ویسکوزیته یا گرانروی، میزان مقاومت یک سیال در برابر جاری شدن یا لغزش لایههای آن روی یکدیگر است. به زبان ساده، هرچه ویسکوزیته بیشتر باشد، سیال سختتر جریان پیدا میکند. به همین دلیل عسل در دمای یکسان آهستهتر از آب جاری میشود. ویسکوزیته به دو نوع اصلی دینامیک و سینماتیک تقسیم میشود و مقدار آن بدون ذکر دما معنای دقیقی ندارد. در آزمایشگاه فرآوردههای نفتی، گرانروی سینماتیک معمولاً با اندازهگیری زمان عبور نمونه از ویسکومتر موئین کالیبرهشده در دمای کنترلشده و مطابق روش آزمون ASTM D445 تعیین میشود.
در ادامه، تعریف ویسکوزیته، تفاوت آن با چگالی و غلظت، فرمولها، واحدهای cP و cSt، عوامل مؤثر بر گرانروی و نکات عملی اندازهگیری آن را بررسی میکنیم. با نیک ابزار آزما همراه باشید.
گرانروی چیست؟
اگر بخواهیم به پرسش «گرانروی یعنی چه؟» دقیق اما ساده پاسخ دهیم، باید بگوییم گرانروی بیانگر اصطکاک داخلی سیال است. هنگام حرکت سیال، لایههای مجاور با سرعتهای متفاوت روی یکدیگر میلغزند. نیروهای بینمولکولی و انتقال تکانه میان این لایهها در برابر حرکت نسبی مقاومت ایجاد میکنند؛ اندازه این مقاومت با ویسکوزیته توصیف میشود.
برای لمس این مفهوم، یک قاشق را ابتدا در آب و سپس در عسل حرکت دهید. نیروی بیشتری که برای حرکت قاشق در عسل لازم است، نتیجه گرانروی بالاتر آن است. البته ظاهر «غلیظ» یا «رقیق» بهتنهایی معیار اندازهگیری نیست. مقدار ویسکوزیته باید با روش مشخص، در دمای معین و با واحد مناسب گزارش شود.
ویسکوزیته فقط به مایعات مربوط نیست و گازها نیز گرانروی دارند. بااینحال، در صنایع نفت، روانکار و کنترل کیفیت، تمرکز اصلی معمولاً بر رفتار مایعات و فرآوردههای نفتی است.
تفاوت ویسکوزیته با چگالی و غلظت چیست؟
گرانروی، چگالی و غلظت سه مفهوم متفاوتاند:
- ویسکوزیته یا گرانروی: مقاومت سیال در برابر جریان یا تغییر شکل برشی است.
- چگالی: جرم موجود در واحد حجم است و معمولاً با kg/m³ یا g/cm³ بیان میشود.
- غلظت: مقدار یک جزء یا ماده حلشده در مخلوط یا محلول را نشان میدهد.
دو مایع میتوانند چگالی نزدیک ولی گرانروی متفاوت داشته باشند. همچنین افزایش غلظت یک محلول ممکن است گرانروی را تغییر دهد، اما این دو واژه هممعنا نیستند. این تمایز در تبدیل ویسکوزیته دینامیک به سینماتیک مهم است، زیرا چگالی در فرمول تبدیل وارد میشود.
انواع ویسکوزیته کداماند؟
ویسکوزیته معمولا به دو شکل دینامیک و سینماتیک گزارش میشود. این دو کمیت به هم مرتبطاند، اما تعریف و واحد یکسانی ندارند.
ویسکوزیته دینامیک یا مطلق
ویسکوزیته دینامیک که با نمادهای μ یا η نمایش داده میشود، مقاومت داخلی سیال در برابر تغییر شکل برشی را بیان میکند. هرچه برای ایجاد یک نرخ برش مشخص به تنش بیشتری نیاز باشد، ویسکوزیته دینامیک بیشتر است.
