CN103712872A - 一种评价油品的低温腐蚀性能的方法 - Google Patents

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章群丹
王京
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Abstract

本发明公开了一种评价油品的低温腐蚀性能的方法，该方法在石英晶体微天平上实施，石英晶体微天平包括检测传感器、信号检测装置和数据处理装置，检测传感器包括石英晶片和反应层，该方法包括：用信号检测装置检测检测传感器的初始共振频率，接着在0-45℃下将油品与检测传感器中的反应层接触反应，在接触反应之后，将反应层洗涤和干燥，之后再用信号检测装置检测检测传感器的反应后的共振频率，然后基于检测传感器在接触反应前后的共振频率的变化值，通过数据处理装置计算出反应层在接触反应前后的质量变化。根据本发明提供的所述方法不仅能够准确评价油品的低温腐蚀性能，而且油品样品用量较小、评价时间较短。

Description

一种评价油品的低温腐蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及一种评价油品的低温腐蚀性能的方法。
背景技术
随着市场需求的扩大，国内的炼油能力迅速增加，原油的需求量越来越大。同时，随着石油资源的深度开采，原油劣质化趋势日趋明显，高硫、高酸原油在原油贸易市场上占有较大的比例，腐蚀介质含量明显增高。这些高硫、高酸原油在加工过程中会造成炼油设备的严重腐蚀，一方面影响装置的长周期运行，直接导致炼厂经济效益的下降；另一方面影响安全生产。炼厂针对油品的高温腐蚀性能采取了一系列行之有效的措施，如材质升级，注入高温缓蚀剂等。然而，目前对炼厂存在的低温腐蚀重视程度不够，也缺乏快速、简便且行之有效的监测手段。因此，十分有必要建立评价油品的低温腐蚀性能的方法。
油品的低温腐蚀主要是电化学腐蚀，电化学腐蚀的本质决定了电化学方法是腐蚀检测最有效的方法，但油品的导电性较差，使电化学方法的灵敏度大打折扣，加上电化学方法实验条件要求比较严格，波动比较大，使得电化学方法难以用于评价油品的低温腐蚀性能。
目前，油品的低温腐蚀性能的评价方法趋向于将油品样品与活性金属接触，使油品样品中的腐蚀介质与活性金属发生反应，然后称量活性金属反应前后的质量变化值，并由来表征活性金属反应前后的质量变化值表征油品的低温腐蚀性能。在已有技术中，如此评价油品的低温腐蚀性能的方法有挂片法、铁粉法、电感探针法等。虽然这些方法各有优点，但是它们都存在样品使用量大、误差较大且评价时间较长的缺点。因此，迫切需要开发一种样品用量少、快速高效、精确度高的评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的评价油品的低温腐蚀性能的方法存在的样品使用量大、误差较大且评价时间较长的缺点，提供一种新的评价油品的低温腐蚀性能的方法。
本发明提供了一种评价油品的低温腐蚀性能的方法，该方法在石英晶体微天平上实施，所述石英晶体微天平包括检测传感器、信号检测装置和数据处理装置，所述检测传感器包括石英晶片和涂覆在石英晶片的表面上的反应层，所述反应层能够与油品中的腐蚀介质发生反应；所述方法包括：用所述信号检测装置检测所述检测传感器的初始共振频率，接着在0-45℃下将所述油品与所述检测传感器中的反应层接触反应，在接触反应之后，将所述反应层洗涤和干燥，之后再用所述信号检测装置检测所述检测传感器的反应后的共振频率，然后基于所述检测传感器在接触反应前后的共振频率的变化值，通过所述数据处理装置计算出所述反应层在接触反应前后的质量变化。
根据本发明的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法，石英晶体微天平中的石英晶体具有压电效应（即对石英晶体施加电场，石英晶体会发生变形，而电场去掉后，石英晶体的变形随之消失），石英晶体的表面电极的质量变化可以表现为检测传感器的共振频率发生变化（参见《石英晶体微天平工作原理及其在腐蚀研究中的应用和进展》，汪川、王振尧、柯伟，腐蚀科学与防护技术，第20卷，第5期，2008年9月）。在本发明中，通过使油品与检测传感器中的反应层接触反应会使反应层的质量发生变化，而这种质量的变化可以通过接触反应前后的检测传感器的共振频率变化值表现出来，因此，根据接触反应前后的检测传感器的共振频率变化值与反应层的质量变化值的相关性，由检测出的所述共振频率变化值能够计算出反应层的质量变化值，从而表征出油品的低温腐蚀性能。
