استاندارد ASTM D445؛ اصول و الزامات در اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته سینماتیکی روانکارها

ویسکوزیته یکی از مهم‌ترین خواص فیزیکی سیالات است که تاثیر مستقیمی بر رفتار جریان، قابلیت پمپاژ، شرایط نگهداری و عملکرد فرآورده‌های نفتی دارد. بسیاری از محصولات نفتی و برخی مواد غیرنفتی به‌عنوان روانکار در تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و عملکرد صحیح این تجهیزات به انتخاب سیالی با ویسکوزیته مناسب وابسته است. همچنین ویسکوزیته سوخت‌های نفتی نقش مهمی در تعیین شرایط بهینه ذخیره‌سازی، حمل‌ونقل و بهره‌برداری ایفا می‌کند.

به همین دلیل، اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته یکی از الزامات اصلی کنترل کیفیت و تعیین مشخصات فنی فرآورده‌های نفتی محسوب می‌شود. استاندارد ASTM D445 یکی از شناخته‌شده‌ترین و پرکاربردترین روش‌های آزمون برای تعیین ویسکوزیته سینماتیکی مایعات شفاف و کدر است که در صنایع نفت، پتروشیمی و روانکارها کاربرد گسترده‌ای دارد.

ASTM D445 چیست؟

استاندارد ASTM D445 با عنوان «روش استاندارد آزمون برای تعیین ویسکوزیته سینماتیکی مایعات شفاف و کدر و محاسبه ویسکوزیته دینامیکی» روشی را برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی فرآورده‌های نفتی مایع ارائه می‌دهد. اساس این روش بر اندازه‌گیری زمان لازم برای عبور حجم مشخصی از مایع تحت تاثیر نیروی گرانش از داخل یک ویسکومتر کپیلاری شیشه‌ای کالیبره‌شده است. پس از اندازه‌گیری زمان جریان، مقدار ویسکوزیته سینماتیکی از طریق ثابت کپیلاری محاسبه می‌شود. در این استاندارد، ویسکوزیته دینامیکی نیز از حاصل‌ضرب ویسکوزیته سینماتیکی در چگالی نمونه به دست می‌آید. بنابراین برای تعیین ویسکوزیته دینامیکی علاوه بر بررسی ویسکوزیته سینماتیک، اندازه‌گیری چگالی نیز ضروری است.

اهمیت اندازه‌گیری ویسکوزیته در فرآورده‌های نفتی

ویسکوزیته یکی از مهم‌ترین پارامترهای تعیین‌کننده کیفیت فرآورده‌های نفتی است. تغییرات این ویژگی می‌تواند بر عملکرد محصول در شرایط مختلف تاثیر مستقیم داشته باشد. از آنجا که عملکرد بسیاری از روانکارها به ویسکوزیته وابسته است، اندازه‌گیری دقیق این پارامتر نقش مهمی در اطمینان از عملکرد صحیح تجهیزات صنعتی دارد.

بر اساس استاندارد ASTM D445، اندازه‌گیری ویسکوزیته برای اهداف زیر انجام می‌شود:

• ارزیابی کیفیت فرآورده‌های نفتی
• بررسی قابلیت استفاده و عملکرد محصول
• تعیین شرایط مناسب ذخیره‌سازی
• ارزیابی شرایط حمل‌ونقل و جابه‌جایی
• کنترل کیفیت در فرآیند تولید
• تطابق محصول با مشخصات فنی تعریف شده

مبنای اندازه‌گیری در ASTM D445

در این روش، نمونه درون یک سل کپیلاری استاندارد قرار می‌گیرد. سپس زمان عبور مایع بین دو نقطه مشخص در سل کپیلاری اندازه‌گیری می‌شود. این زمان جریان مبنای محاسبه ویسکوزیته سینماتیکی است. برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد، اندازه‌گیری زمان جریان معمولا به‌صورت دو بار تکرار شده و بین دو آزمون عملیات تمیزکاری انجام می‌شود. ویسکوزیته سینماتیکی از طریق ضرب زمان جریان در ثابت کپیلاری محاسبه می‌شود. ثابت کپیلاری از طریق کالیبراسیون با استفاده از مواد مرجع دارای ویسکوزیته مشخص تعیین می‌شود. به همین دلیل ASTM D445 یک روش اندازه‌گیری غیرمستقیم ویسکوزیته محسوب می‌شود، زیرا مقدار ویسکوزیته از روی زمان جریان نمونه محاسبه می‌شود.

این استاندارد در چه محدوده ای کاربرد دارد؟

• این روش آزمون برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی فرآورده‌های نفتی شفاف و کدر طراحی شده است.
• طبق استاندارد، محدوده اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی از 0.2 تا 300000 میلی‌متر مربع بر ثانیه را پوشش می‌دهد.
• نتایج حاصل از این آزمون به رفتار رئولوژیکی نمونه وابسته است. این روش عمدتا برای مایعاتی مناسب است که رفتار نیوتونی دارند.
• برای موادی که رفتار غیر نیوتونی دارند ممکن است ویسکومترهایی با قطرهای لوله باریک متفاوت نتایج متفاوتی ارائه دهند.