واحد SI آن پاسکالثانیه (Pa·s) است. در کاربردهای آزمایشگاهی از میلی پاسکال ثانیه (mPa·s) یا سانتیپواز (cP) نیز بسیار استفاده میشود؛ این دو از نظر عددی برابرند:
1 mPa·s = 1 cP
ویسکوزیته سینماتیک
ویسکوزیته سینماتیک که با نماد ν نشان داده میشود، نسبت ویسکوزیته دینامیک به چگالی سیال است. این کمیت در عمل رفتار جریان سیال تحت اثر گرانش را توصیف میکند و در کنترل کیفیت فرآوردههای نفتی اهمیت زیادی دارد.
واحد SI آن مترمربع بر ثانیه (m²/s) است، اما در صنعت نفت معمولاً از میلیمترمربع بر ثانیه (mm²/s) یا سانتیاستوکس (cSt) استفاده میشود:
1 mm²/s = 1 cSt
| ویژگی | ویسکوزیته دینامیک | ویسکوزیته سینماتیک |
|---|---|---|
| مفهوم | مقاومت در برابر تغییر شکل برشی | ویسکوزیته دینامیک نسبت به چگالی |
| نماد رایج | μ یا η | ν |
| واحد SI | Pa·s | m²/s |
| واحد رایج صنعتی | mPa·s یا cP | mm²/s یا cSt |
| روش متداول در فرآوردههای نفتی | اندازهگیری مستقیم با ابزار مناسب یا محاسبه از ν و ρ | زمان عبور در ویسکومتر موئین کالیبرهشده |
فرمول ویسکوزیته چیست؟
فرمول مورد استفاده به نوع ویسکوزیته و روش اندازهگیری بستگی دارد.
فرمول ویسکوزیته دینامیک برای سیال نیوتنی
برای یک سیال نیوتنی، رابطه تنش برشی و نرخ برش به شکل زیر نوشته میشود:
τ = μ × (du/dy)
بنابراین:
μ = τ / (du/dy)
در این رابطه:
- τ تنش برشی با واحد پاسکال است؛
- μ ویسکوزیته دینامیک با واحد Pa·s است؛
- du/dy گرادیان سرعت یا نرخ برش با واحد s⁻¹ است.
این رابطه برای سیال نیوتنی معتبر است. یعنی سیالی که در دما و فشار مشخص، نسبت تنش برشی به نرخ برش آن ثابت میماند.
فرمول ویسکوزیته سینماتیک
رابطه میان ویسکوزیته سینماتیک، دینامیک و چگالی عبارت است از:
ν = μ / ρ
و در جهت معکوس:
μ = ν × ρ
در این روابط، ν ویسکوزیته سینماتیک، μ ویسکوزیته دینامیک و ρ چگالی سیال است. دما باید برای ویسکوزیته و چگالی مشخص باشد. در محاسبات دقیق، استفاده از چگالی متناظر با شرایط مورد نظر اهمیت دارد.
فرمول محاسبه گرانروی با ویسکومتر موئین
در اندازهگیری گرانروی سینماتیک با ویسکومتر شیشهای کالیبره شده، رابطه پایه به شکل زیر است:
ν = C × t
در این رابطه:
- C ثابت کالیبراسیون ویسکومتر است.
- t زمان عبور نمونه بین نشانههای تعیینشده، بر حسب ثانیه است.
- ν گرانروی سینماتیک، معمولاً بر حسب mm²/s است.
این فرمول ساده به نظر میرسد، اما اعتبار نتیجه به انتخاب ویسکومتر مناسب، کنترل دما، آمادهسازی نمونه، تمیزی لوله، زمانسنجی صحیح و رعایت الزامات روش آزمون وابسته است.
واحد ویسکوزیته چیست؟
واحد ویسکوزیته باید متناسب با نوع آن انتخاب شود. استفاده از cP برای ویسکوزیته سینماتیک یا cSt برای ویسکوزیته دینامیک اشتباه است.
