืดสามารถกำจัดออกได้ด้วยสารละลายทำความสะอาดกรดโครมิก 1 หรือสารละลายทำความสะอาดออกซิไดซ์อย่างแรงที่ไม่มีโครเมียม 2

ห้ามใช้น้ำยาทำความสะอาดที่เป็นของเหลวอัลคาไลน์หรือน้ำยาทำความสะอาดใดๆ ที่มีค่า pH มากกว่า 80 เนื่องจากสารดังกล่าวจะเปลี่ยนขนาดของเส้นเลือดฝอยโดยการละลายผนังกระจก ซึ่งส่งผลให้ค่าคงที่การสอบเทียบเปลี่ยน

ของเหลวประเภทนี้พบได้ทั่วไปในห้องปฏิบัติการวิเคราะห์และสามารถนำไปใช้งานอื่นๆ ได้ แต่หากใช้ในการทำความสะอาดหลอดทดลอง จะต้องมีการสอบเทียบหลอดทดลองใหม่ อีกวิธีหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่การสอบเทียบเครื่องวัดความหนืดขนาดต่ำสุดอย่างมีนัยสำคัญคือการแช่หลอดทดลองในน้ำเดือดข้ามคืน ท่ออาจสะอาดแต่จะต้องปรับเทียบใหม่ก่อนใช้งาน

ท่อจะต้องแห้งก่อนใช้งาน ขอแนะนำให้ใช้อากาศแห้งไร้ฝุ่นหรือไนโตรเจน

เมื่อแขวนไว้ในอ่างอุณหภูมิคงที่ ท่อควรอยู่ในตำแหน่งแนวตั้งที่กำหนด ปราศจากการสั่นสะเทือน และที่ความลึกของการแช่ที่ระบุ ปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตและคำแนะนำในวิธีทดสอบ

อุปกรณ์จับเวลา
อุปกรณ์จับเวลาต้องมีความแม่นยำภายใน +/- 0.07% ของการอ่าน และต้องสามารถอ่านได้ภายในช่วงความละเอียด 2,000 วินาทีหรือ 0.1 วินาทีสำหรับหนึ่งส่วน เป็นระยะเวลา 200 วินาที ต้องใช้ความระมัดระวังเมื่อใช้อุปกรณ์จับเวลาอิเล็กทรอนิกส์เนื่องจากกระแสสลับอาจไม่แม่นยำตามที่ต้องการ

การประมวลผลตัวอย่าง
หากมองเห็นอนุภาคได้ ควรเก็บตัวอย่างที่กรองแล้ว นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเมื่อวิเคราะห์น้ำมันใช้แล้ว เนื่องจากตัวอย่างไม่ควรมีอากาศ จึงควรปล่อยให้แข็งตัวเพื่อกระจายอากาศที่กักไว้ ถ้ามี เช่นเดียวกับน้ำยาทำความสะอาดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะเปลี่ยนค่าคงที่การสอบเทียบ ตัวอย่างที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (pH สูง) ก็เปลี่ยนแปลงเช่นกัน

เมื่อค่า pH ของตัวอย่างเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงค่าคงที่จะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้น ยิ่งเส้นเลือดฝอยมีขนาดเล็กลง การเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องก็จะเร็วขึ้นเท่านั้น หลังจากวิเคราะห์ตัวอย่างที่มีฤทธิ์กัดกร่อนแล้ว อาจจำเป็นต้องปรับเทียบหลอดทดลองใหม่ แม้ว่าโดยทั่วไปจะไม่พบตัวอย่างที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมก็ตาม

ตัวอย่างจะต้องได้รับการปรับสมดุลที่อุณหภูมิการทดสอบที่ต้องการ อาจใช้เวลาถึง 30 นาที วัสดุบางอย่างอาจใช้เวลานานกว่านั้น

ควรได้รับการวัดเวลาการไหลสองครั้งสำหรับแต่ละตัวอย่าง หากการวัดค่าความหนืดจลนศาสตร์สองครั้งที่คำนวณจากการวัดเวลาการไหลนั้นสอดคล้องกับขีดจำกัดความสามารถในการวัดที่ระบุสำหรับประเภทของตัวอย่างที่กำลังทดสอบ ควรรายงานค่าเฉลี่ยของการวัดทั้งสองค่า

