ما هي اللزوجة الحركية؟

&نبسب; &نبسب; اللزوجة الحركية هي مقياس لمقاومة السائل الداخلية للتدفق تحت قوى الجاذبية. يتم تحديده عن طريق قياس الوقت بالثواني، اللازم لتدفق حجم ثابت من السائل لمسافة معروفة بواسطة الجاذبية عبر أنبوب شعري داخل مقياس اللزوجة المعاير عند درجة حرارة يتم التحكم فيها عن كثب.

&نبسب; &نبسب; يتم تحويل هذه القيمة إلى وحدات قياسية مثل السنتيستوكس (ج.س.ت) أو المليمتر المربع في الثانية. لا يكون تقرير اللزوجة صالحًا إلا عندما يتم أيضًا الإبلاغ عن درجة الحرارة التي تم إجراء الاختبار فيها - على سبيل المثال 23 سنتي ستوك عند 40 درجة مئوية.

&نبسب; &نبسب; &نبسب;من بين جميع الاختبارات المستخدمة لتحليل الزيوت المستعملة، لا يوجد أي منها يوفر تكرارًا أو اتساقًا أفضل للاختبار من اللزوجة. وبالمثل، لا توجد خاصية أكثر أهمية للتزييت الفعال للمكونات من لزوجة الزيت الأساسي. ومع ذلك، هناك المزيد من اللزوجة مما تراه العين. يمكن قياس اللزوجة والإبلاغ عنها على أنها لزوجة ديناميكية (مطلقة) أو على أنها لزوجة حركية. يمكن الخلط بين الاثنين بسهولة، لكنهما مختلفان بشكل كبير.

&نبسب; &نبسب; تقوم معظم مختبرات تحليل الزيوت المستخدمة بقياس اللزوجة الحركية والإبلاغ عنها. على النقيض من ذلك، تقيس معظم أجهزة قياس اللزوجة في الموقع اللزوجة الديناميكية، ولكنها مبرمجة لتقدير اللزوجة الحركية والإبلاغ عنها، بحيث تعكس قياسات اللزوجة المبلغ عنها الأرقام الحركية التي أبلغت عنها معظم المعامل وموردي زيوت التشحيم.

&نبسب; &نبسب; نظرًا لأهمية تحليل اللزوجة إلى جانب الشعبية المتزايدة لأدوات تحليل الزيت في الموقع المستخدمة لفحص واستكمال تحليل الزيوت المختبرية خارج الموقع، فمن الضروري أن يفهم محللو النفط الفرق بين قياسات اللزوجة الديناميكية والحركية.

&نبسب; &نبسب; بشكل عام، اللزوجة هي مقاومة السائل للتدفق (إجهاد القص) عند درجة حرارة معينة. في بعض الأحيان، يُشار إلى اللزوجة بشكل خاطئ على أنها السُمك (أو الوزن). اللزوجة ليست قياسًا للأبعاد، لذا فإن وصف الزيت عالي اللزوجة بأنه سميك والأقل لزوجة رقيق هو أمر مضلل.

&نبسب; &نبسب; وبالمثل، فإن الإبلاغ عن اللزوجة لأغراض رائجة دون الإشارة إلى درجة الحرارة أمر غير منطقي. يجب تحديد درجة الحرارة لتفسير قراءة اللزوجة. عادة، يتم الإبلاغ عن اللزوجة عند 40 درجة مئوية و/أو 100 درجة مئوية أو كليهما إذا كان مؤشر اللزوجة مطلوبًا.

معادلة اللزوجة الحركية

&نبسب; &نبسب; يتم استخدام العديد من الوحدات الهندسية للتعبير عن اللزوجة، ولكن الأكثر شيوعًا هي سينتيستوك (ج.س.ت) للزوجة الحركية وcentipoise (سي بي) للزوجة الديناميكية (المطلقة). اللزوجة الحركية في ج.س.ت عند 40 درجة مئوية هي الأساس لنظام تصنيف اللزوجة الحركية ايزو 3448، مما يجعلها المعيار الدولي. يمكن ربط أنظمة اللزوجة الحركية الشائعة الأخرى مثل سايبولت عالمي ثواني (SUS) ونظام الدرجات ساي بقياس اللزوجة في ج.س.ت عند 40 درجة مئوية أو 100 درجة مئوية.

