石油产品粘度测试的几种方法简介-黄河（厂）

石油产品粘度测试的几种方法简介

黄河

（过滤技术检测中心   453019）

摘要：随着石油产品的种类的增多，应用也越来越广泛，应用条件越来越极端，人们对油品粘度也更加关注。本论文对油品的粘温变化、粘压变化做了简要分析，并简单地归纳了几种测试牛顿型流体粘度测试方法，对不同油品粘度测试的方法选择提供一些建议。

关键词：粘度；粘温变化；粘压变化

一、前言

谈到粘性，人们很容易从我们经常看到的豆浆、蜂蜜以及米汤等流体中感知到，其实我们日常生活所接触的一切流体都具有粘性，比如水、酒精、润滑油、沥青、塑料、橡胶、空气甚至金属等都具有粘性，粘性是流体的基本特性，所有流体都具有粘性。而我们对流体粘性的利用也非常普遍，小到对自行车链条涂抹特定粘性的润滑油使其更好骑，大到通过估算地底下高压高温原油的粘性来设计开采方案。

粘性是流体的内摩擦力，当流体内部分子之间作相对运动时，都会因为流体内部分子之间的摩擦力而产生内部阻力。粘度值是表示流体运动时分子间摩擦阻力大小的指标。粘度测量在石油、化工、织、国防、医学等行业应用非常广泛。如在医学业．测量血液及生理液体的粘度是最新发展起来的诊断学，特别是在心血管疾病和癌、瘤等疑难杂症的重要诊断手段；在钻井领域，钻井、固井的各个阶段中对钻井液粘度的正确测量和控制不但直接影响钻井效率，而且能决定井的质量；在纤维缠绕过程中，树脂的粘度变化对产品的极限应力影响很大。因此为了更好的利用流体的粘性，对不同温度压力下流体粘度准确测量成了我们必须解决的难题。

流体的粘度不能直接测量,它们的数值往往是通过测量与其有关的物理量,再由有关方程进行计算而得到的。目前,粘度测量的方法有很多种, 流体黏度测试最常用的方法有：毛细管法、振动弦法、落体法、流动杯法和转盘法等。本文简要介绍了毛细管法、振动弦法、旋转盘法等流体粘度测量原理,并且针对不同的测量方法简要地说明了其应用范围。

二、流体粘度大小的影响因素

由于油品粘度随温度和压力变化显著，故通常所说的粘度是指在某一压力、温度下流体的粘度，油品粘度随着温度和压力的不同而不同，粘度随温度变化通常比较显著，一般在常压或低压下粘度随压力的变化比较小，而当压力20 MPa～70 MPa时粘度是常压下的2～4倍，当压力超过70 MPa时，流体粘度变化剧烈，没有一定的规律。

（一）温度对流体粘度的影响

由于粘度是流体内分子之间做相对运动的摩擦力而产生的内部阻力，故当温度升高时，流体内部分子运动加剧，相互距离拉大，分子之间的排斥力减小，使其相互作用时产生的摩擦力减小，所以当温度升高时，流体的粘度降低，由于在使用某种流体时，我们需要其粘度随温度变化越小越好、越稳定越好，故工业应用中一般应用油品的粘温性质来描述流体粘度随温度变化关系。流体粘度随温度变化越稳定，则其粘温性质越好，由于润滑油的粘温性质非常好，被广泛应用于机械润滑。

（二）压力对流体粘度的影响

当石油产品所受的压力增大时，其分子间的距离缩小，导致分子间的排斥力增加，粘度也随之增大。在常压或低压下，压力对石油产品体积的影响非常小，油品分子间距变化较小，所以低压或常压下压力变化对油品的粘度影响较小。对于石油产品而言，只有当压力大到20 MPa时，压力对其粘度才有显著的影响，如压力达到35 MPa时，油品的粘度约为常压下的两倍，其变化率远小于温度对油品粘度的影响。

三、油品粘度的几种测试方法

由于油品粘度随温度、压力变化非常明显，所以工业应用中对不同温度压力下流体粘度的准确测试就显得非常重要。以下简要介绍下毛细管法、振动弦法、旋转盘法等几种粘度测试法，由于这几种方法各有优劣，一般我们需要根据所测试油品的种类、所需达到的测试条件和所需测试精度来选择采用哪种测试方法。

（一）毛细管粘度测试法

毛细管测试年度的原理为：根据伯肃叶定律（poiseulle），将不可压缩的所测试流体在水平的毛细管中做稳定的层流运动时，根据所测试流体的流量Ｑ与管道两端的压力差ΔP、管道半径R0、管道长度L及流体粘度系数η的关系来测试流体粘度的方法。