而且，石英晶体微天平的灵敏度较高，使得本发明提供的所述方法具有以下优点：（1）测量精度较高，实验误差较小，测量下限可达0.4ng/cm2；（2）所需加入的样品量较少，一般只需要200-400μL；（3）测量时间较短，本发明的所述方法所用时间通常约为电感探针法所用时间的五分之一；（4）测量量程较大，检测传感器在保证测量精度的前提下，允许的频率变化为44000Hz，即反应层的重量最高可达785μg/cm2，而检测传感器的测量下限可达0.4ng/cm2。因此，根据本发明的所述方法可以快速地、准确地检测出油品的低温腐蚀性能，而且所需使用的油品样品量较小。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中采用的石英晶体微天平的结构示意图；
图2是本发明的具体实施方式中采用的检测池的结构示意图；
图3是检测传感器的结构示意图。
附图标记说明
1检测传感器        2信号检测装置        3数据处理装置
11反应层           12石英晶片           13盖子
14密封圈           15电极               16反应区域
17壳体             21振荡器             22电源
23频率计数器
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供的所述方法在石英晶体微天平上实施。如图1和3所示，所述石英晶体微天平包括检测传感器1、信号检测装置2和数据处理装置3；所述检测传感器1包括石英晶片12和涂覆在石英晶片12的表面上的反应层11；所述信号检测装置2包括振荡器21、电源22和频率计数器23，所述电源22向所述振荡器21提供电能，振荡器21用于检测检测传感器1的共振频率，频率计数器23用于记录振荡器21的检测结果；所述数据处理装置3用于根据检测出的共振频率结果计算反应层的质量变化。
在一种实施方式中，为了使本发明的所述方法便于实施，将所述检测传感器1安装在检测池中。所述检测池例如可以如图2所示，所述检测池包括壳体17和盖子13，所述检测传感器1通过密封圈14固定在检测池内，使检测传感器1的上表面和下表面分别在不同的空间，并且保证检测传感器1中的反应层11在上表面；同时在检测传感器1的下表面连接电极15，通过该电极与信号检测装置2连接以实现检测检测传感器1的共振频率。所述检测传感器1的上表面与密封圈14之间形成反应区域16。在本发明的所述方法的实施过程中，将油品样品滴加在所述反应区域16上即可实现使油品样品与反应层11接触反应。所述密封圈14优选为O型橡胶密封圈。
在本发明中，所述反应层11的材质没有特别的限定，只要所述反应层11能够与油品中的腐蚀介质发生反应即可。优选情况下，所述反应层11为活铁类物质。最优选地，所述反应层11为碳钢。所述碳钢是指碳含量小于2.11重量%且不含有特意加入的合金元素的钢。所述碳钢可以为各种常规的碳钢，例如可以为20#碳钢和/或Q235碳钢。
在所述石英晶片的表面上形成反应层11的方法没有特别的限定，只要形成的反应层11的厚度均匀即可。在优选情况下，所述反应层11通过真空电镀或蒸镀的方法涂覆在所述石英晶片的表面上。最优选地，所述反应层11通过真空电镀的方法涂覆在所述石英晶片的表面上。
所述反应层11为石英晶片表面的涂覆层中参与反应的部分，石英晶片表面的涂覆层为涂覆有反应层物质的层。所述反应层11的表面面积可以占所述石英晶片表面的涂覆层的表面面积的10-100%，优选为80-100%，更优选为90-100%。所述反应层11的单位面积质量可以为0.18-785μg/cm2，优选为0.35-640μg/cm2。
所述反应层11可以以各种常规的形状形成于所述石英晶片的表面上。优选情况下，所述反应层11为圆形。更优选地，当所述密封圈14为O型橡胶密封圈时，所述反应层11形状与所述密封圈14的内圈形状相同。
在本发明中，所述检测传感器1在使用过程中只需要一面形成有所述反应层11即可，然而两面都形成有所述反应层11也并不影响最终的评价结果。而且，当所述检测传感器1的两面都形成有所述反应层11时，所述检测传感器1的两面可以替换使用，也即在一面的反应层与一种油品发生接触反应并检测共振频率以评价该油品的低温腐蚀性能之后，将另一面的反应层用于评价另一种油品的低温腐蚀性能。