قياس اللزوجة الحركية

&نبسب; &نبسب; يتم قياس اللزوجة الحركية من خلال ملاحظة الوقت الذي يستغرقه الزيت للانتقال عبر فتحة الشعيرات الدموية تحت قوة الجاذبية (الشكل 1). تنتج فتحة أنبوب مقياس اللزوجة الحركي مقاومة ثابتة للتدفق. تتوفر شعيرات دموية مختلفة الحجم لدعم السوائل ذات اللزوجة المختلفة.

&نبسب; &نبسب; يمكن تحويل الوقت الذي يستغرقه تدفق السائل عبر الأنبوب الشعري إلى لزوجة حركية باستخدام ثابت معايرة بسيط متوفر لكل أنبوب. الإجراء السائد لإجراء قياسات اللزوجة الحركية هو أستم D445، وغالبًا ما يتم تعديله في معمل تحليل الزيوت المستعملة لتوفير الوقت وجعل قياس الاختبار أكثر كفاءة.

الشكل 1. مقياس اللزوجة الشعري على شكل حرف U&نبسب;

قياس اللزوجة الديناميكية (اللزوجة المطلقة)

&نبسب; &نبسب; يتم قياس اللزوجة الديناميكية على أنها مقاومة التدفق عندما تدفع قوة خارجية ومتحكم بها (مضخة، هواء مضغوط، إلخ.) الزيت عبر أنبوب شعري (أستم D4624)، أو عندما يتم دفع الجسم عبر السائل بواسطة قوة خارجية ومتحكم فيها مثل المغزل يقودها محرك. وفي كلتا الحالتين، يتم قياس مقاومة التدفق (أو القص) كدالة لقوة الإدخال، مما يعكس المقاومة الداخلية للعينة للقوة المطبقة، أو لزوجتها الديناميكية.

&نبسب; &نبسب; هناك عدة أنواع وتجسيدات لمقاييس اللزوجة المطلقة. تعتبر طريقة بروكفيلد الدوارة الموضحة في الشكل 2 هي الأكثر شيوعًا. تم استخدام قياس اللزوجة المطلقة في تطبيقات الأبحاث ومراقبة الجودة وتحليل الشحوم في مجال تزييت الآلات.

الشكل 2. مقياس اللزوجة الدوار أستم D2983 

&نبسب; &نبسب; يتم تحديد إجراءات اختبار اللزوجة الديناميكية في المختبر بطريقة بروكفيلد التقليدية بواسطة أستم D2983 وD6080 وغيرها. ومع ذلك، أصبحت اللزوجة الديناميكية شائعة في مجال تحليل الزيوت المستعملة لأن معظم أجهزة قياس اللزوجة الموجودة في الموقع والتي تباع في السوق اليوم تقيس اللزوجة الديناميكية، وليس اللزوجة الحركية.&نبسب;

&نبسب; &نبسب; بشكل عام، ترتبط اللزوجة الحركية (ج.س.ت) باللزوجة المطلقة (سي بي) كدالة للثقل النوعي للسائل (سان جرمان) وفقًا للمعادلات الموجودة في الشكل 3.

الشكل 3. معادلات اللزوجة&نبسب;

&نبسب; &نبسب; على الرغم من أن هذه المعادلات تبدو بسيطة وأنيقة، إلا أنها تنطبق فقط على ما يسمى بالسوائل النيوتونية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تظل الجاذبية النوعية للسائل ثابتة خلال فترة الاتجاه. ولا يمكن افتراض ثبات أي من هذه الشروط في تحليل الزيت المستعمل، لذلك يجب أن يكون المحلل على دراية بالظروف التي يمكن أن يحدث فيها التباين.

اللزوجة الحركية: السوائل النيوتونية مقابل السوائل غير النيوتونية

&نبسب; &نبسب; السائل النيوتوني هو سائل يحافظ على لزوجة ثابتة عبر جميع معدلات القص (يختلف إجهاد القص خطيًا مع معدل القص). تسمى هذه الموائع بالنيوتونية لأنها تتبع الصيغة الأصلية التي وضعها السير إسحاق نيوتن في قانونه لميكانيكا الموائع. لكن بعض السوائل لا تتصرف بهذه الطريقة. بشكل عام، تسمى بالسوائل غير النيوتونية. وتشمل السوائل النيوتونية الغازات والماء والزيت والبنزين والكحول.