واحدهای ویسکوزیته دینامیک
| واحد | نماد | تبدیل |
|---|---|---|
| پاسکالثانیه | Pa·s | واحد SI |
| میلیپاسکالثانیه | mPa·s | 1 mPa·s = 0.001 Pa·s |
| پواز | P | 1 P = 0.1 Pa·s |
| سانتیپواز | cP | 1 cP = 1 mPa·s |
واحدهای ویسکوزیته سینماتیک
| واحد | نماد | تبدیل |
|---|---|---|
| مترمربع بر ثانیه | m²/s | واحد SI |
| میلیمترمربع بر ثانیه | mm²/s | 1 mm²/s = 10⁻⁶ m²/s |
| استوکس | St | 1 St = 10⁻⁴ m²/s |
| سانتیاستوکس | cSt | 1 cSt = 1 mm²/s |
تفاوت cP و cSt چیست؟
cP واحد ویسکوزیته دینامیک و cSt واحد ویسکوزیته سینماتیک است. برای تبدیل این دو باید چگالی سیال را بدانیم. اگر چگالی بر حسب g/cm³ باشد، رابطه کاربردی چنین است:
ν (cSt) = μ (cP) ÷ ρ (g/cm³)
برای مثال، اگر ویسکوزیته دینامیک یک روغن (cP) 100 و چگالی آن در شرایط متناظر (g/cm³) 0.89 باشد، ویسکوزیته سینماتیک آن تقریبا (cSt) 112.4 خواهد بود. بدون دانستن چگالی، تبدیل مستقیم cP به cSt معتبر نیست.
چه عواملی بر ویسکوزیته اثر میگذارند؟
درک عوامل مؤثر بر ویسکوزیته برای هر کارشناس آزمایشگاه کنترل کیفیت ضروری است. بیایید این عوامل را یک به یک بررسی کنیم.
دما
دما مهمترین متغیر عملی در اندازهگیری گرانروی است. در بیشتر مایعات، با افزایش دما ویسکوزیته کاهش پیدا میکند. روغن گرم راحتتر از روغن سرد جریان مییابد. در گازها روند معمول برعکس است و ویسکوزیته با افزایش دما بیشتر میشود.
به همین دلیل، نوشتن عدد ویسکوزیته بدون دمای آزمون ناقص است. عبارت «گرانروی روغن (cSt) 68 است» باید به شکل «گرانروی سینماتیک روغن در 40 درجه سلسیوس (mm²/s) 68 است» گزارش شود. حتی انحراف کوچک دما میتواند نتیجه را تغییر دهد. بنابراین پایداری و یکنواختی حمام دمایی از عوامل اصلی تکرارپذیری آزمون است.
فشار
در فشارهای نزدیک به فشار محیط، اثر فشار بر ویسکوزیته بسیاری از مایعات در مقایسه با دما کمتر است. با افزایش زیاد فشار، ویسکوزیته مایعات عموما افزایش مییابد. این موضوع در سامانههای هیدرولیک پرفشار، تماسهای روانکاری تحت بار و برخی فرایندهای صنعتی اهمیت پیدا میکند.
ترکیب شیمیایی و ساختار مولکولی
طول و شکل زنجیرههای مولکولی، نیروهای بینمولکولی، سهم اجزای سنگین و وجود افزودنیها بر گرانروی اثر میگذارند. در روغن کارکرده نیز اکسیداسیون، ورود سوخت، دوده، آب یا محصولات تخریب میتواند مقدار اندازهگیری شده را نسبت به روغن نو تغییر دهد.
