ASTM D7042 | اندازه گیری همزمان ویسکوزیته و دانسیته

استاندارد ASTM D7042 یکی از روش‌های استاندارد برای اندازه‌گیری هم‌زمان ویسکوزیته دینامیکی و چگالی مایعات با استفاده از دستگاه ویسکوزیته کینماتیک یا ویسکومتر استابینگر است. این روش همچنین امکان محاسبه ویسکوزیته سینماتیکی را از مقادیر ویسکوزیته دینامیکی و چگالی فراهم می‌کند. ویسکوزیته و چگالی از جمله پارامترهای مهم در آنالیز فرآورده‌های نفتی و نفت خام هستند. ویسکوزیته اطلاعات مهمی درباره رفتار جریان یک سیال ارائه می‌دهد و در بسیاری از فرآورده‌های نفتی که به‌عنوان روان‌کننده استفاده می‌شوند، برای اطمینان از عملکرد صحیح تجهیزات اهمیت دارد. از سوی دیگر، چگالی یک ویژگی فیزیکی است که در بررسی بخش‌های مختلف نفت و فرآورده‌های نفتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استاندارد ASTM D7042 روش اندازه‌گیری این دو پارامتر را در یک آنالیز مشخص می‌کند. همچنین  با استفاده از ویسکومتر کینماتیک سری SVM ، امکان تعیین سریع و دقیق ویسکوزیته دینامیکی و چگالی و محاسبه ویسکوزیته سینماتیک فراهم می‌شود.

ASTM D7042  چیست؟

این استاندارد، روش اندازه‌گیری هم‌زمان ویسکوزیته دینامیکی η و چگالی ρ فرآورده‌های نفتی مایع و نفت خام را، چه شفاف و چه کدر، مشخص می‌کند. در صورتی که ویسکوزیته دینامیکی و چگالی در یک دمای آزمون یکسان اندازه‌گیری شوند، ویسکوزیته سینماتیکی ν  از تقسیم ویسکوزیته دینامیکی بر چگالی به دست می‌آید. این روش آزمون به رفتار نمونه وابسته است و برای مایعاتی در نظر گرفته شده است که در آن‌ها، تنش برشی و نرخ برش با یکدیگر متناسب هستند؛ یعنی نمونه از رفتار جریان نیوتنی برخوردار است. اگر نمونه‌ها در دو دمای مختلف با اختلاف حداقل 20 درجه سانتیگراد اندازه‌گیری شوند، امکان انجام محاسبات دیگری از جمله محاسبه شاخص ویسکوزیته (VI) و density extrapolation نیز وجود دارد. محاسبه شاخص ویسکوزیته مطابق با استاندارد ASTM D2270  انجام می‌شود.

اهمیت اندازه‌گیری ویسکوزیته و دانسیته فرآورده‌های نفتی

بسیاری از فرآورده‌های نفتی و برخی مواد غیر نفتی به‌عنوان روان ‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد صحیح تجهیزات به ویسکوزیته مایع مورد استفاده وابسته است. به همین دلیل، کنترل و تعیین دقیق آن یکی از پارامترهای مهم در ارزیابی و مشخصات فنی بسیاری از محصولات به شمار می‌رود. ویسکوزیته بسیاری از سوخت‌های نفتی نیز برای برآورد شرایط بهینه ذخیره ‌سازی، جابه‌جایی و بهره ‌برداری اهمیت دارد. بنابراین، اندازه‌ گیری دقیق ویسکوزیته تنها یک پارامتر آزمایشگاهی نیست، بلکه می‌تواند در ارزیابی مناسب‌بودن شرایط استفاده از فرآورده نفتی نیز نقش داشته باشد.

در کنار این پارامتر، چگالی نیز یکی از ویژگی‌های فیزیکی بنیادی برای آنالیز نفت و فرآورده‌های نفتی است. این پارامتر را می‌توان در کنار سایر خواص برای بررسی نفت و فرآورده‌های نفتی به کار برد. همچنین تعیین چگالی یا چگالی نسبی این نمونه ها برای تبدیل حجم‌های اندازه‌گیری‌ شده به حجم در دمای استاندارد 15  درجه سانتیگراد ضروری است.

الزامات مربوط به این استاندارد

الف: دستگاه ویسکومتر استابینگر SVM

ویسکومترهای سری SVM دارای یک سیستم اندازه‌گیری متشکل از rotating coaxial cylinder است و ویسکوزیته را بر اساس نسخه اصلاح ‌شده اصل اندازه‌گیری کوئت (Couette) بررسی می‌کند. در این روش، چگالی با استفاده از یک لوله U  شکل نوسانی اندازه‌گیری می‌شود. سپس با استفاده از ویسکوزیته دینامیکی و چگالی آنالیز شده در همان دمای آزمون، ویسکوزیته کینماتیک محاسبه می‌شود. سیستم گرمایش و سرمایش ترموستاتیک نیز پایداری دما را در محدوده انحراف دمای تنظیم‌شده ±0.005  درجه سانتیگراد تضمین می‌کند. این دستگاه مطابق ASTM D7042 عمل می‌کند و همچنین نتایج قابل گزارش در ASTM D445  را نیز ارائه می‌دهد.