&نبسب; &نبسب; هناك مجموعة من السوائل غير النيوتونية يشار إليها باسم متغيرة الانسيابية وهي ذات أهمية خاصة في تحليل الزيوت المستعملة لأن لزوجة السائل متغيرة الانسيابية تنخفض مع زيادة معدل القص. تزداد لزوجة السائل المتغير الانسيابية مع انخفاض معدل القص. مع السوائل المتغيرة الانسيابية، يمكن أن يؤدي ضبط الوقت إلى زيادة اللزوجة الظاهرة كما في حالة الشحوم. تتضمن أمثلة السوائل غير النيوتونية ما يلي:

• سوائل سماكة القص: تزداد اللزوجة مع زيادة معدل القص. على سبيل المثال، عندما يوضع نشا الذرة في الماء ويقلب، يصبح أكثر سمكًا مع مرور الوقت.

• سوائل ترقق القص: تقل اللزوجة مع زيادة معدل القص. طلاء الجدران الخاصة بك هو مثال جيد على ذلك. أثناء تحريك الطلاء، يصبح أكثر مرونة.

• السوائل المتغيرة الانسيابية: تصبح أقل لزوجة عند تحريكها. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك كاتشب الطماطم واللبن. بمجرد اهتزازها، تصبح أكثر سيولة. عندما تُترك بمفردها، فإنها تعود إلى حالة تشبه الهلام.

• السوائل الريوبتيكية: تصبح أكثر لزوجة عند تحريكها. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك حبر الطابعة.

اللزوجة الحركية: مثال عملي

&نبسب; &نبسب; تخيل أن لديك برطمانين أمامك - أحدهما مملوء بالمايونيز والآخر مملوء بالعسل. مع تثبيت كلا الجرتين على سطح الطاولة بشريط فيلكرو، تخيل أنك تغمس سكاكين زبدة متطابقة في كل من السوائل بنفس الزاوية وبنفس العمق. تخيل تحريك السائلين عن طريق تدوير السكاكين بنفس عدد الدورات في الدقيقة مع الحفاظ على نفس زاوية الهجوم.

&نبسب; &نبسب; أي السائلين كان أصعب في التحريك؟ يجب أن تكون إجابتك هي العسل، وهو أصعب بكثير من المايونيز. تخيل الآن فصل البرطمانات عن الفيلكرو الموجود على الطاولة وقلب الجرار على جانبها. أيهما يتدفق من الجرة بشكل أسرع: العسل أم المايونيز؟ يجب أن تكون إجابتك عزيزتي؛ لن يتدفق المايونيز على الإطلاق عن طريق قلب الجرة على جانبها.

&نبسب; &نبسب; أي السوائل أكثر لزوجة العسل أم المايونيز؟ إذا قلت المايونيز، فأنت على حق... جزئيًا على الأقل. وبالمثل، إذا قلت يا عزيزي، فأنت على حق جزئيًا. سبب الشذوذ الواضح هو أنه عند تدوير السكين في كلتا المادتين، يختلف معدل القص، في حين أن تدوير كل جرة على جانبها هو ببساطة قياس المقاومة الساكنة للتدفق.

&نبسب; &نبسب; ولأن العسل سائل نيوتوني في حين أن المايونيز ليس نيوتونيًا، فإن لزوجة المايونيز تنخفض مع زيادة معدل القص، أو مع تدوير السكين. يؤدي التحريك إلى تعريض المايونيز لضغط قص مرتفع، مما يجعله يخضع لتأثير التأثير. على العكس من ذلك، فإن مجرد وضع الجرة على جانبها يعرض المايونيز لضغط قص منخفض، مما يؤدي إلى تغيير طفيف في اللزوجة أو عدم حدوث تغيير على الإطلاق، لذلك يميل إلى البقاء في الجرة.