而且，根据本发明提供的所述方法，在评价完一种油品的低温腐蚀性能之后，所述反应层11并不会完全反应掉，甚至一次评价过程只会将所述反应层11中的很少部分的物质反应掉。因此，在评价完一种油品的低温腐蚀性能之后，所述反应层11可以继续用于评价其他油品的低温腐蚀性能，因而所述检测传感器1能够多次重复使用。
在所述检测传感器1中，所述石英晶片12可以为各种常规的石英晶片，例如可以为双面镀有惰性金属层的石英晶片。所述惰性金属层中的惰性金属可以为各种常规的不能与油品中的腐蚀介质发生反应的金属，例如可以为金和/或铂。当所述石英晶片12为双面镀有惰性金属（如金）层的石英晶片时，所述反应层可以涂覆在至少一个惰性金属层上。
在一种较优选的实施方式中，所述检测传感器1的制备方法包括：选取双面镀有金层的石英晶片；将该石英晶片洗涤和干燥；通过真空电镀在清洁的石英晶片的至少一个金层上涂覆碳钢层。将该石英晶片洗涤的过程优选包括：先用去离子水洗涤，再用乙醇洗涤。所述真空电镀的方法可以按照本领域常规的方法实施。所述真空电镀所采用的设备可以为HUS-5GB真空喷镀仪。
本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法包括：用所述信号检测装置2检测所述检测传感器1的初始共振频率，接着在0-45℃下将所述油品与所述检测传感器1中的反应层11接触反应，在接触反应之后，将所述反应层11洗涤和干燥，之后再用所述信号检测装置2检测所述检测传感器1的反应后的共振频率，然后基于所述检测传感器1在接触反应前后的共振频率的变化值，通过所述数据处理装置3计算出所述反应层11在接触反应前后的质量变化。
优选情况下，所述油品与所述检测传感器1中的反应层11接触反应的条件包括：反应温度为5-40℃，更优选为10-30℃；反应时间为0.5-10小时，更优选为1-3小时。
在接触反应之后，用于洗涤所述反应层11的洗涤液优选为能够与油品样品混溶的有机溶剂。所述有机溶剂例如可以为石油醚、二氯甲烷和甲苯中的至少一种。
在本发明提供的所述方法中，所述数据处理装置3可以按照以下公式计算所述反应层11在接触反应前后的质量变化量：
Δf = - 2.26 × f 0 2 Δm / A
其中，Δf为所述检测传感器1在接触反应前后的共振频率的变化值，单位为MHz；f0为所述检测传感器1的初始共振频率，单位为MHz；△m为所述反应层11在接触反应前后的质量变化，单位为g；A为所述反应层11的表面面积，单位为cm2。
在本发明的所述方法的具体实施过程中，所述反应层11的表面面积（A）是确定的。因此，在上述公式中，只需要代入检测传感器1在接触反应前的共振频率(f0）以及检测传感器1在接触反应前后的共振频率的变化值（Δf)，即可容易地计算出反应层11在接触反应前后的质量变化（△m）。因此，通过在数据处理装置3中事先设定上述公式的计算程序，并将信号检测装置2的检测结果输入数据处理装置3，即可在所述数据处理装置3中直接读取反应层11在接触反应前后的质量变化量（△m）。
适合用本发明的所述方法评价的油品优选为汽油、柴油或重油。
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法。
取5MHz AT切压电石英晶片（购自瑞士万通公司），直径为26.0mm，双面镀有金层，金层的直径为13.0mm。先用去离子水对石英晶片进行洗涤，再用乙醇进行洗涤，然后吹干备用。
将清洁的石英晶片放入HUS-5GB真空喷镀仪（购自HITACHI公司）中，将15.2mg的20#碳钢颗粒（平均颗粒直径为1.44毫米）放在钨丝喷头上，盖紧喷射钟罩，抽取真空1.5小时，然后喷射金属，冷却取样后得到以20#碳钢为反应层的检测传感器，其中，所述反应层的表面面积A为1.33cm2，喷得反应层的单位面积质量为6.25μg/cm2。
如图2所示，用O型橡胶密封圈14将检测传感器1固定在检测池中，使镀有20#碳钢的表面朝上。接着，通过信号检测装置2测得所述检测传感器的初始共振频率为5009580Hz。然后，将300uL的含硫柴油（相关参数如表1所示）滴加在反应区域16中，使含硫柴油与20#碳钢在20℃下反应2小时。之后，用石油醚冲洗检测传感器1（特别是上表面），吹干后，通过信号检测装置2测得经过反应后的检测传感器1的共振频率为5009337.4Hz，因此反应前后检测传感器1的共振频率变化值为242.6Hz。将反应前后检测传感器1的共振频率变化值以及所述初始共振频率输入数据处理装置3中，通过数据处理装置3可以计算出反应前后反应层的质量变化量为5.71μg。
