金 磊，焦志凌，張 銳，韓春梅，張 玲，保玉環(huán)，蒲文東，劉海礁，王睿軍

(中國(guó)石油成都潤(rùn)滑油分公司，四川 成都 610083)

由于潤(rùn)滑油的理化指標(biāo)檢測(cè)項(xiàng)目繁多，各個(gè)項(xiàng)目側(cè)重點(diǎn)也不一樣，潤(rùn)滑油指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性問(wèn)題是國(guó)外潤(rùn)滑油檢測(cè)研究的一個(gè)重要課題，通過(guò)找出相關(guān)性可減少檢測(cè)項(xiàng)目提高檢測(cè)效率可有效的為潤(rùn)滑油技術(shù)發(fā)展服務(wù)。SF 15W-40汽油機(jī)油是我廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要組成部分，對(duì)SF 15W-40汽油機(jī)油粘度指數(shù)、低溫動(dòng)力粘度相關(guān)性研究對(duì)今后的生產(chǎn)具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)基本概念

1.1 運(yùn)動(dòng)粘度

運(yùn)動(dòng)粘度是在重力作用下流體內(nèi)部流動(dòng)阻力的量度。

1.2 粘度指數(shù)

粘度指數(shù)是表明運(yùn)動(dòng)粘度與溫度關(guān)系的一個(gè)數(shù)值，粘度指數(shù)越高，表示流體粘度受溫度的影響越小，粘度對(duì)溫度越不敏感[1]。

粘度指數(shù)是廣泛采用并普遍接受的對(duì)石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度變化的量度，這種變化是由于油品在40～100 ℃之間溫度改變所造成的。油品粘度指數(shù)越高，其粘溫曲線變化就越平緩，粘溫性就越好，即粘度隨溫度變化越小，因?yàn)樵谳^低溫度時(shí)，這些粘度指數(shù)改進(jìn)劑中的高分子有機(jī)化合物分子在油中的溶解度小，分子蜷曲成緊密的小團(tuán)，因而油的粘度增加很小；而在高溫時(shí)，它在油中的溶解度增大，蜷曲狀的線形分子膨脹伸長(zhǎng)，從而使粘度增長(zhǎng)較大，彌補(bǔ)了基礎(chǔ)油由于溫度升高而下降的粘度。

1.3 低溫動(dòng)力粘度

低溫動(dòng)力粘度是多級(jí)油在低溫、高剪切速率條件下所測(cè)得的內(nèi)摩擦力大小的量度。該粘度以冷啟動(dòng)模擬機(jī)(CCS)測(cè)試，該試驗(yàn)?zāi)M了發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套一活塞部位冷啟動(dòng)時(shí)的工況，與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)有良好的相關(guān)性，因而低溫動(dòng)力粘度可作為預(yù)示發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下能否順利啟動(dòng)的粘度指標(biāo)。在同一種低溫條件下，測(cè)出的該粘度值越小，說(shuō)明機(jī)油的冷啟動(dòng)性能越好。

2 樣品檢測(cè)

對(duì)15批次SF 15W-40汽油機(jī)油進(jìn)行粘度指數(shù)與低溫動(dòng)力粘度檢測(cè)。

2.1 檢測(cè)設(shè)備

2.1.1 運(yùn)動(dòng)粘度檢測(cè)設(shè)備

粘度計(jì)：玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)應(yīng)符合SY 3607《玻璃毛細(xì)管粘度計(jì)技術(shù)條件》的要求。也允許采用具有同樣精度的自動(dòng)粘度計(jì)[2]。

毛細(xì)管內(nèi)徑為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0和6.0 mm。每支粘度計(jì)必須按JJG 155《工作毛細(xì)管粘度計(jì)檢定規(guī)程》進(jìn)行檢定并確定常數(shù)。測(cè)定試樣的運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)的溫度選用適當(dāng)?shù)恼扯扔?jì)，務(wù)使試樣的流動(dòng)時(shí)間不少于200 s，內(nèi)徑0.4 mm的粘度計(jì)流動(dòng)時(shí)間不少于350 s。

恒溫?。簬в型该鞅诨蜓b有觀察孔的恒溫浴，其高度不小于180 mm，容積不小于2 L，并且附設(shè)著自動(dòng)攪拌裝置和一種能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)溫度的電熱裝置。在0 ℃和低于0 ℃測(cè)定運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，使用筒形開(kāi)有看窗的透明保溫瓶，其尺寸與前述的透明恒溫浴相同，并設(shè)有攪拌裝置。根據(jù)測(cè)定的條件，要在恒溫浴中注入如表1中列舉的一種液體。

表1 在不同溫度使用的恒溫浴液體Table 1 Thermostatic bath liquids used at different temperatures

玻璃水銀溫度計(jì)：符合GB.514《石油產(chǎn)品試驗(yàn)用液體溫度計(jì)技術(shù)條件》，分格為0.1 ℃。測(cè)定-30 ℃以下運(yùn)動(dòng)粘度時(shí)，可以使用同樣分格值的玻璃合金溫度計(jì)或其他玻璃液體溫度計(jì)。

秒表：分格為0.1 s。

2.1.2 低溫動(dòng)力粘度檢測(cè)設(shè)備

包括試驗(yàn)主機(jī)、計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)接口和自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)。在自動(dòng)CCS中因?yàn)椴捎昧诵聵悠窙_洗黏度池的方法來(lái)頂替原有樣品，故未采用手動(dòng)CCS用溶劑清洗樣品池時(shí)用于加熱的熱乙醇(或甲醇)循環(huán)器[3]。

注：在一些CCS儀器中，采用固態(tài)電子溫控制冷系統(tǒng)。

校正過(guò)的熱電偶：置于定子內(nèi)表面的附近，用于測(cè)量試驗(yàn)溫度。

制冷系統(tǒng)：為冷卻劑提供冷量，使其溫度低于試驗(yàn)溫度至少10 ℃。最好使用機(jī)械制冷，但干冰制冷系統(tǒng)也可以取得滿意的效果。CCS與制冷機(jī)之間的連接管要盡可能的短且要有隔熱措施。

注：也可采用熱電制冷取代機(jī)械制冷。

溫度探頭與定子上的熱電偶插孔之間要傳熱良好，定期清洗熱電偶插孔并更換一小滴高含銀的導(dǎo)熱介質(zhì)。調(diào)節(jié)冷卻劑的溫度使黏度池的溫度至少低于試驗(yàn)溫度10 ℃。

注：若使用裝有熱電冷卻系統(tǒng)的儀器制冷，循環(huán)系統(tǒng)(冷卻器)中使用的水或其他合適的液體的冷卻溫度應(yīng)當(dāng)設(shè)定到5 ℃左右，以保持試樣的試驗(yàn)溫度不變。

在使用干冰制冷系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先在黏度池中放一個(gè)低黏度的樣品并啟動(dòng)CCS馬達(dá)，調(diào)節(jié)安裝在冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)上的閥門(mén)，來(lái)確保使用干冰系統(tǒng)的最適宜的溫度控制。

冷卻劑：無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)。如果由于在高濕度條件下使用面使無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)吸水，就要用新的無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)來(lái)替換，以確保溫度控制的可靠，尤其是用干冰冷卻時(shí)。

可選用的冷卻劑循環(huán)器：使用該配件(僅對(duì)手動(dòng)CCS而言)給定子提供熱的乙醇(或甲醇)，有利于試樣的替換和溶劑的揮發(fā)。

2.2 檢測(cè)步驟

2.2.1 運(yùn)動(dòng)粘度檢測(cè)步驟

將粘度計(jì)調(diào)整為垂直狀態(tài)，要利用鉛垂線從兩個(gè)相互垂直的方向去檢查毛細(xì)管的垂直情況。將恒溫浴調(diào)整到規(guī)定的溫度，把裝好試樣的粘度計(jì)浸在恒溫浴內(nèi)，經(jīng)恒溫如表2規(guī)定的時(shí)間，試驗(yàn)的溫度必須保持恒定到±0.1 ℃。

表2 粘度計(jì)在恒溫浴中的恒溫時(shí)間Table 2 Constant temperature time of the viscometer in the constant temperature bath

表3 檢測(cè)數(shù)據(jù)表Table 3 Original data table

利用毛細(xì)管粘度計(jì)管身口所套著的橡皮管將試樣吸入擴(kuò)張部分，使試樣液面稍高于標(biāo)線a，并且注意不要讓毛細(xì)管和擴(kuò)張部分的液體產(chǎn)生氣泡或裂隙。

此時(shí)觀察試樣在管身中的流動(dòng)情況，液面正好到達(dá)標(biāo)線a時(shí)，開(kāi)動(dòng)秒表：液面正好流到標(biāo)線b.時(shí)，停止秒表。

試樣的液面在擴(kuò)張部分中流動(dòng)時(shí)，注意恒溫浴中正在攪拌的液體要保持恒定溫度，而且擴(kuò)張部分中不應(yīng)出現(xiàn)氣泡。

用秒表記錄下來(lái)的流動(dòng)時(shí)間，應(yīng)重復(fù)測(cè)定至少四次，其中各次流動(dòng)時(shí)間與其算術(shù)平均值的差數(shù)應(yīng)符合如下的要求：在溫度100～15 ℃測(cè)定粘度時(shí)，這個(gè)差數(shù)不應(yīng)超過(guò)算術(shù)平均值的±0.5%在低于15～-30 ℃測(cè)定粘度時(shí)，這個(gè)差數(shù)不應(yīng)超過(guò)算術(shù)平均值的±1.5%在低于-30 ℃測(cè)定粘度時(shí)，這個(gè)差數(shù)不應(yīng)超過(guò)算術(shù)平均值的±2.5%。

然后，取不少于三次的流動(dòng)時(shí)間所得的算術(shù)平均值，作為試樣的平均流動(dòng)時(shí)間。再通過(guò)計(jì)算得出試樣的運(yùn)動(dòng)粘度。

注：標(biāo)線a、b在毛細(xì)管粘度計(jì)管身上都會(huì)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

2.2.2 低溫動(dòng)力粘度檢測(cè)步驟

用一只滴管將試樣注入注油管。一定要確保試樣充滿轉(zhuǎn)子和定子的間隙并將轉(zhuǎn)子以上部分完全充滿。用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子確保試樣流過(guò)時(shí)完全浸過(guò)了轉(zhuǎn)子和定子的表面。將注樣管完全注滿，并在管子的一頭插上橡膠塞。對(duì)于黏彈性的樣品來(lái)說(shuō)，當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，為了阻止試樣將橡膠塞從管子中擠出而使黏度池剪切區(qū)的試樣排空，必須壓緊此橡膠塞。

注：有些樣品在室溫條件下有足夠大的粘度，以致于無(wú)法流人轉(zhuǎn)子與定子之間的環(huán)形面。可以將那些在室溫條件下運(yùn)動(dòng)粘度超過(guò)100 mm2/s的樣品加熱后(不要超過(guò)50 ℃)再注入到粘度池中。

打開(kāi)溫度和冷卻劑流動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，將定子冷卻。確保最佳的溫度控制。記錄冷卻劑流出的時(shí)間(使用秒表或其他以秒為單位的計(jì)時(shí)器)?？刂圃?0～60 s內(nèi)達(dá)到-20 ℃的試驗(yàn)溫度，-30 ℃的試驗(yàn)溫度應(yīng)在60～90 s內(nèi)達(dá)到。如果沒(méi)有達(dá)到這些要求，應(yīng)更換無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)或調(diào)節(jié)無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)的冷卻溫度。溫度指示儀表及冷卻劑循環(huán)控制系統(tǒng)的零位溫度指示表明達(dá)到試驗(yàn)溫度。調(diào)節(jié)用于溫度指示的儀表的設(shè)置鈕，使儀表的讀數(shù)略在零點(diǎn)的左邊一點(diǎn)，這樣，當(dāng)在試驗(yàn)溫度下啟動(dòng)馬達(dá)時(shí)，無(wú)需做太多的調(diào)節(jié)。