&نبسب; &نبسب; لا يمكن قياس لزوجة السوائل غير النيوتونية بشكل تقليدي. بل يجب قياس اللزوجة الظاهرة، والتي تأخذ في الاعتبار معدل القص الذي تم عنده قياس اللزوجة. (انظر الشكل 4) مثلما أن قياسات اللزوجة لا تكون منطقية ما لم يتم الإبلاغ عن درجة حرارة الاختبار، فإن قياسات اللزوجة الظاهرة لا تكون منطقية ما لم يتم الإبلاغ عن درجة حرارة الاختبار ومعدل القص.

&نبسب; &نبسب; على سبيل المثال، لا يتم الإبلاغ عن لزوجة الشحوم مطلقًا، بل يتم الإبلاغ عن اللزوجة الظاهرة للشحوم بالمئويات (سي بي). (ملاحظة: قد يتم الإبلاغ عن اللزوجة للزيت الأساسي المستخدم في صناعة الشحوم، ولكن ليس للمنتج النهائي.)

&نبسب; &نبسب; بشكل عام، يكون السائل غير نيوتوني إذا كان يتكون من مادة واحدة معلقة (ولكن غير مذابة كيميائيًا) في سائل مضيف. ولكي يحدث هذا، هناك فئتان أساسيتان، المستحلبات والمعلقات الغروية. المستحلب هو التعايش الجسدي المستقر بين سائلين غير قابلين للامتزاج. المايونيز هو سائل شائع غير نيوتوني، يتكون من البيض المستحلب في الزيت، وهو السائل المضيف. نظرًا لأن المايونيز ليس نيوتونيًا، فإن لزوجته تتراجع مع القوة المطبقة، مما يسهل انتشاره.

&نبسب; &نبسب; يتكون المعلق الغروي من جزيئات صلبة معلقة بشكل ثابت في سائل مضيف. العديد من الدهانات عبارة عن معلق غرواني. إذا كان الطلاء نيوتونيًا فإنه إما ينتشر بسهولة ولكنه يسيل إذا كانت اللزوجة منخفضة، أو ينتشر بصعوبة كبيرة ويترك علامات الفرشاة، لكنه لا يسيل إذا كانت اللزوجة عالية.

&نبسب; &نبسب; نظرًا لأن الطلاء غير نيوتوني، فإن لزوجته تتراجع تحت قوة الفرشاة، ولكنها تعود عند إزالة الفرشاة. ونتيجة لذلك، ينتشر الطلاء بسهولة نسبية، لكنه لا يترك علامات الفرشاة ولا يسيل.

اللزوجة الديناميكية مقابل اللزوجة الحركية: ما الفرق

&نبسب; &نبسب; تحدد اللزوجة الديناميكية سمك الفيلم الذي يوفره الزيت. اللزوجة الحركية هي مجرد محاولة مناسبة لتقدير درجة سمك الفيلم الذي يمكن أن يوفره الزيت، ولكن لها أهمية أقل إذا كان الزيت غير نيوتوني.

العديد من تركيبات وظروف التشحيم ستنتج سائلًا غير نيوتوني، بما في ذلك:

• إضافات مُحسّنة لمؤشر اللزوجة (السادس) - يتم تصنيع زيوت المحركات ذات الأساس المعدني متعدد الدرجات (باستثناء الزيوت الأساسية ذات المستوى الطبيعي المرتفع السادس) باستخدام مادة مضافة نابضة تكون مدمجة عند درجات حرارة منخفضة وتتوسع عند درجات حرارة عالية استجابةً لزيادة ملاءة السوائل. ونظرًا لأن هذا الجزيء الإضافي يختلف عن جزيئات الزيت المضيف، فإنه يتصرف بطريقة غير نيوتونية.

• تلوث المياه - لا يختلط الزيت والماء الحر، وليس كيميائيًا على أي حال. ولكن في ظل ظروف معينة، فإنها سوف تتحد لتشكل مستحلبًا، تمامًا مثل المايونيز الذي تمت مناقشته سابقًا. يمكن لأي شخص رأى زيتًا يشبه القهوة مع الكريمة أن يشهد على هذه الحقيقة. على الرغم من أن الأمر قد يبدو غير بديهي، إلا أن تلوث الماء، عند استحلابه في الزيت، يزيد في الواقع من اللزوجة الحركية.

• منتجات التحلل الحراري والأكسدة الثانوية - العديد من منتجات التحلل الحراري والأكسدة الثانوية غير قابلة للذوبان، ولكن يتم حملها بواسطة الزيت في معلق مستقر. هذه المعلقات تخلق سلوكًا غير نيوتوني.

• السخام - يوجد بشكل شائع في محركات الديزل، والسخام هو جسيم يؤدي إلى تعليق غرواني في الزيت. تعمل المادة المضافة المشتتة للزيت، المصممة لمنع جزيئات السخام من التكتل والنمو، على تسهيل تكوين المعلق الغروي.

  
  

&نبسب; &نبسب; إذا تم قياس اللزوجة المطلقة لأحد هذه المستحلبات أو المواد الغروية الشائعة الموصوفة أعلاه باستخدام مقياس اللزوجة المطلق لمعدل القص المتغير (على سبيل المثال، أستم D4741)، فإن القياس سينخفض ​​مع زيادة معدل القص، حتى نقطة التثبيت .

&نبسب; &نبسب; إذا تم تقسيم هذه اللزوجة المطلقة المستقرة على الجاذبية النوعية للسائل لتقدير اللزوجة الحركية، فإن القيمة المحسوبة ستختلف عن اللزوجة الحركية المقاسة. مرة أخرى، تنطبق المعادلات الموجودة في الشكل 3 على السوائل النيوتونية فقط، وليس على السوائل غير النيوتونية الموصوفة أعلاه، ولهذا السبب يحدث هذا التناقض.

اللزوجة الحركية وتأثيرات الجاذبية النوعية

&نبسب; &نبسب; انظر إلى المعادلات في الشكل 3 مرة أخرى. ترتبط اللزوجة المطلقة والحركية للسائل النيوتوني كدالة للثقل النوعي للسائل. خذ بعين الاعتبار الجهاز الموضح في الشكل 1، المصباح الذي يحتوي على عينة الزيت، والذي يتم إطلاقه عند التخلص من الفراغ، ثم ينتج رأس ضغط يدفع الزيت عبر الأنبوب الشعري.

&نبسب; &نبسب; هل يمكن للمرء أن يفترض أن جميع السوائل ستنتج نفس مستوى الضغط؟ لا، الضغط يعتمد على الجاذبية النوعية للسائل، أو وزنه بالنسبة إلى وزن نفس الحجم من الماء. تتمتع معظم زيوت التشحيم ذات الأساس الهيدروكربوني بثقل نوعي يتراوح من 0.85 إلى 0.90. ومع ذلك، يمكن أن يتغير هذا بمرور الوقت عندما يتحلل الزيت أو يصبح ملوثًا (الجليكول والماء والمعادن المسببة للتآكل على سبيل المثال)، مما ينتج عنه فرق بين قياسات اللزوجة المطلقة والحركية.

&نبسب; &نبسب; خذ بعين الاعتبار البيانات الواردة في الجدول 2. كل سيناريو من سيناريوهات النفط الجديدة متطابق، وفي كلتا الحالتين تزيد اللزوجة المطلقة بنسبة 10 في المائة، وعادة ما يكون الحد الأقصى للتغيير في اللزوجة. في السيناريو أ، يؤدي التغير المتواضع في الجاذبية النوعية إلى اختلاف طفيف بين اللزوجة المطلقة المقاسة واللزوجة الحركية.

&نبسب; &نبسب; قد يؤدي هذا التفاضل إلى تأخير إصدار إنذار تغيير الزيت قليلاً، لكنه لن يسبب الكثير من الأخطاء. ومع ذلك، في السيناريو ب، يكون الفرق أكبر بكثير. هنا، تزداد الجاذبية النوعية بشكل ملحوظ، مما يؤدي إلى زيادة مقاسة بنسبة 1.5 بالمائة في اللزوجة الحركية، مقابل زيادة بنسبة 10 بالمائة عند قياسها بمقياس اللزوجة المطلق.

&نبسب; &نبسب; وهذا فرق كبير يمكن أن يدفع المحلل إلى تحديد الوضع على أنه غير قابل للإبلاغ. الخطأ الذي حدث هو الافتراض في كلا السيناريوهين أن السوائل تظل نيوتونية.