而且，通过对检测传感器1反应前后的质量分别进行称量得知，检测传感器1反应前的质量为118.9775mg，检测传感器1反应后的质量为118.9718mg，因此，检测传感器1反应前后的质量变化量为5.7μg，这与数据处理装置3计算出的结果基本上是一致的。可见，按照本发明提供的所述方法能够准确评价油品的低温腐蚀性能。
表1
  项目   含量
  密度   0.8349g/cm3
  沸程   249-300.5℃
  硫含量   700ppm
  氯含量   0.3ppm
  酸值   <0.02mg/g
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法。
取5MHz AT切压电石英晶片（购自瑞士万通公司），直径为26.0mm，双面镀有金层，金层的直径为13.0mm。先用去离子水对石英晶片进行洗涤，再用乙醇进行洗涤，然后吹干备用。
将清洁的石英晶片放入HUS-5GB真空喷镀仪（购自HITACHI公司）中，将23.4mg的Q235碳钢颗粒（平均颗粒直径为1.79毫米）放在钨丝喷头上，盖紧喷射钟罩，抽取真空1.5小时，然后喷射金属，冷却取样后得到以Q235碳钢为反应层的检测传感器，其中，所述反应层的表面面积A为1.33cm2，喷得反应层的单位面积质量为9.82μg/cm2。
如图2所示，用O型橡胶密封圈14将检测传感器1固定在检测池中，使镀有Q235碳钢的表面朝上。接着，通过信号检测装置2测得所述检测传感器的初始共振频率为5006255Hz。然后，将300uL的含氯柴油（相关参数如表2所示）滴加在反应区域16中，使含氯柴油与Q235碳钢在20℃下反应2小时。之后，用石油醚冲洗检测传感器1（特别是上表面），吹干后，通过信号检测装置2测得经过反应后的检测传感器1的共振频率为5006183.2Hz，因此反应前后检测传感器1的共振频率变化值为71.8Hz。将反应前后检测传感器1的共振频率变化值以及所述初始共振频率输入数据处理装置3中，通过数据处理装置3可以计算出反应前后反应层的质量变化量为1.69μg。
表2
  项目   含量
  密度   0.8349g/cm3
  沸程   249-300.5℃
  氯含量   61ppm
  硫含量   0.5ppm
  酸值   <0.02mg/g
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法。
根据实施例1的方法评价含酸柴油（相关参数如表3所示）的低温腐蚀性能，所不同的是，5MHz AT切压电石英晶片中的金层的直径为11.6mm，而且含酸柴油与20#碳钢在10℃下反应3小时。通过信号检测装置2测得所述检测传感器的初始共振频率为5005991.2Hz，经过反应后的检测传感器1的共振频率为5006057.2Hz，因此反应前后检测传感器1的共振频率变化值为66.0Hz。将反应前后检测传感器1的共振频率变化值以及所述初始共振频率输入数据处理装置3中，通过数据处理装置3可以计算出反应前后反应层的质量变化量为1.55μg。
表3
  项目   含量
  密度   0.8349g/cm3
  沸程   249-300.5℃
  酸值   1.15mg/g
  氯含量   0.3ppm
  硫含量   0.5ppm
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法。
根据实施例1的方法评价含氯汽油（相关参数如表4所示）的低温腐蚀性能，所不同的是，5MHz AT切压电石英晶片中的金层的直径为20.2mm，而且含氯柴油与20#碳钢在30℃下反应1小时。通过信号检测装置2测得所述检测传感器的初始共振频率为5009208.96Hz，经过反应后的检测传感器1的共振频率为5009032.25Hz，因此反应前后检测传感器1的共振频率变化值为176.71Hz。将反应前后检测传感器1的共振频率变化值以及所述初始共振频率输入数据处理装置3中，通过数据处理装置3可以计算出反应前后反应层的质量变化量为4.16μg。
表4
  项目   含量
  密度   0.6956g/cm3
  沸程   37-135.5℃
  氯含量   47.4ppm
  硫含量   2.1ppm
  酸值   <0.02mg/g