نرخ برش و نوع رفتار سیال
در سیالات نیوتنی، ویسکوزیته در دما و فشار ثابت به نرخ برش وابسته نیست. اما ویسکوزیته ظاهری سیالات غیرنیوتنی با نرخ یا مدت اعمال برش تغییر میکند. گریسها، سوسپانسیونها و بسیاری از مواد پلیمری ممکن است غیرنیوتنی باشند. برای این مواد، یک عدد ویسکوزیته بدون ذکر شرایط برش نمیتواند رفتار کامل ماده را توصیف کند و معمولا ویسکومتر روتاری یا رئومتر مناسبتر است.
آلودگی، آب، ذرات و حباب
ذرات معلق میتوانند مسیر موئین را مختل کنند و آب یا آلودگی نیز ماهیت نمونه را تغییر دهد. حباب هوا، پرکردن نادرست، باقیماندن حلال یا نمونه قبلی در لوله و تمیز نبودن ویسکومتر از علل رایج نتایج نامعتبر یا اختلاف تکرارها هستند.
چرا ویسکوزیته در روغن و فرآوردههای نفتی مهم است؟
تشکیل فیلم روانکار
روغن باید بین سطوح متحرک فیلمی ایجاد کند که از تماس مستقیم فلز با فلز کم کند. ویسکوزیته کمتر از محدوده مناسب ممکن است ضخامت فیلم را کاهش دهد. ویسکوزیته بیش از حد نیز میتواند اتلاف انرژی، مقاومت در برابر حرکت و دشواری پمپاژ را افزایش دهد. انتخاب «بالاترین ویسکوزیته» هدف نیست. انتخاب گرید سازگار با طراحی تجهیز و شرایط کار اهمیت دارد.
پمپاژ و راه اندازی در دمای پایین
با کاهش دما، روغنها معمولا مقاوم به حرکت میشوند. این تغییر میتواند بر استارت سرد، رسیدن روانکار به قطعات، افت فشار خط و توان موردنیاز پمپ اثر بگذارد. در طراحی خطوط انتقال و انتخاب پمپ نیز باید ویسکوزیته در دمای واقعی بهرهبرداری در نظر گرفته شود.
پاشش و احتراق سوخت
گرانروی سوخت بر اتمیزه شدن، اندازه قطرات و عملکرد سامانه تزریق اثر دارد. ویسکوزیته بالاتر از محدوده میتواند پاشش را دشوار کند و مقدار بسیار پایین نیز ممکن است بر آب بندی و روانکاری اجزای سامانه سوخترسانی اثر منفی بگذارد.
کنترل کیفیت و پایش وضعیت روغن
مقایسه گرانروی روغن کار کرده با مقدار مبنا میتواند نشانهای از تغییر وضعیت باشد. کاهش گرانروی ممکن است با رقیقشدن توسط سوخت یا اختلاط با سیال سبکتر مرتبط باشد. افزایش گرانروی نیز میتواند با اکسیداسیون، آلودگی با دوده، تبخیر اجزای سبک یا اختلاط با روغن گرانروتر ارتباط داشته باشد. تفسیر نهایی باید همراه سایر نتایج آزمایش و سابقه تجهیز انجام شود.
شاخص ویسکوزیته با ویسکوزیته چه تفاوتی دارد؟
ویسکوزیته مقدار مقاومت سیال در برابر جریان در شرایط مشخص است. شاخص ویسکوزیته یا VI عددی است که تغییر گرانروی سینماتیک روغن با دما را توصیف میکند. هرچه VI بالاتر باشد، گرانروی روغن در محدوده دمایی مرجع کمتر تغییر میکند.
برای بسیاری از فرآوردههای نفتی، شاخص ویسکوزیته طبق ASTM D2270 و با استفاده از گرانروی سینماتیک در 40 و 100 درجه سلسیوس محاسبه میشود. بنابراین VI مستقیما با آزمون D445 «اندازهگیری» نمیشود؛ ابتدا مقادیر گرانروی به دست میآیند و سپس شاخص محاسبه میشود.
گرانروی چگونه اندازهگیری میشود؟
روش اندازهگیری باید بر اساس نوع سیال، محدوده گرانروی، شفاف یا کدر بودن نمونه، رفتار نیوتنی یا غیرنیوتنی و استاندارد محصول انتخاب شود.