หากระบุความไม่สอดคล้องกันสองครั้งภายในช่วงที่กำหนดได้ที่ระบุ ต้องทำการวัดซ้ำหลังจากตรวจสอบและแก้ไขสาเหตุที่เป็นไปได้แล้ว เครื่องวัดความหนืดที่สกปรก อุณหภูมิอ่างที่ไม่ถูกต้อง หรือเวลาในการปรับสมดุลอาจเป็นความผิดได้

เครื่องวัดความหนืดอัตโนมัติ
เครื่องวัดความหนืดอัตโนมัติถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมมานานกว่า 30 ปีเพื่อกำหนดความหนืดจลนศาสตร์ D445 โดยจำลองสภาพทางกายภาพ การทำงาน หรือกระบวนการของอุปกรณ์แบบแมนนวล และต้องตรงตามความแม่นยำที่ระบุโดยวิธีการ

ข้อกำหนดทั้งหมดยกเว้นข้อกำหนดข้อใดข้อหนึ่งข้างต้นมีผลใช้กับเครื่องมืออัตโนมัติอย่างเท่าเทียมกัน สำหรับเครื่องมืออัตโนมัติ ข้อกำหนดด้านเวลาการไหลที่เกิน 200 วินาทีจะถูกผ่อนคลายลง คณะอนุกรรมการ ASTM D02.07 ลักษณะการไหล ซึ่งรับผิดชอบวิธีทดสอบนี้ กำลังกำหนดเวลาการไหลขั้นต่ำที่อนุญาตสำหรับเครื่องมืออัตโนมัติเหล่านี้

หากข้อกำหนดด้านเวลาการไหลผ่อนคลายลง ข้อกำหนดเพิ่มเติมสองประการจะเข้ามามีบทบาท ขั้นแรก การคำนวณความหนืดจลน์จากค่าคงที่ของท่อและเวลาการไหลอาจต้องใช้คำเพิ่มเติม ซึ่งก็คือปัจจัยการแก้ไขพลังงานจลน์ ปัจจัยนี้จะคำนึงถึงพลังงานที่กระทำเพื่อเร่งของเหลวขณะไหลจากแหล่งกักเก็บไปยังท่อคาปิลารี

สำหรับเวลาการไหลที่นานขึ้น การแก้ไขนี้ไม่สำคัญเลย ประการที่สอง อุปกรณ์จับเวลาต้องรักษาความละเอียดและความไวในการตรวจจับไว้ 1 ส่วนในปี 2000

การควบคุมคุณภาพ
ควรใช้ตัวอย่างควบคุมคุณภาพเป็นระยะๆ เพื่อติดตามระบบการวัดและตรวจสอบว่าผลลัพธ์อยู่ภายในความแม่นยำของวิธีทดสอบ

ควรใช้ตัวอย่างที่มีองค์ประกอบคล้ายคลึงกับตัวอย่างที่วิเคราะห์โดยทั่วไป ASTM D6299 แนวปฏิบัติมาตรฐานสำหรับการประยุกต์ใช้เทคนิคการประกันคุณภาพทางสถิติเพื่อประเมินประสิทธิภาพของระบบการวัดเชิงวิเคราะห์ ให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับระบบควบคุมคุณภาพ

สรุป
วิธีทดสอบความหนืดจลนศาสตร์ของของเหลวใสและทึบแสงเป็นหนึ่งในการทดสอบที่สำคัญที่สุดในอุตสาหกรรมปิโตรเลียม มีการใช้มาตั้งแต่ปี 1937 แต่วิธีการนี้ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เทคนิคนี้ดูเหมือนง่าย แต่มีปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด การปฏิบัติตามข้อกำหนดทั้งหมดสำหรับการดำเนินการวิธีการทดสอบจะช่วยให้ห้องปฏิบัติการมีคุณสมบัติตรงตามหรือเกินกว่าความแม่นยำที่ระบุ

หมายเหตุของผู้เขียน

กรดโครมิกเป็นอันตรายต่อสุขภาพและต้องจัดการด้วยความระมัดระวัง มันเป็นพิษ เป็นสารก่อมะเร็งที่ได้รับการยอมรับ มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงและอาจเป็นอันตรายเมื่อสัมผัสกับสารอินทรีย์

น้ำยาทำความสะอาดออกซิไดซ์อย่างแรงที่ไม่มีโครเมียมยังมีฤทธิ์กัดกร่อนสูงและอาจเป็นอันตรายเมื่อสัมผัสกับวัสดุอินทรีย์