&نبسب; &نبسب; نظرًا للإمكانيات العديدة لتكوين سوائل غير نيوتونية، فإن المعيار الحقيقي الذي يهم محلل الزيت وتقنية التشحيم يجب أن يكون اللزوجة المطلقة. وهو ما يحدد سمك طبقة السائل ودرجة حماية أسطح المكونات. لمصلحة الاقتصاد والبساطة وحقيقة أن إجراءات اختبار مواد التشحيم الجديدة يتم استعارتها بشكل شائع لتحليل الزيوت المستعملة، فإن اللزوجة الحركية للزيت هي المعلمة المقاسة المستخدمة في الاتجاه واتخاذ قرارات إدارة التشحيم. ومع ذلك، في بعض الحالات قد يؤدي ذلك إلى إدخال أخطاء لا داعي لها في تحديد لزوجة الزيت.

&نبسب; &نبسب; يمكن اختزال المشكلة في الرياضيات البسيطة. وكما تشير المعادلات في الشكل 3، فإن اللزوجة المطلقة واللزوجة الحركية ترتبطان كدالة للجاذبية النوعية للزيت. إذا كانت كل من اللزوجة والجاذبية النوعية ديناميكية، ولكن تم قياس واحد فقط، فسيحدث خطأ، ولن توفر اللزوجة الحركية تقييمًا دقيقًا للتغير في اللزوجة المطلقة للسائل، المعلمة محل الاهتمام. مقدار الخطأ هو دالة مقدار التغير في المعلمة غير المقاسة، الثقل النوعي.

استنتاجات مهمة فيما يتعلق باللزوجة الحركية

يمكن للمرء استخلاص الاستنتاجات التالية من هذه المناقشة حول قياس اللزوجة:

• بافتراض أن المختبر يقيس اللزوجة بالطرق الحركية، فإن إضافة قياس الثقل النوعي إلى برنامج تحليل الزيت المختبري الروتيني سيساعد على التخلص من هذا كمتغير في تقدير اللزوجة المطلقة من اللزوجة الحركية المقاسة.

  
  عند استخدام مقياس اللزوجة في الموقع، لا تبحث عن اتفاق كامل بين مقياس اللزوجة الحركي الخاص بالمختبر والأداة الموجودة في الموقع. تقيس معظم هذه الأجهزة اللزوجة المطلقة (سي بي) وتطبق خوارزمية لتقدير اللزوجة الحركية (ج.س.ت)، وغالبًا ما تحافظ على ثابت الجاذبية النوعية. النظر في تتجه النتائج من مقياس اللزوجة في الموقع في حزب المحافظين.

  
  

• وهي المعلمة التي يتم قياسها، وتساعد على التمييز بين الاتجاه في الموقع واتجاه البيانات التي ينتجها المختبر باستخدام مقياس اللزوجة الحركي. لا تحاول تحقيق اتفاق تام بين قياسات اللزوجة في الموقع والمختبر. إنه عديم الجدوى ولا يولد سوى قيمة قليلة. في أحسن الأحوال، ابحث عن الارتباط الفضفاض. قم دائمًا بوضع الزيت الجديد على نفس مقياس اللزوجة الذي تستخدمه مع الزيت الموجود في الخدمة.

  
  

• ندرك أن الموائع غير النيوتونية لا توفر نفس حماية الطبقة للزوجة حركية معينة مثل الموائع النيوتونية التي لها نفس اللزوجة الحركية. نظرًا لأن لزوجة السائل غير النيوتوني ستختلف باختلاف معدل القص، فإن قوة الفيلم تضعف تحت حمل التشغيل والسرعة. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل الماء المستحلب يزيد من معدل التآكل في مكونات مثل محامل العناصر المتداول، حيث تكون قوة طبقة السائل أمرًا بالغ الأهمية (بالطبع، يسبب الماء أيضًا آليات تآكل أخرى مثل التجويف البخاري والصدأ والتقصف الهيدروجيني والتقرح).

&نبسب; &نبسب; اللزوجة هي خاصية السوائل الهامة، ومراقبة اللزوجة أمر ضروري لتحليل النفط. يمكن أن تؤدي تقنيات قياس اللزوجة الديناميكية والحركية إلى نتائج مختلفة تمامًا عند اختبار الزيوت المستعملة. تأكد من فهم خصوصيات وعموميات قياس اللزوجة وسلوك السوائل اللزج حتى يمكن اتخاذ قرارات التشحيم الدقيقة.