不可压缩流体的动力黏度可根据肃叶定律（poiseulle）表述为：（1）

η ：动力黏度；R0：毛细管半径；L：毛细管长度；△P：毛细管两端压差；t：流体流过毛细管的时间；

V：时间t内流过毛细管的流体体积

上述（1）式为理想条件下的泊肃叶定律，在实际情况中考虑到动能损失和毛细管尺寸的变化将上述公式修正为：

  （2）

α：毛细管热膨胀系数；ΔT：测量点温度与检定温度之差；ρ：测量点流体密度；n：动能修正系数

式（2）中流体体积可由时间t内流过毛细管流体质量和测量点流体的密度ρ确定。所以得：

  (3)

以上推理可知在毛细管内径R、长度L和待测流体密度ρ已知的情况下，只需要测量出流体流过毛细管的时间t、时间t内流体流过毛细管的质量m以及毛细管两端的压降△P即可得到待测流体的动力黏度值。

流体在毛细管中的运动如图1所示：

图1毛细管中流体流动简图

由于毛细管法测试粘度测量精度高，结构简单，且在国际上应用非常普遍，大多数国家的液体粘度基准是通过毛细管测试方法建立起来的，并且可以测试极端条件下流体的粘度，且测试不确定一般在2%～3% 内，是测试流体粘度的首选方法，但是低温下大分子石油产品的粘度比较高，分子管道效应非常严重，会显著地影响测试结果的准确性，一般对于高粘度的大分子石油产品不建议用此方法测试。

（二）振动弦粘度测试法

振动弦法测试粘度的原理为：振动弦理论的基本模型是一根无限长圆截面的金属丝在无限大流体中做横向振动，金属丝的运动与流体的密度和粘度有关。振动弦的振动通过电磁感应实现，将金属丝放置在磁场中，给金属丝通入正弦电流，在磁场的作用下金属丝会做横向振动，在磁场中振动的金属丝又会产生感应电压，产生的感应电压和金属丝的振动速度相对应，通过测量振动丝的振动信号，利用非线性回归将共振曲线拟合成幅值和相位的表达式，就可以得到流体的粘度和密度值

金属丝有三种固定方式（如图2所示），第一种方法是金属丝两端固定，这种方法只能用来测试流体的粘度；第二种固定方式是金属丝一端固定另一端悬挂重物，这种方法可以同时测试流体的粘度和密度；第三种固定方式是金属丝一端固定一端悬挂重物，但是悬挂的是两个重物用平衡装置连接，这种方法也只能测试流体的粘度。

图2振动丝的三种固定方式

由于第二中金属丝固定方式能同时测试流体的密度和粘度，因此一般倾向于选取这种方法测试流体的粘度值。振动法测试粘度结果的不确定度一般在2%～3% 之内，能测量极端条件下流体的粘度值，故在国内外对这种方法的研究比较多，但是由于振动弦法测试粘度对测试设备的要求非常高，在国内应用还不普遍。

（三）旋转盘粘度测试法

旋转盘法粘度测试的原理为：旋转盘法测试粘度时用一块圆盘水平放置于待测溶液表面上，用力矩驱动圆盘旋转运动，通过测量得到作用在圆盘上的力矩M，圆盘的转速度v，圆盘直径求出所测流体的动力粘度µ，由牛顿内摩擦定律可知其摩擦阻力位：

   （4）

A：圆盘与待测流体接触面积；υ：圆盘转速

从而得到流体粘度的动力粘度为：

 （5）

由于（5）式中圆盘的直径d、圆盘转速n以及待测流体高度可以直接测量得到，所以只要测量作用于圆盘的力矩M，就可以直接测出待测流体的粘度。转盘法测试流体的粘度的原理比较简单，只要满足流体测试所需要的条件，都可以进行测试，但其测试结果的不确定度达到了12%，所以其测试结果一般只作参考，不用于工程上计算。

四、结论

石油产品的粘度随温度或压力的不同而不同，一般低压或常压下忽略压力变化对石油产品粘度的影响，压力大于20 MPa时，压力显著改变石油产品粘度的大小，而温度变化对石油产品粘度大小影响很明显。由以上介绍的粘度测试方法可知，在测量时我们必须根据所测试油品的性质以及所需条件选择相应的测试方法。

参考文献

[1] 李阳初，刘雪暖等.石油化学工程原理[M]，中国石化出版社，2008

[2] 徐春明，杨朝合等.石油炼制工程[M]，石油工业出版社，2009

[3] 陈惠钊.粘度测量和应用[J].中国计量，1998

[4] 杜忠选，胡亚非等.粘度测量原理与方法[J]，煤矿机械，2006

作者简介：                                                                                            

黄河（1986—），男，助理工程师，本科，主要从事流体污染测试与控制技术及颗粒度计量技术的研究工作。