如果達(dá)到控制溫度的時(shí)間過(guò)慢，滿足不了如上的要求，要更換冷卻無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)或降低冷卻無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)的溫度。

如果達(dá)到控制溫度的時(shí)間快于上面所要求的時(shí)間，應(yīng)升高冷卻無(wú)水乙醇(或無(wú)水甲醇)的溫度以獲得更滿意的控溫效果。

在冷卻劑流出(180±3)s后啟動(dòng)馬達(dá)。

將轉(zhuǎn)速計(jì)插頭接在標(biāo)有“CAL”字樣的接口上，在馬達(dá)打開(kāi)后立即記錄轉(zhuǎn)速計(jì)的讀數(shù)。如果轉(zhuǎn)速計(jì)的讀數(shù)升高然后又很快降低到比最高讀數(shù)小至少5%的位置，說(shuō)明在剪切區(qū)域可能有殘存的溶劑。在溫度控制不好(溫度計(jì)顯示表明)時(shí)也會(huì)發(fā)生數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)非正常的變化或模擬儀表表針的偏移。最通常的情況是熱電偶與定子上的測(cè)溫孔之間的接觸不好。此時(shí)應(yīng)終止運(yùn)行，抽去試樣并進(jìn)行清洗，用新試樣按試驗(yàn)步驟重新運(yùn)行。

在馬達(dá)啟動(dòng)后(60±5)s記錄轉(zhuǎn)速，在沒(méi)有使用數(shù)字儀表的情況下，模擬儀表的讀數(shù)估計(jì)至最小分度的十分之一。關(guān)閉馬達(dá)和冷卻劑控制開(kāi)關(guān)。

為了防止儀器因偶然開(kāi)啟而造成的損壞，完成全部的試驗(yàn)之后在儀器中保留最后的試樣。該試樣也可以作為在儀器停用一段時(shí)間后的第一個(gè)運(yùn)行的試樣。這樣可使儀器中電子元件和馬達(dá)達(dá)到預(yù)熱。在沒(méi)做新的試樣之前，不記錄此試樣的轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

所用數(shù)據(jù)來(lái)源于方法：

石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定法和動(dòng)力粘度計(jì)算法GB 265-88；

石油產(chǎn)品粘度指數(shù)測(cè)定法GB/T 1995-1998；

發(fā)動(dòng)機(jī)油表觀粘度測(cè)定法(冷啟動(dòng)模擬機(jī)法)GB/T 6538-2010。

3.2 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

3.2.1 相關(guān)系數(shù)計(jì)算

為了能從SF 15W-40汽油機(jī)油粘度指數(shù)和低溫動(dòng)力粘度數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，對(duì)這兩組數(shù)據(jù)可應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理求兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)[4]。

首先，定義粘度指數(shù)為X，低溫運(yùn)動(dòng)粘度為Y；

LXY=∑XiYi-(∑X)/N

通過(guò)計(jì)算r=-0.92；r<0，說(shuō)明這兩個(gè)數(shù)存在負(fù)相關(guān)，當(dāng)X值增加時(shí)，Y值有減少的趨勢(shì)。

3.2.2 相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)

r=-0.92說(shuō)明兩者有一定程度的線性相關(guān)，只有通過(guò)r顯著性檢驗(yàn)才能認(rèn)為兩者存在線性相關(guān)的關(guān)系[5]。

只有當(dāng)|r|≥r1-a/2(N-2)，才能認(rèn)為兩者存在線形關(guān)系，a為顯著性水平，取a=1%，N=15，通過(guò)查表得到r1-a/2(N-2)=0.641，由于|r|=0.92>0.641，所以認(rèn)為SF 15W-40汽油機(jī)油的粘度指數(shù)與低溫動(dòng)力粘度指標(biāo)存在線性相關(guān)關(guān)系。

3.2.3 線性回歸

得出回歸方程：Y=14 132.83-79.35X。

3.2.4 回歸方程應(yīng)用

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)SF 15W-40汽油機(jī)油的粘度指數(shù)和低溫動(dòng)力粘度的相關(guān)性分析得出了兩者的線性關(guān)系，線性關(guān)系表明只要知道該油品的粘度指數(shù)就可算出低溫動(dòng)力粘度大小。在實(shí)際油品分析中，分析粘度指數(shù)試驗(yàn)要比測(cè)量低溫動(dòng)力粘度試驗(yàn)所用樣品量少10倍，粘度指數(shù)測(cè)量速度(包括油樣過(guò)濾時(shí)間)要比低溫動(dòng)力粘度時(shí)間短。應(yīng)用此回歸方程大大可以提高對(duì)SF 15W-40汽油機(jī)油低溫動(dòng)力粘度的檢測(cè)效率，對(duì)縮短生產(chǎn)周期有一定的積極作用。

GB 11121-2006汽油機(jī)油中規(guī)定SF 15W-40低溫動(dòng)力粘度≯3 500 mP·s(-15 ℃)，把3 500代入回歸方程得出粘度指數(shù)為134，也就是說(shuō)當(dāng)粘度指數(shù)大于134時(shí)，低溫動(dòng)力粘度≯ 3 500，油品低溫動(dòng)力粘度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)15組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中序號(hào)為13粘度指數(shù)最小(134)，低溫動(dòng)力粘度為 3 354符合回歸方程得出的結(jié)論。

針對(duì)SF 15W-40汽油機(jī)油得出的回歸方程，粘度指數(shù)同為134，低溫動(dòng)力粘度應(yīng)用回歸方程計(jì)算為3 500，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為 3 354，兩者相差146。應(yīng)用GB/T 6538-2000發(fā)動(dòng)機(jī)油表觀粘度測(cè)定法(冷啟動(dòng)模擬機(jī)法)試驗(yàn)步驟14精密度與偏差計(jì)算出重復(fù)性極限為185，兩個(gè)數(shù)據(jù)符合試驗(yàn)方法重復(fù)性要求。

從上面得出的推斷，若實(shí)際粘度指數(shù)為133按照實(shí)際分析可能是合格的，但應(yīng)用回歸方程就出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，造成這種結(jié)果主要是回歸曲線通過(guò)估計(jì)等方法使其結(jié)果比起實(shí)測(cè)值要保守，這也使回歸方程使用有一定的局限性，應(yīng)用本回歸方程SF 15W-40汽油機(jī)粘度指數(shù)不能完全取代低溫動(dòng)力粘度，但在一定范圍內(nèi)可以使用粘度指數(shù)指標(biāo)來(lái)推斷低溫粘度數(shù)值，在灌裝油品切換時(shí)由單級(jí)切換成SF15W-40時(shí)就完全可以使用本回歸方程，在嚴(yán)格保證油品質(zhì)量的前提下能有效提高樣品分析的效率。

4 結(jié) 論

(1)SF 15W-40汽油機(jī)油的粘度指數(shù)與低溫運(yùn)動(dòng)粘度具有非常顯著的相關(guān)性，在一定的范圍內(nèi)可以使用粘度指數(shù)代替低溫動(dòng)力粘度。

(2)SF 15W-40汽油機(jī)油粘度指數(shù)與低溫動(dòng)力粘度指標(biāo)都有非常顯著的負(fù)相關(guān)，說(shuō)明提高SF 15W-40粘度指數(shù)可顯著降低低溫動(dòng)力粘度，反之則增加。

(3)SF 15W-40汽油機(jī)油粘度指數(shù)與低溫動(dòng)力粘度線性方程為Y=14 132.83-79.35X(Y代表低溫動(dòng)力粘度；X代表粘度指數(shù))。

(4)當(dāng)粘度指數(shù)大于134時(shí)，即可保證SF 15W-40汽油機(jī)油低溫動(dòng)力粘度合格。本結(jié)論可在灌裝油品切換時(shí)由單級(jí)切換成SF15W-40時(shí)使用。