ب: آماده ‌سازی نمونه

در این قسمت آماده سازی نمونه برای ترکیبات مختلف را با یکدیگر بررسی می‌کنیم.

• نمونه‌های ناهمگن و حاوی حباب

برای اندازه‌گیری ویسکوزیته مطابق  ASTM D7042، نمونه باید همگن و بدون حباب باشد. وجود حباب هوا می‌تواند بر شرایط اندازه‌گیری تاثیر بگذارد؛ بنابراین در صورت نیاز می‌توان از حمام اولتراسونیک برای حذف حباب‌ها استفاده کرد. برای دستیابی به همگنی نمونه نیز می‌توان آن را هم زد؛ برای مثال، استفاده از همزن مغناطیسی می‌تواند برای همگن ‌سازی نمونه به کار رود. نمونه را می‌توان با استفاده از تجهیزات تزریق دستی یا خودکار وارد سل اندازه‌گیری کرد. در روش دستی، نمونه با استفاده از یک سرنگ 5 میلی‌لیتری تزریق می‌شود، در حالی که در سیستم‌های نمونه گیر خودکار، نمونه به‌صورت اتوماتیک به سل منتقل می‌شود. در هر دو روش، برای جلوگیری از ایجاد حباب، سل باید آهسته و به ‌صورت پیوسته پر شود.

• نمونه‌هایی با نقطه ریزش بالا

برخی نمونه‌ها مانند موم‌ها و نفت خام‌ سنگین دارای نقطه ریزش (Pure Point) بالایی هستند و قبل از پر کردن سل به عملیات گرمایشی اضافی نیاز دارند. برای آماده‌سازی چنین نمونه‌هایی می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد. از جمله این موارد می‌توان به استفاده از آون آزمایشگاهی برای پیش‌ گرمایش نمونه در صورت پر کردن دستی با سرنگ، استفاده از سرنگ گرم ‌شونده و همچنین بکارگیری دستگاه پرکن گرم برای پر کردن دستی اشاره کرد. در سیستم‌های نمونه گیر خودکار نیز، می‌توان از سیستم مجهز به گرم ‌کن برای گرم‌کردن نمونه قبل از تزریق استفاده کرد و با به‌کارگیری شلنگ های گرم‌ شونده، سیال بودن نمونه را در تمام مسیر انتقال تا سل اندازه‌گیری و بطری waste  حفظ کرد.

• نمونه‌های فرار و دارای نقطه جوش پایین

نمونه‌هایی که دارای اجزای فرار و نقطه جوش پایین هستند ممکن است به اعمال حداکثر 1 bar  فشار برگشتی به سل اندازه‌گیری نیاز داشته باشند. در صورت پر کردن دستی با سرنگ، استفاده از یک بطری waste  تحت فشار می‌تواند شرایط مناسبی برای اندازه‌گیری ایجاد کند. در سیستم‌های اتوماتیک نیز می‌توان نمونه گیر خودکار را با یک واحد تحت فشار ترکیب کرد.

• نمونه‌های حاوی ذرات

نمونه‌هایی مانند روغن کارکرده و نفت خام ممکن است حاوی ذرات باشند. این نمونه‌ها باید پیش از اندازه‌گیری از یک توری با اندازه منافذ 75  میکرومتر عبور داده شوند. به‌طور ویژه، ذرات فرومغناطیس باید با استفاده از یک تله ذرات مغناطیسی حذف شوند. در مقابل، برای اندازه‌گیری نمونه‌های کدر به آماده‌سازی اضافی یا تجهیزات ویژه نیاز نیست؛ زیرا ویژگی‌های نوری نمونه در اصل کوئت تاثیری ندارند.

ASTM D7042 و ASTM D445 چه تفاوتی دارند؟

استاندارد ASTM D445 روش استاندارد اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی مایعات شفاف و کدر را با استفاده از کپیلارهای شیشه‌ای توصیف می‌کند. این استاندارد همچنین محاسبه ویسکوزیته دینامیکی را پوشش می‌دهد. در مقابل، ASTM D7042  بر اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی و چگالی با استفاده از ویسکومتر استابینگر تمرکز دارد و سپس امکان محاسبه ویسکوزیته کینماتیکی را فراهم می‌کند. مقادیر ویسکوزیته کینماتیکی به ‌دست‌آمده با روش  ASTM D7042، در صورت اعمال تصحیح بایاس مناسب، با نتایج ASTM D445 معادل هستند. تکرارپذیری و تجدیدپذیری  ASTM D7042  برابر یا قابل مقایسه با ASTM D445 است. به همین دلیل، ASTM D7042  در بسیاری از استانداردها و مشخصات فنی به ‌عنوان روش جایگزین پذیرفته‌شده برای ASTM D445 مورد استناد قرار می‌گیرد.

