玻璃浮式密度计和U 形振动管测定油品密度的对比

史清刚，丁仕兵，邹雯雯，管嵩

（1.黄岛检验认证有限公司，山东青岛 266500；2.青岛海关技术中心，山东青岛 266500）

石油被称为“黑色的金子”、“工业的血液”，是当今社会上举足轻重的战略物资。未经加工的石油称为原油，原油经过加工后成为石油产品，常见的石油产品有石油燃料、石油溶剂与化工原料、润滑剂、石油沥青、石蜡、石油焦六类。数量最大的是石油燃料，其次是润滑剂和石油沥青。所谓石油燃料主要包括汽油、柴油、喷气燃料和燃料油等，润滑剂则是润滑油和润滑脂的总称，润滑油又分为汽油机油、柴油机油、齿轮机油和机械油等[1]。

在油品的质量管理和生产运输过程中，密度是一项基本且重要的指标，一是可以用于油品的计量，二是通过密度可以大致确定石油产品的种类，三是可以近似地评价石油产品的质量和化学组成情况，四是密度的大小影响燃料油的使用性能。因此，密度的准确测定对于油品的品质、计重、计价等都具有重要的意义。我国规定油品在20 ℃的密度为其标准密度，本文所有密度均为20 ℃时油品的密度。

石油及其产品的密度广泛采用玻璃浮式密度计和U 形振动管[2-6]进行测定，玻璃浮式密度计利用的是阿基米德原理，将液体试样倒入温度基本相同的密度计量筒中，选择合适密度范围的玻璃浮式密度计放入试样中，达到平衡位置时放手，当密度计离开量筒壁自由漂浮且静止时，读取密度计刻度和试样温度，从而计算油品的标准密度，产品标准中一般将玻璃浮式密度计规定为仲裁方法。随着技术进步和对自动化程度要求的提高，可自动进样、程序升温且控温精度更高、自动换算不同温度下密度的U 形振动管使用越来越普遍[7-10]，U 形振动管是利用电磁引发玻璃U 形管产生振荡，由于管内填充物质的密度不同，导致振动频率的改变，进而计算出样品密度的方法。

本文以原油、残渣燃料油、航空煤油、涡轮机油、柴油为研究对象，用能力验证检测数据对两种方法检测进行了比对研究。整体上，两种方法结果差值满足GB/T 1884—2000 再现性要求，U 形振动管检测精密度约一半较为明显优于玻璃浮式密度计，另一半没有显著性差异。

1 实验数据

本文汇集了2016 年至2021 年组织油品能力验证计划的密度结果，尽管部分计划参加实验室较少，但依然属于长期的全国范围的数据比对。

每家实验室报告两个结果及平均值，标准偏差和总平均值利用各实验室的平均值按检测方法分别计算，标准偏差的意义类似于实验室间精密度，可从大范围尺度比较两种方法的差异性。由于2016 年至2021年全部实验室结果数据庞大，因此表1 中没有列出每次能力验证计划详细的数据报告，仅是每年度参试实验室报告密度结果的总平均值和用于计算总平均值的结果个数。其中“浮式”为玻璃浮式密度计，“U 管”为U形振动管。

表1 密度数据一览表Tab.1 List of density data 单位：g·cm-3

2 结果与讨论

2.1 U 形振动管检测方法的使用比例

通过表2 可知，U 形振动管检测方法的使用比例在逐年上升，柴油除外。由于很多实验室都具备两种方法的检测能力，因此实验室参加能力验证计划报出结果的方法不完全代表其设备配置情况。

表2 U 形振动管检测方法的使用比例Tab.2 The usage ratio U-shaped oscillating tube method 单位：%

2.2 两种方法结果间精密度的比较

从表3 中平均标准偏差可以看出，U 形振动管检测方法的精密度比玻璃浮式密度计的精密度要高。从逐年的情况看，在30 组数据中，只有5 组数据U 形振动管检测方法的精密度比玻璃浮式密度计的精密度要低，但标准偏差的数值相差不大，83.3%的比例为U 形振动管检测方法的精密度比玻璃浮式密度计的精密度要高。

表3 实验室之间结果精密度的比较Tab.3 The between-lab precisions of two methods

从表4 中F 检验结果可知，有14 组即46.7% U 形振动管检测方法的数据精密度比玻璃浮式密度计的精密度要显著高，有16 组即53.3% U 形振动管检测方法的数据精密度和玻璃浮式密度计的精密度没有显著性差别，亦即整体上U 形振动管检测方法的数据精密度比玻璃浮式密度计的精密度要显著高或没有显著性差异。

表4 F 检验结果比较Tab.4 F comparison of test results

从图1 和图2 可以看出，玻璃浮式密度计的标准偏差比U 形振动管的标准偏差要大且波动也大，密度较大且不透明的原油和残渣燃料油的标准偏差较大且波动也较大，航空煤油、涡轮机油、柴油三种透明油U形振动管的标准偏差小且稳定。

图1 玻璃浮式密度计不同油种标准偏差对照图Fig.1 Comparison chart of standard deviation of different oils by glass float densitometer

图2 U 型振动管不同油种标准偏差对照图Fig.2 Comparison chart of standard deviation of different oils by U-shaped oscillating tube

2.3 两种方法平均结果间的比较

GB/T 1884—2000 规定透明低黏度油品密度再现性为0.001 2 g/cm3，不透明油品为0.001 5 g/cm3；SH/T 0604—2000 规定透明的中间馏分0.000 5 g/cm3，原油和其他石油产品0.001 5 g/cm3。从表5 可知，两种方法结果差值全部满足GB/T 1884—2000 的规定，只有2020 年的航空煤油稍微超出SH/T 0604—2000 规定的允许差。总体来讲，按标准规定两种方法测定结果差值不显著。

从表5 中t 值检验结果可知，30 组结果中只有6组具有统计上显著性差异，占比20%，其中柴油4 组有显著性差异，而且柴油玻璃浮式密度计检测的平均结果均比U 形振动管检测的结果要小。应注意的是，t 值检验具有统计上显著性差异，有时不是因为差值过大，而是因为标准偏差太小及精密度太好的原因。

表5 两种方法平均结果间的比较Tab.5 Bias of average results of two methods

以MEF 法（Method Evaluation Function）做统计分析[11]，U 形振动管结果为Y，玻璃浮式密度计结果为X，两方法结果进行线性回归分析，截距对“0”做t 值检验，斜率对“1”做t 值检验。检验数据见表6，所有t 值都小于临界值，说明两种方法不存在显著的相关性偏差和恒定偏差，即两种方法结果间统计上不存在显著性差异。

表6 MEF 法检验数据表Tab.6 Result of MEF test

3 结论

总体来讲，按两种方法测定结果差值不存在显著性差异，U 形振动管检测精密度约一半较为明显优于玻璃浮式密度计，另一半没有显著性差异。

两种方法检测结果基本上互有高低，但柴油是个例外，玻璃浮式密度计结果都比U 形振动管结果低，尽管差值在可接受范围之内。在今后的能力验证计划中应持续关注尤其是柴油的密度对比。

U 形振动管具有温度控制严密、不同温度自动换算、自动黏度校正、自动化温控进样等优点。玻璃浮式密度计的优点主要是配置简单，其最大问题为恒温控制不易严格，且需要严格的计量或校准。