ویسکومتر موئین
در ویسکومتر موئین شیشهای، زمان جریان حجم مشخصی از نمونه تحت اثر گرانش در یک لوله کالیبره اندازهگیری میشود. این روش برای تعیین گرانروی سینماتیک بسیاری از مایعات نیوتنی و فرآوردههای نفتی کاربرد دارد. ویسکومترهای موئین طرحهای مختلفی دارند. انتخاب طرح و اندازه باید مطابق نوع نمونه، دامنه ویسکوزیته و روش آزمون انجام شود.
برای نمونههای شفاف معمولا از ویسکومترهای جریان مستقیم مانند Cannon-Fenske Routine و انواع مناسب Ubbelohde استفاده میشود. برای مایعات کدر، روغنهای سوخته، ویسکومترهای جریان معکوس مانند Cannon-Fenske Opaque یا Zeitfuchs Cross-Arm، مطابق روش و محدوده کاربردشان، به کار میروند. نام دقیق لوله بهتنهایی کافی نیست؛ گواهی کالیبراسیون، ثابت لوله و محدوده زمان جریان نیز باید کنترل شود.
ویسکومتر روتاری و رئومتر
ویسکومتر روتاری مقاومت سیال در برابر چرخش هندسه اندازهگیری را میسنجد و میتواند ویسکوزیته ظاهری را در شرایط تعریف شده گزارش کند. رئومتر علاوه بر ویسکوزیته، رفتار ماده در دامنهای از تنشها یا نرخهای برش، تنش تسلیم و خواص وابسته به زمان را بررسی میکند.
| ویژگی | ویسکومتر | رئومتر |
|---|---|---|
| هدف اصلی | اندازهگیری یک یا چند مقدار ویسکوزیته در شرایط مشخص | توصیف جامعتر رفتار جریان و تغییر شکل |
| مناسب برای | بسته به نوع ابزار، سیالات نیوتنی و برخی آزمونهای تعریفشده غیرنیوتنی | سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی |
| خروجی معمول | عدد ویسکوزیته یا زمان جریان | منحنی جریان، ویسکوزیته ظاهری، تنش تسلیم و پارامترهای رئولوژیکی |
| کاربرد رایج | کنترل کیفیت روزمره | تحقیقوتوسعه، فرمولاسیون و تحلیل رفتار پیچیده |
اندازهگیری گرانروی سینماتیک طبق ASTM D445
ASTM D445 روش آزمون گرانروی سینماتیک فرآوردههای نفتی مایع شفاف و کدر را با اندازهگیری زمان جریان تحت اثر گرانش در ویسکومتر موئین شیشهای کالیبرهشده شرح میدهد. در این روش، حاصلضرب زمان جریان در ثابت کالیبراسیون، گرانروی سینماتیک را میدهد. ویسکوزیته دینامیک نیز با استفاده از گرانروی سینماتیک و چگالی محاسبه میشود.
روند کلی آزمون شامل مراحل زیر است؛ جزئیات اجرایی و معیار پذیرش باید از نسخه جاری استاندارد، روش آزمایشگاه و دستورالعمل سازنده استخراج شود:
- همگنسازی و آمادهسازی نمونه متناسب با شفاف یا کدر بودن آن
- انتخاب نوع و اندازه ویسکومتر متناسب با نمونه و محدوده مورد انتظار
- تمیز و خشک کردن صحیح لوله و پرکردن آن بدون ایجاد حباب
- قرار دادن ویسکومتر در حمام و رسیدن نمونه به تعادل دمایی
- اندازهگیری زمان عبور بین نشانهها با زمانسنج مناسب
- تکرار اندازهگیری و بررسی انطباق نتایج با معیار روش
- محاسبه و گزارش نتیجه همراه واحد، دمای آزمون و اطلاعات لازم
توجه داشته باشید که شماره و سال انتشار استاندارد ممکن است بهروزرسانی شود. پیش از تدوین SOP یا اعلام انطباق، نسخه جاری و دارای مجوز ASTM D445 بررسی شود.