عوامل موثر بر دقت نتایج

عواملی مانند دما و آماده سازی نمونه تاثیر زیادی در ویسکوزیته نمونه دارند بنابراین می‌توانند روی نتایج حاصل از این آزمون نیز اثر بگذارند:

الف: دما

دما یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر اندازه‌گیری ویسکوزیته است. کوچک‌ترین تغییرات دما می‌تواند موجب تغییر قابل توجه در نتایج آزمون شود. بر اساس الزامات ASTM D445، در بازه دمایی 15 تا 100 درجه سانتی گراد، حداکثر انحراف مجاز دما برابر با 0.02±  درجه سانتی‌گراد است. برای دماهای خارج از این محدوده نیز انحراف مجاز 0.05± درجه سانتی‌گراد تعیین شده است. به همین دلیل استفاده از حمام ویسکوزیته دمایی کنترل شده و تجهیزات اندازه‌گیری دقیق دما برای اجرای صحیح آزمون ضروری است. نمونه باید پیش از اندازه‌گیری به مدت کافی در حمام دمایی قرار گیرد تا به تعادل حرارتی برسد. در منابع مربوط به ASTM D445 معمولا زمان حدود 30 دقیقه برای این کار  توصیه شده است، هرچند این زمان می‌تواند با توجه به نوع دستگاه، دما و ویسکوزیته نمونه متفاوت باشد.

ب: آماده سازی نمونه

• کیفیت آماده‌سازی نمونه تاثیر مستقیمی بر دقت نتایج دارد.
• برای مایعات شفاف، نمونه باید همگن شده و گازهای محلول از آن خارج شوند. در صورت وجود ذرات جامد ، عملیات فیلتراسیون ضروری است.
• برای سوخت‌های باقیمانده و مایعات کدر، مراحل آماده‌سازی شامل گرمایش، همگن‌سازی و حذف ذرات جامد است. در این حالت استفاده از فیلتر توصیه می‌شود.
• وجود ذرات جامد یکی از مهم‌ترین منابع خطا در آزمون ویسکوزیته محسوب می‌شود. تمامی ذرات بزرگ‌تر از 75 میکرومتر باید حذف شوند.
• از آنجایی که وجود گرد و غبار داخل سل باعث بروز خطا می‌شود، نگهداری صحیح و تمیزکاری کامل کپیلاری ها  نقش مهمی در دستیابی به نتایج دقیق و تکرارپذیر ایفا می‌کند.

تجهیزات مورد استفاده در این آزمون

آزمون ASTM D445 با استفاده از ویسکومتر های کپیلاری شیشه‌ای دستی یا اتوماتیک انجام می‌شود.

برای نمونه‌ها و محدوده‌های مختلف ویسکوزیته، انواع متفاوتی از لوله ها مورد استفاده قرار می‌گیرند که شامل موارد زیر هستند:

• لوله کپیلاری نوع اوستوالد (Oswald Type)
• لوله کپیلاری نوع سطح معلق (Suspended-Level Type)
• لوله کپیلاری جریان معکوس (Reverse-Flow Type)

سیستم اندازه‌گیری معمولا از اجزای زیر تشکیل می‌شود:

• لوله کپیلاری شیشه ای کالیبره شده
• نگهدارنده لوله کپیلاری
• سیستم کنترل دما
• حمام دمایی
• دماسنج
• مایعات مناسب حمام
• دستگاه زمان‌سنج با دقت مورد نیاز استاندارد

طبق الزامات ASTM D445، دستگاه زمان‌سنج باید دارای دقت حداقل ±0.07 درصد و قدرت تفکیک زمانی 0.1 ثانیه باشد.

واحدهای گزارش نتایج

در این استاندارد از واحدهای SI استفاده می‌شود.

ویسکوزیته سینماتیکی بر حسب میلی متر مربع بر ثانیه (mm²/s) گزارش می‌شود و ویسکوزیته دینامیکی بر حسب میلی پاسکال‌ثانیه (mPa·s) بیان می‌شود.

• 1 mm²/s معادل 1 cSt است.
• 1 mPa·s معادل 1 cP است.

ویسکومتر سری SVM براساس هر دو استاندارد D7042 و D445

استاندارد جایگزین برای اندازه‌گیری ویسکوزیته

استاندارد ASTM D7042 (روش استاندارد اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی مایعات با استفاده از ویسکومتر استابینگر SVM و محاسبه ویسکوزیته سینماتیکی) بهترین جایگزین برای ASTM D445 است. این سیستم‌ها علاوه بر رفع محدودیت‌های روش‌های قدیمی، با نیاز به حجم نمونه کمتر، سرعت بالاتر، قابلیت اندازه‌گیری همزمان ویسکوزیته و دانسیته و سهولت کاربری، نیازهای آزمایشگاه‌ها را به طور کامل پوشش می‌دهند.

جمع‌بندی

استاندارد ASTM D445 یکی از روش‌های تعیین ویسکوزیته سینماتیکی در صنایع نفت، سوخت و روانکارها محسوب می‌شود. این روش با اندازه‌گیری زمان جریان یک حجم مشخص از مایع در کپیلار شیشه ای کالیبره‌شده، امکان تعیین دقیق ویسکوزیته سینماتیکی را فراهم می‌کند و در صورت اندازه‌گیری چگالی، محاسبه ویسکوزیته دینامیکی نیز امکان‌پذیر خواهد بود. برای افزایش سرعت و دقت و امکان بررسی چگالی و ویسکوزیته سینماتیک به صورت همزمان استفاده از ویسکومتر های سری SVM ساخت کمپانی Anton Paar بهترین انتخاب است که مطابق استاندارد ASTM D7042 طراحی شده و مزایای قابل توجهی نسبت به ویسکومتر های کپیلاری دارد.