BROOKFIELD 粘度计在沥青行业中的应用

1 BROOKFIELD 粘度计在沥青行业中的应用 一、实验室仪器的应用 沥青品种繁多，有自然形成的，但主要是由煤和油的炼制过程形 成的残渣组成，常被用作建筑材料，如铺设公路。未经改性的沥青是 一种复杂的高分子碳氢化合物，在一定温度与荷载作用下表现为典型 的弹-粘-塑性，并且在高温与紫外线照射下会产生老化现象，因此现 在常用的是改性沥青。改性是指通过往沥青中掺加橡胶、树脂、高分 子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等外掺剂（改性剂）或采取对沥 青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得到改善而制成 的沥青结合料。 沥青的性能直接影响到它铺在路面上的耐用性，如果太软，铺路 时会留下压路机的轮印，如果太硬，路面又很容易爆裂，所以要求沥 青必须具有合适的粘度范围。另外沥青的流变性能也决定了混合和施 工时的难易程度。沥青的粘度在很大程度上受到温度的影响，因此沥 青的性能受到当地气候的影响，所以在不同温度下沥青的流变特性成 为研究人员的主要课题，而施工人员也需要用粘度计检测沥青的粘度， 以确保沥青的质量和施工工艺的顺利进行。 但沥青是一种很难测量其流变特性的物质，因为温度对沥青的粘 度的影响非常大，每当温度改变1℃，其粘度可能变化20%，另外在常 温下，沥青是一种固体，粘度非常大，具有很差的热传导性，很多改 性沥青还具有触变性。这些问题得到美国SHRP 的重视，他们建议必须 在一个温度控制精确的系统里进行沥青的粘度测量，通过这种方法可 以确定沥青的级别。 一般的，沥青的混合温度越高，它的流动性越好，因此也更容易 在施工中被压紧密。然而对于不同品种的沥青来讲，温度的上限也是 不同的，不然温度太高会破坏沥青的结构和性能。以前测量最佳混合 温度是基于用毛细管粘度计来测量沥青的动态粘度(cSt)得到的，现在 这种测量方法因为改用了Brookfield 的旋转粘度计而得到了改进， Brookfield 的旋转粘度计得到的粘度单位为厘泊(cP)，这两个单位之 间利用公式可以进行换算。 Brookfield 粘度计，是通过一个弹簧或轴承带动一个转子在流体 中持续旋转，旋转扭矩传感器测得弹簧的扭变程度即扭矩，它与浸入 样品中的转子被粘性拖拉形成的阻力成比例，扭矩因而与液体的粘度 也成正比。 美国的ASTM 标准D4402-87 和2000 年制定的沥青粘度测量行业标 准都详细地描述了如何使用Brookfield 的粘度计和加热系统来检测 2 铺路沥青在进行混合时的粘度以及测量压实温度的方法。沥青的流变 特性研究主要有两个问题，一个是需要在不同温度测量，另一个是在 不同剪切率下测量，使用Brookfield 的实验室仪器可以得到很好的解 决。现在大多数的国内外沥青研究所和企业使用的是Brookfield 的 RV/HA/HB 型DV-II+粘度计或DV-III+流变仪配合ThermoseTM 加热器进 行测量，可以连续地感应粘度变化值，实时显示温度、粘度、剪切率、 剪切应力、转速、转子等信息，仪器的RS232 串行接口具有电脑自动 化控制和采集分析数据结果的强大能力。由于恒温加热器可控制样品 的温度从室温到最高+300℃，而且它使用的转子和样品杯只需要 8-13mL 的样品量，所以能够快速地升温并进入恒温状态，并且由于控 温器可以编程，所以可以实现程序升温。另外多种转子的选择，以及 转速档次高达两千多种，粘度测量范围十分宽广，同时加热器配的圆 柱体形转子可以计算精确的剪切率值，所以特别适合于研究单位和生 产单位对沥青进行流变学研究和质量检测。 为了解决沥青在测量后难于清洁的问题，Brookfield 还专门设计 了很特别的一次性转子和样品杯，给测量带来很大方便。 二、在线粘度计的应用 大多数沥青的形成主要是通过在煤和油的炼制过程形成柏油，在 油和气的一次精炼过程中，经过加热，天然气、汽油、柴油等馏出， 而留在塔底的是沥青和柏油残渣。沥青残渣在真空下加热经过二次精 馏，这样经进一步蒸馏形成不同等级的沥青，可与沙、石子或其它产 品混合进行铺路、浇顶等特殊应用。在油气加工行业上，Brookfield 公司的TT100 在线粘度计是监测和控制沥青生产过程的理想解决方 案，耐用、可靠，TT100 在线粘度计用于精馏塔的实时粘度监控。 当今的现代沥青生产需要进行按粘性进行产品分类，采用粘度测 量和控制技术可以节约生产时间和控制生产成本，精练可以形成不同 的产品等级：AC-5 沥青的粘度是500 cP，AC-20 沥青粘度是2000 cP， AC-30 沥青粘度是3000 cP。炼油厂一般在全球采购不同油田和不同 品质的原油，原料的不同使沥青的炼制过程变得复杂，也使连续蒸馏 过程的控制十分关键。Brookfield 公司TT100 在线粘度计可确保精炼 厂管理人员可以用不同的原油生产出具有稳定品质的产品。 Brookfield 公司的TT100 在线粘度计在现代炼油企业生产过程 中的品质等级切换点控制上是十分必需的，它可确保沥青品质等级的 切换粘度没有波动，Brookfield 公司的TT100 解决方案包括以下考 虑： 1. 控制精馏塔的连续粘度反馈信号 2. 输出粘度计在线测试的粘度变化的信号 3 3. 系统设计能调节精炼塔的压力和温度运行调节 4. 推荐在线粘度计采用旁路安装方式 需要考虑沥青在线粘度检测的人员包括企业经理、企业工程师、 产品经理、生产经理、工艺工程师。 目前在使用Brookfield 在线粘度计用于测量沥青的国外用户有 Mobil (Illinois)、Ergon, Inc. (Mississippi)、Coastal Refinery (Texas)、Citgo Asphalt Refinery (Georgia) 如果您想用在线粘度计测量沥青的实时粘度，请您思考以下几个 问题： 1) 您或者您的客户是否在炼油行业生产沥青或焦油产品？ 2) 您或者您的客户是否仍使用实验室仪器进行采样分析，进行产品的 批次质量控制？ 3) 您或您的客户是否从不同市场采购原油？ 4) 如果是，那么不同原油加工的费用是否有提高？ 5) 您或您的客户是否需要比以前更加频繁地调整塔的操作条件？ 6) 您或您的客户是否24 小时连续生产？ 典型的TT100 在线粘度计在沥青生产过程中的安装示意图 4 使用Brookfield 在线粘度计测量沥青有以下几个益处： 1) 克服不同原油组分变化的限制 2) 提高精馏塔的效率 3) 明显降低实验室的QC/QA 费用 4) 在生产过程中建立沥青不同等级的切换时间 5) 帮助控制沥青在线粘度符合品质要求 6) 使用者会意识到通过更有效的蒸馏控制产品的品质以及减少实验 室采样分析的费用可使产量提高 7) 消除由于重新工作和劣质产品的相关费用 Brookfield 的TT-100 在线粘度计的典型技术规格： 1) 粘度范围： 0-30 cP to 0-10,000 cP 2) 温度范围： 140℉ to 500℉ 3) 压力范围： 0-300 psi 4) 材质： 316 s/s wetted parts 5) 流量： 0-20 gpm 6) 正确度： 1% 全量程 7) 重复性： 0.5% 全量程 8) 电源： 115VVAC, 60 Hz, 200 watts 230VAC, 50 Hz, 300 watts 9) 电子单元： NEMA 7 (explosion-proof construction 防爆结构) 作为Superpave 技术中推荐的仪器，Brookfield 公司的实验室和 在线粘度计可满足公路沥青测试的要求，但由于美国AASHTO 建议标准 TP48 中对测定条件作了严格的规定，例如在135℃测定时，对RV、HA、 HB 型可采用20RPM，对LV 型可采用12RPM，在60℃测定可选用0.5RPM 等，在整个测量粘度过程中，不能改变设定的转速，改变剪切率。这 对于制订统一的测试方法当然是十分必要的，但这也在一定程度上束 缚了实验人员的思路。因为对于非牛顿流体的沥青而言，在某一规定 条件下测得的测量值，并不能预测不同条件下的使用性能，因此可以 通过改变温度、剪切率（可通过改变转速实现）等条件，获得更详细 的流变信息，以全面评价和研究沥青的性能和施工条件。为此， Brookfield 公司愿提供更先进的测试仪器和解决方案满足客户的要 求。