Tiêu chuẩn ASTM D7042: Phương pháp đo độ nhớt hiện đại cho ngành công nghiệp xăng dầu

1. Giới thiệu

Trong ngành công nghiệp xăng dầu, mỗi chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đều gắn với các phương pháp thử được chấp thuận trong tiêu chuẩn kỹ thuật và danh mục này được cập nhật định kỳ để bổ sung những phương pháp mới, tiên tiến hơn. Độ nhớt là một trong những chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu và dầu bôi trơn, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bơm, phun nhiên liệu, hình thành màng dầu bôi trơn và độ ổn định vận hành của thiết bị.

Trong nhiều thập kỷ, phương pháp mao quản thủy tinh ASTM D445 (TCVN 3171) là phương pháp tham chiếu được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, những hạn chế về thao tác và vận hành đã thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp thay thế, trong đó có ASTM D7042 - ban hành lần đầu năm 2004 và được các tổ chức tiêu chuẩn tiếp nhận ngày càng rộng rãi trong hơn hai thập kỷ qua.

Ảnh minh hoạ.

2. Nguyên lý đo

2.1. ASTM D445 – phương pháp mao quản thủy tinh

ASTM D445, ban hành lần đầu năm 1965, sử dụng ống mao quản thủy tinh đặt trong bể ổn nhiệt để đo thời gian chảy của chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực. Độ nhớt động học được tính theo công thức:

ν = C × t

trong đó ν là độ nhớt động học (mm²/s), C là hằng số mao quản và t là thời gian chảy (giây). Phương pháp này có một số hạn chế: yêu cầu căn chỉnh mao quản chính xác, thời gian cân bằng nhiệt dài, tiêu thụ nhiều mẫu và dung môi, có nguy cơ vỡ mao quản, và mỗi mao quản chỉ đo được trong một dải độ nhớt hẹp.

2.2. ASTM D7042 – máy đo độ nhớt kiểu Stabinger

Thiết bị theo ASTM D7042 gồm hai cụm đo tích hợp: một cặp xi-lanh đồng tâm quay để đo độ nhớt động lực học (η) và một ống chữ U dao động để đo khối lượng riêng (ρ). Độ nhớt động học được tính tự động từ hai kết quả này:

ν = η / ρ

trong đó η tính bằng mPa·s và ρ tính bằng g/cm³. Nhiệt độ mẫu được điều khiển bằng hệ thống gia nhiệt và làm lạnh kiểu Peltier, cho phép thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.

3. Ưu điểm so với ASTM D445

• Ba kết quả từ một lần nạp mẫu: độ nhớt động lực học, khối lượng riêng và độ nhớt động học, giúp tiết kiệm thời gian và lượng mẫu.

• Dải đo rộng: một buồng đo bao phủ dải độ nhớt rộng, trong khi mỗi mao quản thủy tinh chỉ dùng được cho một khoảng hẹp.

• Tiêu thụ mẫu và dung môi thấp hơn: giảm chi phí và tác động đến môi trường.

• Cân bằng nhiệt nhanh hơn: hệ Peltier ổn định nhiệt độ nhanh hơn so với bể ổn nhiệt thông thường.

• Vận hành đơn giản, an toàn, ít phụ thuộc thao tác viên: không cần căn chỉnh mao quản và nhiệt kế, không có nguy cơ vỡ thủy tinh; việc làm sạch và sấy khô được thực hiện ngay trong thiết bị.

4. Mức độ tin cậy và phạm vi ứng dụng

4.1. Trong hệ thống tiêu chuẩn ASTM

ASTM D7042 được trích dẫn trong 50 tiêu chuẩn ASTM khác. Các tiêu chuẩn này bao gồm nhiều nhóm sản phẩm chủ yếu của ngành xăng dầu, như nhiên liệu đốt lò và diesel (ASTM D396, D975), biodiesel và hỗn hợp biodiesel (ASTM D6751, D7467), nhiên liệu tuabin khí và hàng không (ASTM D2880, D1655, D7566), dầu thủy lực (ASTM D6158) và dầu hỏa (ASTM D3699).

Phương pháp này cũng được chấp nhận trong các đặc tả nhiên liệu hàng không như Def Stan 91-091 và JIG AFQRJOS - những lĩnh vực có yêu cầu kiểm soát chất lượng rất cao.

4.2. Trong hệ thống tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam

Tại Việt Nam, ASTM D7042 đã được viện dẫn là phương pháp thử độ nhớt trong 06 TCVN, điển hình như:

• TCVN 5689:2024 (Nhiên liệu điêzen – DO): độ nhớt động học ở 40 °C được xác định theo TCVN 3171 (ASTM D445) hoặc ASTM D7042.

• TCVN 6239:2019 (Nhiên liệu đốt lò – FO): độ nhớt động học ở 50 °C được xác định theo TCVN 3171 (ASTM D445) hoặc ASTM D7042.

