關于低硫船用燃料油全自動運動黏度檢測的研究

范和武，石立杰

（1.海南煉化化工股份有限公司檢驗計量中心，海南儋州 578001；2.孚茂科技（北京）有限公司，北京 100071）

0 引言

《2019 年全球海運發展評述報告》研究顯示，近年來船用燃料油年消費量在2.8 億噸左右，其中高硫船用燃料油占比約70%，根據IMO（International Maritime Organization，國際海事組織）的限硫令規定，低硫船用燃料油的市場缺口高達2 億噸。盡管，隨著船用洗滌器的普及，未來高硫燃料油市場可能出現一定程度的回暖，但低硫燃料油仍會占據市場主導地位[1]。因此，低硫燃料油的生產研發不僅對全球環境有巨大貢獻，而且有助于緩解我國成品油產能過剩和低價競爭問題，搶占全球船用燃料油市場[2]。

海南煉化化工股份有限公司是以煉油化工為主營業務的生產企業，面對國際船用燃料油市場出現的新機遇，海南煉化積極響應中石化集團關于全球低硫船用燃料油保障計劃的號召，全力推進低硫船用燃料油的研發和生產，并于2020 年3 月成功生產研發出低硫船用燃料油。

船用燃料油為黑褐色、粘稠狀可燃液體，主要由石油裂化渣油和直餾渣油制成[3]。黏度是低硫船用燃料油最重要的檢測指標之一，能夠反應燃料油的易泵送性和易霧化性能。黏度不僅決定了燃料油的流動性，而且能決定油滴直徑的大小。在高溫缺氧的條件下，直徑過小或過大的油滴均會引起不完全燃燒，產生大量的殘碳物質[4]。另外，對于低硫調和油來說，將低硫輕質燃油和高硫重質燃油按規定的比例進行混合[5]、調質，黏度是其混合比例考慮的因素之一。因此，低硫船用燃料油的黏度檢測非常重要，是檢驗計量中心重要工作之一。

1 燃料油黏度檢測面臨的挑戰

目前關于船用燃料油黏度檢測的質量標準，國際上有ASTM D445-19《透明和不透明液體運動黏度測定法及動力黏度計算法》，國內有GB/T 265—1988《石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算法》和GB/T 11137—1989《深色石油產品運動黏度測定法（逆流法）和動力黏度計算法》。因為船用燃料油是粘稠、常溫下呈半固體狀的物質，日常黏度檢測工作中主要存在以下4個問題：

（1）樣品不均勻。即使同一樣品，連續進樣進行黏度檢測時所得檢測結果經常相差較大、重復性差。

（2）操作繁瑣。ASTM D445-19 和GB/T 11137—1989 均要求將船用燃料油進行60～65 ℃烘箱加熱1 h 的處理，不僅操作時間長，而且在高溫下開放性環境下輕組分更容易揮發，影響實驗室環境和檢測結果。

（3）船用燃料油不僅粘稠，而且含有固體雜質，非常難于清洗。

（4）清洗溶劑是石油醚、甲苯類試劑，對人體、實驗室環境危害比較大。

2 解決方法

2.1 采用Duplo 黏度管

采用Duplo 黏度管有2 個檢測區域，且具有大致相同的黏度管常數，可以解決樣品不均一問題。在Duplo 模式下檢測時，樣品直接被吸到蓄樣池，黏度計同時檢測樣品從上傳感器到中傳感器C1 區域的時間以及中傳感器到下傳感器C2 區域的時間（圖1）。

圖1 Duplo 黏度管工作原理

然后，根據式（1）進行計算：

式中 vt——運動黏度，mm2/s

C——黏度常數，mm2/s2

E——動能校正因子，mm2·s

t——試樣的流動時間，s

這樣，一次檢測得到2 個結果。針對不均勻樣品（如燃料油），可以有效改善因反復采而表現出重復精度和不確定度差的問題。

2.2 預加熱附件解決樣品前處理問題

預加熱附件為杯狀結構，進行預加熱操作時樣品四周均勻受熱，會最大限度減少溫度差異的影響（圖2）。加熱模式為對當前樣品加熱，雖然損失了一定的速度，但是避免了同時加熱多個樣品，因輕組分過度揮發而導致的樣品黏度增高、精度下降的問題。另外，加熱套筒直接安裝在封閉的自動進樣器中，揮發的輕組分被直接抽到實驗室廢氣管道、統一處理，避免污染環境。

圖2 預加熱附件

2.3 使用獨立的清洗位

進行樣品清洗時，黏度管下方離開檢測位，移到清洗位，黏度管內部及外壁底端的清洗溶劑及殘油，流入廢液收集裝置，然后通過真空抽取，快速流入廢液桶。這樣設立獨立的檢測位和清洗位，可以避免廢液中的固體顆粒堵塞黏度管，以及對儀器內部管路、閥門與電子元器件的傷害和污染，減少清洗溶液對環境及實驗室的影響。