چرا نتایج دو آزمون ویسکوزیته با هم متفاوت میشوند؟
اختلاف نتیجه همیشه به خرابی دستگاه مربوط نیست. موارد زیر باید مرحله به مرحله بررسی شوند:
- دمای حمام: ناپایداری، گرادیان دمایی یا دماسنج نامناسب نتیجه را تغییر میدهد.
- انتخاب لوله: ثابت یا اندازه نامناسب میتواند زمان جریان را خارج از دامنه مطلوب قرار دهد.
- آلودگی ویسکومتر: باقیماندن نمونه قبلی، شوینده، رطوبت یا ذرات سطح داخلی را تغییر میدهد.
- حباب هوا: حباب در ستون مایع، عبور یکنواخت و تشخیص زمان را مختل میکند.
- آمادهسازی نمونه: همگننبودن، تهنشینی یا گرمکردن نامناسب بهویژه در نمونههای کدر مهم است.
- زمان تعادل حرارتی: آغاز زودهنگام آزمون باعث میشود دمای واقعی نمونه با دمای تنظیمشده یکسان نباشد.
- زمانسنجی و تشخیص منیسک: خطای اپراتور یا سامانه تشخیص، بهخصوص در زمانهای عبور کوتاه، اثر بیشتری دارد.
- کالیبراسیون و ردیابیپذیری: ثابت ویسکومتر، دماسنج و زمانسنج باید طبق برنامه آزمایشگاه کنترل شوند.
اگر اختلاف تکرارها ادامه داشت، بهتر است بهجای میانگینگیری دلخواه، علت ریشهای شناسایی و آزمون طبق معیارهای روش تکرار شود.
هنگام انتخاب دستگاه اندازهگیری ویسکوزیته چه نکاتی مهم است؟
پیش از خرید یا سفارش دستگاه، ابتدا روش آزمون و نوع نمونه را مشخص کنید. سپس موارد زیر را بسنجید:
- استانداردها و روشهای آزمون موردنیاز آزمایشگاه
- شفاف، کدر، خورنده یا فرار بودن نمونهها
- محدوده ویسکوزیته و دماهای آزمون
- تعداد نمونه روزانه و نیاز به سیستم دستی، نیمهخودکار یا خودکار
- پایداری و یکنواختی حمام دمایی
- نوع ویسکومترهای قابل نصب و دسترسی به لولههای کالیبره
- روش زمانسنجی و ثبت داده
- امکان تمیزکاری ایمن و جلوگیری از آلودگی متقاطع
- خدمات نصب، آموزش، کالیبراسیون و تأمین قطعات
جمعبندی
در پاسخ به پرسش «گرانروی یا ویسکوزیته چیست؟» میتوان گفت ویسکوزیته مقاومت داخلی سیال در برابر جریان و حرکت نسبی لایهها است. ویسکوزیته دینامیک با واحد Pa·s یا cP و ویسکوزیته سینماتیک با واحد m²/s یا cSt بیان میشود. رابطه ν = μ/ρ این دو کمیت را به چگالی مرتبط میکند و در آزمون موئین نیز گرانروی سینماتیک از رابطه ν = C×t به دست میآید.
از آن جا که دما، نوع نمونه، نرخ برش، آلودگی و روش اندازهگیری بر نتیجه اثر دارند، هر عدد ویسکوزیته باید همراه شرایط آزمون تفسیر شود. در آزمایشگاه فرآوردههای نفتی، انتخاب ویسکومتر مناسب، کنترل دقیق دما، آمادهسازی صحیح نمونه و اجرای نسخه جاری روش آزمون، پایه دستیابی به نتایج قابلتکرار و قابلمقایسه است.