واحدهای اندازه‌گیری در این استاندارد

برای این استاندارد مقادیر بیان‌ شده در واحدهای  SI  به ‌عنوان واحدهای استاندارد در نظر گرفته می‌شوند و واحد اندازه‌گیری دیگری در این استاندارد گنجانده نشده است. مانند:

• ویسکوزیته دینامیکی: میلی‌پاسکال‌ثانیه [mPa·s]
• ویسکوزیته کینماتیکی: میلی‌متر مربع بر ثانیه [mm²/s]
• دانسیته: گرم بر سانتی ‌متر مکعب [g/cm³] یا کیلوگرم بر متر مکعب [kg/m³]

دقت و محدوده کاربرد این استاندارد

دقت این روش آزمون تنها برای موادی تعیین شده است که نوع ماده، محدوده ویسکوزیته، محدوده چگالی و دمای آن‌ها در بخش 15 استاندارد، یعنی بخش دقت و بایاس (Precision and Bias)، مشخص شده باشد. البته این روش را می‌توان برای محدوده وسیع‌تری از مواد، ویسکوزیته، چگالی و دما نیز به کار برد؛ با این حال، برای موادی که در بخش 15 مربوط به دقت و بایاس فهرست نشده‌اند، ممکن است مقادیر دقت و بایاس قابل اعمال نباشند. از نظر دامنه کاربرد، ASTM D7042  برای فرآورده‌های نفتی مایع و نفت خام، چه شفاف و چه کدر، در نظر گرفته شده است؛ با این شرط که نتیجه آزمون به رفتار نمونه وابسته است و روش عمدتا برای سیالات نیوتنی کاربرد دارد.

سایر استانداردهای مرتبط با ویسکوزیته و چگالی

در کنار  ASTM D7042، چند استاندارد دیگر نیز برای اندازه‌گیری و محاسبه ویسکوزیته و چگالی فرآورده‌های نفتی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ در این قسمت به بررسی آنها می‌پردازیم.

• ASTM D445 روش آزمون استاندارد برای اندازه‌گیری ویسکوزیته کینماتیک مایعات شفاف و کدر و محاسبه ویسکوزیته دینامیکی است.
• ASTM D4052 روش آزمون استاندارد برای اندازه‌گیری چگالی، چگالی نسبی و API  مایعات با استفاده از دانسیتومتر دیجیتال است.
• ASTM D2270 روش استاندارد محاسبه شاخص ویسکوزیته از ویسکوزیته کینماتیک در دماهای 40  و 100 درجه سانتیگراد است.
• ASTM D1217 نیز روش آزمون استاندارد برای اندازه‌گیری چگالی و چگالی نسبی (وزن مخصوص) مایعات با استفاده از پیکنومتر بینگهام است.

جمع ‌بندی

ASTM D7042  روشی برای اندازه‌گیری هم‌زمان ویسکوزیته دینامیکی و چگالی فرآورده‌های نفتی مایع و نفت خام است که امکان محاسبه ویسکوزیته سینماتیکی را نیز فراهم می‌کند. در این روش، ویسکوزیته با استفاده از سیستم اندازه‌گیری استابینگر و بر اساس اصل کوئت اندازه‌گیری می‌شود و چگالی نیز با استفاده از لوله U  شکل تعیین می‌شود. اهمیت این روش از آنجا ناشی می‌شود که ویسکوزیته و چگالی، هر دو از پارامترهای مهم برای بررسی فرآورده‌های نفتی هستند.

نتایج حاصل از  ASTM D7042، پس از اعمال تصحیح بایاس مناسب، با نتایج ASTM D445 قابل مقایسه هستند و مطالعات بین‌آزمایشگاهی، تکرارپذیری این روش را برابر یا قابل مقایسه با ASTM D445  نشان داده‌اند. به همین دلیل، ASTM D7042  در بسیاری از موارد به‌عنوان جایگزینی پذیرفته‌شده برای ASTM D445 مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از دستگاه‌های ویسکومتر استابینگر می‌توان یه صورت همزمان نتایج آنالیز را طبق  ASTM D445 و ASTM D7042 بررسی کرد. در نهایت، انتخاب و اجرای صحیح این روش مستلزم توجه به نوع نمونه، رفتار نیوتنی سیال، آماده‌سازی مناسب نمونه، محدوده ویسکوزیته و چگالی و شرایط دمایی آزمون است تا نتایج به‌دست‌آمده از نظر دقت و قابلیت کاربرد با الزامات روش آزمون مطابقت داشته باشند.