3 實驗部分

3.1 儀器設備及化學試劑

（1）儀器設備。本實驗采用荷蘭Omnitek B.V.公司生產的U-Visc120 全自動黏度儀（2 臺），每臺設備包含1 個恒溫油浴、2根黏度管和雙溶劑清洗系統、帶預加熱功能的32 位自動進樣系統。

（2）化學試劑：實驗用溶液有甲苯溶液和正庚烷，均為分析純級別；S600 黏度標油的標準為，50 ℃時標準黏度值為292.5 mm2/s。

3.2 實驗步驟

3.2.1 全自動黏度儀標準物質檢測

將S600 黏度標油放置于樣品杯中，U-Visc120 自動吸樣、熱平衡、檢測、清洗和干燥，所得的黏度值自動導入與儀器相連的計算機控制系統。

3.2.2 全自動黏度儀低硫船用燃料油RMG180 樣品檢測

將低硫船用燃料油RMG180 樣品放置到樣品杯中，在系統設定預加熱10 min，自動預加熱、吸樣、熱平衡、檢測、清洗和干燥，所得的黏度值自動導入與儀器相連的計算機控制系統。

3.2.3 手動黏度計低硫船用燃料油RMG180 樣品檢測

將樣品在60±2 ℃烘箱加熱1 h，用長玻璃棒攪拌，直至沒有沉淀物粘在棒上，然后蓋緊蓋子，劇烈搖動1 min，使其完全混合。根據樣品黏度，選擇43#1.5 mm 逆流黏度管和44#1.5 mm逆流黏度管（流動時間不小于200 s）。在恒溫浴缸恒溫，記錄樣品流動時間，清洗、干燥黏度管，最后根據公式計算樣品的運動黏度，并做好實驗數據的記錄。

3.3 結果與討論

3.3.1 全自動黏度儀標準物質檢測的重復性

同一操作人員，使用同一臺黏度計HNLH-0547-1，檢測同一批次的S600 標準物質樣品在50 ℃下的運動黏度值，重復檢測6 次。同一臺設備2 根黏度管的3 組檢測數據見表1，平均黏度為293.3 mm2/s，標準偏差為0.150 6，RSD 為0.05%。根據ASTM D445-19 的要求，標準物質的重復性應控制在0.36%以內，因此該檢測結果遠高于標準要求，表明儀器符合標準要求，測定方法重復性良好。

表1 S600 標準物質重復性檢測結果 mm2/s

3.3.2 全自動黏度儀低硫船用燃料油RMG180 樣品的重復性和再現性

用低硫船用燃料油RMG180 T3706、T3707 樣 品多次黏度測定結果，檢驗儀器的重復性、再現性。

同一操作人員，使用同一臺黏度計U-Visc120 HNLH-0547-1，檢測同一樣品RMG180T3706 在50 ℃下的運動黏度值，重復檢測6 次（表2）。6 次檢測的平均值為140.6 mm2/s，標準偏差為0.196 6，RSD 為0.14%。根據標準方法ASTM D445-19 中要求，船用燃料油在50 ℃下的重復性應控制在2.44%以內，此檢測結果遠高于標準要求，表明儀器符合標準要求，測定船用燃料油方法重復性良好。

表2 重復性試驗結果 mm2/s

不同操作人員，使用兩臺同一型號黏度計HNLH-0547-1 和HNLH-0547-2，檢測同一樣品（燃料油RMG180 T3706）在50 ℃下的黏度，每個樣品重復檢測2 次所得的結果（表3）。4 次檢測的平均值為140.48 mm2/s，標準偏差為0.275 0，RSD 為0.196%。

表3 再現性試驗結果 mm2/s

根據標準方法ASTM D445-19 中要求，船用燃料油在50 ℃下的再現性應控制在8.46%以內。此檢測結果遠高于標準ASTM D445-19 的要求，表明儀器符合標準要求，測定船用燃料油方法再現性良好。

3.3.3 全自動法與手動法測定結果的比較

分別用自動法和手動法對燃料油RMG180 T3706 樣品進行測定，結果見表4。通過不同全自動法與手動法測定同一樣品，得到運動黏度測定結果無明顯差異，但是手動法測定花費時間多、一次成功率低，所以相應使用樣品量大；而全自動法測定較手動法樣品所需量少、花費時間少、自動清潔，高效準確。

表4 全自動法與手動法試驗比對結果

4 結論

使用帶有預加熱功能的Duplo 全自動運動黏度儀檢測低硫船用燃料油黏度，不僅能夠滿足線性標準的要求，并且還會在一定程度上消除樣品誤差，因此檢測結果優于現行標準的要求。此外，它還具有操作簡單、快速的特點，減小對實驗室環境和操作人員的傷害，適合用于低硫船用燃料油出廠檢測，以及煉油裝置工藝中的混合原料、催化油漿、混合渣油、加裂尾油、尾油等樣品的黏度檢測。