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法。
根据实施例1的方法评价含氯重油（相关参数如表5所示）的低温腐蚀性能，所不同的是，5MHz AT切压电石英晶片中的金层的直径为20.2mm，而且含氯柴油与20#碳钢在30℃下反应2小时。通过信号检测装置2测得所述检测传感器的初始共振频率为4996031.18Hz，经过反应后的检测传感器1的共振频率为49960008.36Hz，因此反应前后检测传感器1的共振频率变化值为22.82Hz。将反应前后检测传感器1的共振频率变化值以及所述初始共振频率输入数据处理装置3中，通过数据处理装置3可以计算出反应前后反应层的质量变化量为0.54μg。
表5
  项目   含量
  密度   0.8640g/cm3
  沸程   222-687℃
  氯含量   19.16ppm
  硫含量   1.3ppm
  酸值   0.06mg/g
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的所述评价油品的低温腐蚀性能的方法。
根据实施例1的方法评价混合柴油（相关参数如表6所示）的低温腐蚀性能，所不同的是，5MHz AT切压电石英晶片中的金层的直径为20.2mm，而且混合柴油与20#碳钢在30℃下反应2小时。通过信号检测装置2测得所述检测传感器的初始共振频率为5005996.86Hz，经过反应后的检测传感器1的共振频率为5005697.84Hz，因此反应前后检测传感器1的共振频率变化值为299.02Hz。将反应前后检测传感器1的共振频率变化值以及所述初始共振频率输入数据处理装置3中，通过数据处理装置3可以计算出反应前后反应层的质量变化量为7.04μg。
表6
  项目   含量
  密度   0.8349g/cm3
  沸程   249-300.5℃
  酸值   0.62mg/g
  氯含量   26.35ppm
  硫含量   0.5ppm
由此可见，根据本发明提供的所述方法不仅能够准确评价油品的低温腐蚀性能，而且油品样品用量较小、评价时间较短。

Claims (7)

1.一种评价油品的低温腐蚀性能的方法，该方法在石英晶体微天平上实施，所述石英晶体微天平包括检测传感器、信号检测装置和数据处理装置，所述检测传感器包括石英晶片和涂覆在石英晶片的表面上的反应层，所述反应层能够与油品中的腐蚀介质发生反应；
所述方法包括：用所述信号检测装置检测所述检测传感器的初始共振频率，接着在0-45℃下将所述油品与所述检测传感器中的反应层接触反应，在接触反应之后，将所述反应层洗涤和干燥，之后再用所述信号检测装置检测所述检测传感器的反应后的共振频率，然后基于所述检测传感器在接触反应前后的共振频率的变化值，通过所述数据处理装置计算出所述反应层在接触反应前后的质量变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应层为碳钢。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述反应层通过真空电镀或蒸镀的方法涂覆在所述石英晶片的表面上。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述石英晶片为双面镀有惰性金属层的石英晶片，所述反应层涂覆在至少一个惰性金属层上。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述惰性金属层中的惰性金属为金和/或铂。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述油品与所述检测传感器中的反应层接触反应的条件包括：反应温度为5-40℃，反应时间为0.5-10小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据处理装置按照以下公式计算所述反应层在接触反应前后的质量变化量：
&Delta;f = - 2.26 &times; f 0 2 &Delta;m / A
其中，Δf为所述检测传感器在接触反应前后的共振频率的变化值，单位为MHz；f0为所述检测传感器的初始共振频率，单位为MHz；△m为所述反应层在接触反应前后的质量变化，单位为g；A为所述反应层的表面面积，单位为cm2。
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