• TCVN 12412:2019 (Nhiên liệu sản xuất từ dầu bôi trơn đã qua sử dụng dùng cho lò đốt công nghiệp): độ nhớt áp dụng theo TCVN 3171; để kiểm soát chất lượng, có thể sử dụng ASTM D7042.

Việc ASTM D7042 được ghi nhận đồng thời trong hệ thống tiêu chuẩn ASTM và TCVN cho thấy mức độ tin cậy của phương pháp, đồng thời tạo cơ sở để các phòng thí nghiệm trong nước áp dụng khi kiểm nghiệm theo các tiêu chuẩn nêu trên.

5. Hiệu chỉnh bias giữa ASTM D7042 và ASTM D445

Theo ISO 5725, độ chính xác của một phương pháp thử gồm độ đúng (bias) và độ chụm (độ lặp lại, độ tái lập). Do nguyên lý đo khác nhau, giữa ASTM D7042 và ASTM D445 tồn tại bias - sai lệch hệ thống có hướng giữa giá trị trung bình của hai phương pháp khi đo cùng một mẫu. Bias này không phải lỗi thiết bị mà là đặc tính cố hữu của nguyên lý đo, được xác định qua các nghiên cứu liên phòng thí nghiệm (ILS) của ASTM.

Để kết quả có thể so sánh với ASTM D445 - phương pháp tham chiếu truyền thống - nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu áp dụng hiệu chỉnh bias, đặc biệt trong các giao dịch thương mại và đánh giá sự phù hợp.

ASTM D7042 quy định các phương trình hiệu chỉnh cho từng nhóm mẫu (dầu gốc, dầu đã pha chế, diesel, nhiên liệu máy bay, dầu nhiên liệu nặng, biodiesel) và từng nhiệt độ đo, theo dạng tổng quát:

ν(D445) = X × ν(D7042) + Y

trong đó X và Y là các hệ số thống kê xác định từ nghiên cứu ILS. Cần lưu ý ba điểm khi áp dụng:

• Chỉ hiệu chỉnh được khi ASTM D445 có công bố độ chụm cho loại mẫu và nhiệt độ tương ứng. Ví dụ, ASTM D445 không công bố độ chụm cho nhiên liệu máy bay ở -40 °C, nên dù ASTM D7042 đo được ở nhiệt độ này, bias vẫn không thể xác định và hiệu chỉnh.

• Kết quả sau hiệu chỉnh là “tương đương thực tiễn”, không phải đồng nhất: bias là đặc tính của giá trị trung bình qua nhiều phép đo, nên một kết quả đơn lẻ sau hiệu chỉnh vẫn có thể khác với kết quả từ mao quản mà không ảnh hưởng đến tính hợp lệ.

• Hệ số hiệu chỉnh chỉ có giá trị đối với loại mẫu và nhiệt độ cụ thể được quy định trong tiêu chuẩn.

6. Kết luận

ASTM D7042 là bước tiến quan trọng trong đo độ nhớt cho công nghiệp xăng dầu: hiệu quả vận hành cao hơn, an toàn hơn, tiết kiệm mẫu và dung môi, phù hợp xu hướng tự động hóa và phát triển bền vững của các phòng thí nghiệm, trong khi vẫn bảo đảm khả năng so sánh với ASTM D445 nhờ cơ chế hiệu chỉnh bias được quy định chặt chẽ.

Việc phương pháp này được trích dẫn trong 50 tiêu chuẩn ASTM khác và viện dẫn trong 06 TCVN là minh chứng cho độ tin cậy và mức độ chấp nhận của cộng đồng kỹ thuật. Đối với các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm xăng dầu tại Việt Nam, nắm vững và áp dụng đúng ASTM D7042, cùng cơ chế hiệu chỉnh bias sẽ góp phần nâng cao chất lượng kiểm nghiệm và đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các tiêu chuẩn, quy chuẩn sản phẩm.

Trần Hà (Anton Paar Việt Nam)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ASTM D7042-21a, “Standard Test Method for Dynamic Viscosity and Density of Liquids by Stabinger Viscometer (and the Calculation of Kinematic Viscosity)”, ASTM International.

[2] ASTM D445-21e2, “Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (and Calculation of Dynamic Viscosity)”, ASTM International.

[3] ISO 5725-1, “Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results – Part 1: General principles and definitions”, ISO, Geneva, 1994.

[4] TCVN 3171:2011 (ASTM D445-11), Chất lỏng dầu mỏ trong suốt và không trong suốt – Phương pháp xác định độ nhớt động học (và tính toán độ nhớt động lực).

[5] TCVN 5689:2024, Nhiên liệu điêzen (DO) – Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử.

[6] TCVN 6239:2019, Nhiên liệu đốt lò (FO) – Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử.

[7] TCVN 12412:2019, Nhiên liệu sản xuất từ dầu bôi trơn đã qua sử dụng dùng cho lò đốt công nghiệp – Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử.