Qu’est-ce que la viscosité cinématique ?

    La viscosité cinématique est une mesure de la résistance interne d'un fluide à l'écoulement sous l'effet des forces gravitationnelles. Il est déterminé en mesurant le temps en secondes nécessaire pour qu'un volume fixe de fluide s'écoule sur une distance connue par gravité à travers un capillaire dans un viscosimètre calibré à une température étroitement contrôlée.

    Cette valeur est convertie en unités standard telles que les centistokes (cSt) ou les millimètres carrés par seconde. Le rapport sur la viscosité n'est valide que lorsque la température à laquelle le test a été effectué est également indiquée - par exemple 23 cSt à 40 degrés C.

     Parmi tous les tests utilisés pour l’analyse des huiles usées, aucun n’offre une meilleure répétabilité ou cohérence que la viscosité. De même, il n’existe aucune propriété plus critique pour une lubrification efficace des composants que la viscosité de l’huile de base. Cependant, la viscosité ne se résume pas à ce que l’on voit. La viscosité peut être mesurée et rapportée sous forme de viscosité dynamique (absolue) ou de viscosité cinématique. Les deux se confondent facilement, mais sont très différents.

    La plupart des laboratoires d’analyse des huiles usées mesurent et rapportent la viscosité cinématique. En revanche, la plupart des viscosimètres sur site mesurent la viscosité dynamique, mais sont programmés pour estimer et rapporter la viscosité cinématique, de sorte que les mesures de viscosité rapportées reflètent les chiffres cinématiques rapportés par la plupart des laboratoires et des fournisseurs d'huile lubrifiante.

    Compte tenu de l’importance de l’analyse de la viscosité associée à la popularité croissante des instruments d’analyse du pétrole sur site utilisés pour filtrer et compléter l’analyse du pétrole en laboratoire hors site, il est essentiel que les analystes du pétrole comprennent la différence entre les mesures de viscosité dynamiques et cinématiques.

    D'une manière générale, la viscosité est la résistance d'un fluide à l'écoulement (contrainte de cisaillement) à une température donnée. Parfois, la viscosité est appelée à tort épaisseur (ou poids). La viscosité n’est pas une mesure dimensionnelle, donc appeler une huile très visqueuse épaisse et une huile moins visqueuse fine est trompeur.

    De même, signaler la viscosité à des fins de tendances sans référence à la température est absurde. La température doit être définie pour interpréter la lecture de viscosité. Généralement, la viscosité est indiquée à 40°C et/ou 100°C ou les deux si l'indice de viscosité est requis.

Équation de viscosité cinématique

    Plusieurs unités techniques sont utilisées pour exprimer la viscosité, mais les plus courantes sont de loin le centistoke (cSt) pour la viscosité cinématique et le centipoise (cP) pour la viscosité dynamique (absolue). La viscosité cinématique en cSt à 40°C constitue la base du système de notation de viscosité cinématique ISO 3448, ce qui en fait la norme internationale. D'autres systèmes de viscosité cinématique courants tels que Saybolt Universal Seconds (SUS) et le système de notation SAE peuvent être liés à la mesure de la viscosité en cSt à 40°C ou 100°C.

Mesure de la viscosité cinématique

    La viscosité cinématique est mesurée en notant le temps nécessaire à l'huile pour traverser l'orifice d'un capillaire sous la force de gravité (Figure 1). L'orifice du tube du viscosimètre cinématique produit une résistance fixe à l'écoulement. Des capillaires de différentes tailles sont disponibles pour supporter des fluides de viscosité variable.

    Le temps nécessaire au fluide pour s'écouler à travers le tube capillaire peut être converti en une viscosité cinématique à l'aide d'une simple constante d'étalonnage fournie pour chaque tube. La procédure dominante pour effectuer des mesures de viscosité cinématique est la norme ASTM D445, souvent modifiée dans le laboratoire d'analyse des huiles usées pour gagner du temps et rendre les mesures de test plus efficaces.

Figure 1. Viscosimètre capillaire à tube en U 

Mesure de la viscosité dynamique (viscosité absolue)

    La viscosité dynamique est mesurée comme la résistance à l'écoulement lorsqu'une force externe et contrôlée (pompe, air sous pression, etc.) force l'huile à travers un capillaire (ASTM D4624), ou lorsqu'un corps est forcé à travers le fluide par une force externe et contrôlée telle que une broche entraînée par un moteur. Dans les deux cas, la résistance à l'écoulement (ou au cisaillement) en fonction de la force d'entrée est mesurée, ce qui reflète la résistance interne de l'échantillon à la force appliquée, ou sa viscosité dynamique.

    Il existe plusieurs types et modes de réalisation de viscosimètres absolus. La méthode rotative Brookfield illustrée à la figure 2 est la plus courante. La mesure de la viscosité absolue a été utilisée pour des applications de recherche, de contrôle qualité et d'analyse des graisses dans le domaine de la lubrification des machines.

Figure 2. Viscosimètre rotatif ASTM D2983 

    Les procédures de test de viscosité dynamique en laboratoire par la méthode traditionnelle Brookfield sont définies par ASTM D2983, D6080 et autres. Cependant, la viscosité dynamique devient courante dans le domaine de l'analyse des huiles usées, car la plupart des viscosimètres sur site vendus aujourd'hui sur le marché mesurent la viscosité dynamique et non la viscosité cinématique. 

    D'une manière générale, la viscosité cinématique (cSt) se rapporte à la viscosité absolue (cP) en fonction de la densité spécifique (SG) du fluide selon les équations de la figure 3.

Figure 3. Équations de viscosité 

    Aussi simples et élégantes que paraissent ces équations, elles ne s’appliquent qu’aux fluides dits newtoniens. De plus, la densité du fluide doit rester constante pendant la période de tendance. Aucune de ces conditions ne peut être considérée comme constante dans l'analyse des huiles usées, l'analyste doit donc être conscient des conditions dans lesquelles une variance peut se produire.

Viscosité cinématique : fluides newtoniens et fluides non newtoniens

    Un fluide newtonien est un fluide qui maintient une viscosité constante quel que soit le taux de cisaillement (la contrainte de cisaillement varie linéairement avec le taux de cisaillement). Ces fluides sont appelés newtoniens car ils suivent la formule originale établie par Sir Isaac Newton dans sa loi de la mécanique des fluides. Cependant, certains fluides ne se comportent pas de cette façon. En général, on les appelle fluides non newtoniens. Les fluides newtoniens comprennent les gaz, l'eau, l'huile, l'essence et l'alcool.

    Un groupe de fluides non newtoniens appelés thixotropes présente un intérêt particulier dans l'analyse des huiles usées car la viscosité d'un fluide thixotrope diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente. La viscosité d'un fluide thixotrope augmente à mesure que le taux de cisaillement diminue. Avec les fluides thixotropes, le temps de prise peut augmenter la viscosité apparente comme dans le cas des graisses. Des exemples de fluides non newtoniens comprennent :

• Liquides épaississants : la viscosité augmente à mesure que le taux de cisaillement augmente. Par exemple, la fécule de maïs, lorsqu’elle est placée dans l’eau et agitée, commence à devenir plus épaisse avec le temps.

• Liquides fluidifiants : la viscosité diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente. La peinture pour vos murs en est un bon exemple. Au fur et à mesure que vous remuez la peinture, elle devient plus fluide.

• Liquides thixotropes : deviennent moins visqueux lorsqu'ils sont agités. Des exemples courants en sont le ketchup aux tomates et le yaourt. Une fois secoués, ils deviennent plus fluides. Lorsqu'ils sont laissés seuls, ils retournent à un état semblable à un gel.

• Liquides rhéopectiques : deviennent plus visqueux lorsqu'ils sont agités. Un exemple courant de ceci est l’encre d’imprimante.

Viscosité cinématique : un exemple pratique

    Imaginez que vous avez deux pots devant vous : l'un rempli de mayonnaise, l'autre de miel. Avec les deux pots fixés à la surface de la table avec du Velcro, imaginez-vous plonger des couteaux à beurre identiques dans chacun des liquides sous le même angle et à la même profondeur. Imaginez remuer les deux fluides en tournant les couteaux au même régime tout en gardant le même angle d'attaque.

    Lequel des deux fluides était le plus difficile à remuer ? Votre réponse devrait être le miel, qui est beaucoup plus difficile à remuer que la mayonnaise. Imaginez maintenant que vous détachez les bocaux du Velcro sur la table et que vous les retournez sur le côté. Qu'est-ce qui sort du pot le plus rapidement, le miel ou la mayonnaise ? Votre réponse devrait être chérie ; la mayonnaise ne coulera pas du tout en tournant le pot sur le côté.

    Quel fluide est le plus visqueux, le miel ou la mayonnaise ? Si vous avez dit mayonnaise, vous avez raison… au moins en partie. De même, si vous avez dit chérie, vous avez en partie raison. La raison de cette anomalie apparente est que lors de la rotation du couteau dans les deux substances, le taux de cisaillement varie, alors que tourner chaque pot sur le côté revient simplement à mesurer la résistance statique à l'écoulement.

    Étant donné que le miel est un fluide newtonien alors que la mayonnaise est non newtonienne, la viscosité de la mayonnaise diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente ou que le couteau tourne. L'agitation soumet la mayonnaise à une contrainte de cisaillement élevée, la faisant céder à l'action de forçage. À l'inverse, le simple fait de placer le pot sur le côté soumet la mayonnaise à une faible contrainte de cisaillement, ce qui entraîne peu ou pas de changement de viscosité, de sorte qu'elle a tendance à rester dans le pot.

    On ne peut classiquement mesurer la viscosité d’un fluide non newtonien. Il faut plutôt mesurer la viscosité apparente, qui prend en considération le taux de cisaillement auquel la mesure de viscosité a été effectuée. (Voir Figure 4) Tout comme les mesures de viscosité n'ont de sens que si la température d'essai est indiquée, les mesures de viscosité apparente n'ont de sens que si la température d'essai et le taux de cisaillement sont indiqués.

    Par exemple, la viscosité de la graisse n'est jamais indiquée, mais la viscosité apparente de la graisse est indiquée en centipoises (cP). (Remarque : la viscosité peut être indiquée pour l'huile de base utilisée pour fabriquer la graisse, mais pas pour le produit fini.)

    De manière générale, un fluide est non newtonien s’il est constitué d’une substance en suspension (mais non dissoute chimiquement) dans un fluide hôte. Pour cela, il existe deux catégories de base, les émulsions et les suspensions colloïdales. Une émulsion est la coexistence physique stable de deux fluides non miscibles. La mayonnaise est un liquide non newtonien courant, composé d'œufs émulsionnés dans l'huile, le liquide hôte. Parce que la mayonnaise est non newtonienne, sa viscosité cède avec la force appliquée, ce qui la rend facile à étaler.

    Une suspension colloïdale est composée de particules solides en suspension de manière stable dans un fluide hôte. De nombreuses peintures sont en suspension colloïdale. Si la peinture était newtonienne, soit elle s'étalerait facilement mais coulerait si la viscosité est faible, soit elle s'étalerait très difficilement et laisserait des traces de pinceau, mais ne coulerait pas si la viscosité est élevée.

    Parce que la peinture est non newtonienne, sa viscosité cède sous la force du pinceau, mais revient lorsque le pinceau est retiré. De ce fait, la peinture s'étale relativement facilement, mais ne laisse pas de traces de pinceau et ne coule pas.

Viscosité dynamique ou cinématique : quelle est la différence

    La viscosité dynamique détermine l’épaisseur du film apporté par l’huile. La viscosité cinématique est simplement une tentative pratique pour estimer le degré d’épaisseur de film que l’huile peut fournir, mais elle a moins d’importance si l’huile est non newtonienne.

De nombreuses formulations et conditions de lubrifiant produiront un fluide non newtonien, notamment :

• Additifs améliorant l'indice de viscosité (VI) - Les huiles moteur multigrades à base minérale (à l'exception des huiles de base à VI naturellement élevé) sont formulées avec un additif élastique qui est compact à basse température et se dilate à haute température en réponse à l'augmentation de la solvabilité du fluide. Parce que cette molécule additive est différente des molécules de l’huile hôte, elle se comporte de manière non newtonienne.

• Contamination de l'eau – L'huile et l'eau libre ne se mélangent pas, pas chimiquement en tout cas. Mais dans certaines circonstances, ils se combineront pour former une émulsion, un peu comme la mayonnaise évoquée plus haut. Quiconque a vu de l’huile qui ressemble à du café avec de la crème peut en témoigner. Même si cela peut sembler contre-intuitif, la contamination par l’eau, lorsqu’elle est émulsionnée dans l’huile, augmente en réalité la viscosité cinématique.

• Sous-produits de dégradation thermique et oxydative – De nombreux sous-produits de dégradation thermique et oxydative sont insolubles, mais sont transportés par le pétrole dans une suspension stable. Ces suspensions créent un comportement non newtonien.

• Suie – Couramment rencontrée dans les moteurs diesel, la suie est une particule qui forme une suspension colloïdale dans l’huile. L'additif dispersant de l'huile, conçu pour empêcher les particules de suie de s'agglomérer et de se développer, sert à faciliter la formation d'une suspension colloïdale.

  
  

    Si l'on mesurait la viscosité absolue de l'une de ces émulsions ou colloïdes couramment rencontrés décrits ci-dessus avec un viscosimètre absolu à taux de cisaillement variable (par exemple, ASTM D4741), la mesure diminuerait à mesure que le taux de cisaillement augmente, jusqu'à un point de stabilisation. .

    Si l'on devait diviser cette viscosité absolue stabilisée par la densité spécifique du fluide pour estimer la viscosité cinématique, la valeur calculée différait de la viscosité cinématique mesurée. Encore une fois, les équations de la figure 3 s'appliquent uniquement aux fluides newtoniens, et non aux fluides non newtoniens décrits ci-dessus, c'est pourquoi cette divergence se produit.

Effets de viscosité cinématique et de gravité spécifique

    Regardez à nouveau les équations de la figure 3. Les viscosités absolue et cinématique d'un fluide newtonien sont liées en fonction de la gravité spécifique du fluide. Considérons l'appareil de la figure 1, l'ampoule qui contient l'échantillon d'huile, qui est libéré lorsque le vide est éliminé, produit ensuite une pression qui entraîne l'huile à travers le tube capillaire.

    Peut-on supposer que tous les fluides produiront la même pression ? Non, la pression est fonction de la densité du fluide, ou de son poids par rapport au poids d'un volume d'eau identique. La plupart des huiles lubrifiantes à base d'hydrocarbures ont une densité spécifique de 0,85 à 0,90. Cependant, cela peut changer avec le temps à mesure que l'huile se dégrade ou devient contaminée (glycol, eau et métaux d'usure par exemple), ce qui produit un différentiel entre les mesures de viscosité absolue et cinématique.

    Considérez les données présentées dans le tableau 2. Chacun des nouveaux scénarios pétroliers est identique et, dans les deux cas, la viscosité absolue augmente de 10 pour cent, généralement la limite condamnante pour un changement de viscosité. Dans le scénario A, le léger changement de densité entraîne un léger différentiel entre la viscosité absolue mesurée et la viscosité cinématique.

    Ce différentiel pourrait légèrement retarder le déclenchement de l'alarme de vidange d'huile, mais ne provoquerait pas beaucoup d'erreur. Toutefois, dans le scénario B, l’écart est bien plus important. Ici, la densité augmente de manière significative, ce qui entraîne une augmentation mesurée de 1,5 pour cent de la viscosité cinématique, contre une augmentation de 10 pour cent mesurée avec un viscosimètre absolu.

    Il s’agit d’une différence significative qui pourrait amener l’analyste à identifier la situation comme non déclarable. L'erreur qui a été commise est l'hypothèse dans les deux scénarios que les fluides restent newtoniens.

    En raison des nombreuses possibilités de formation de fluides non newtoniens, le véritable paramètre d’intérêt pour l’analyste pétrolier et le technicien en lubrifiants devrait être la viscosité absolue. C'est ce qui détermine l'épaisseur du film du fluide et le degré de protection des surfaces des composants. Dans un souci d'économie, de simplicité et compte tenu du fait que de nouvelles procédures de test de lubrifiants sont couramment empruntées pour l'analyse des huiles usées, la viscosité cinématique de l'huile est le paramètre mesuré utilisé pour établir des tendances et prendre des décisions en matière de gestion des lubrifiants. Cependant, dans certains cas, cela peut introduire des erreurs inutiles dans la détermination de la viscosité d’une huile.

    Le problème peut être réduit à de simples mathématiques. Comme le suggèrent les équations de la figure 3, les viscosités absolue et cinématique sont liées en fonction de la densité spécifique du pétrole. Si la viscosité et la densité spécifique sont dynamiques, mais qu'une seule est mesurée, une erreur se produira et la viscosité cinématique ne fournira pas une évaluation précise du changement de la viscosité absolue du fluide, le paramètre d'intérêt. Le degré d'erreur est fonction du degré de modification du paramètre non mesuré, la densité.

Conclusions importantes concernant la viscosité cinématique

De cette discussion sur la mesure de la viscosité, on peut tirer les conclusions suivantes :

• En supposant que le laboratoire mesure la viscosité par des méthodes cinématiques, l'ajout de la mesure de la densité spécifique à un programme d'analyse de routine de l'huile en laboratoire aidera à éliminer cette variable en tant que variable dans l'estimation de la viscosité absolue à partir de la viscosité cinématique mesurée.

  
  Lorsque vous utilisez un viscosimètre sur site, ne recherchez pas un accord complet entre le viscosimètre cinématique du laboratoire et l'instrument sur site. La plupart de ces appareils mesurent la viscosité absolue (cP) et appliquent un algorithme pour estimer la viscosité cinématique (cSt), en maintenant souvent la densité spécifique constante. Envisagez de suivre la tendance des résultats du viscosimètre sur site en cP.

  
  

• C'est le paramètre mesuré et il permet de différencier la tendance sur site de la tendance des données produites par le laboratoire avec un viscosimètre cinématique. N'essayez pas d'obtenir un accord parfait entre les mesures de viscosité sur site et en laboratoire. C’est futile et génère peu de valeur. Au mieux, recherchez une corrélation lâche. Basez toujours la nouvelle huile avec le même viscosimètre que vous utilisez avec l’huile en service.

  
  

• Reconnaissez que les fluides non newtoniens n'offrent pas la même protection de film pour une viscosité cinématique donnée qu'un fluide newtonien de même viscosité cinématique. Étant donné que la viscosité d'un fluide non newtonien varie en fonction du taux de cisaillement, la résistance du film est affaiblie sous la charge et la vitesse de fonctionnement. C’est l’une des raisons pour lesquelles l’eau émulsionnée augmente le taux d’usure des composants tels que les roulements, où la résistance du film fluide est essentielle (bien entendu, l’eau provoque également d’autres mécanismes d’usure comme la cavitation vapeur, la rouille et la fragilisation par l’hydrogène et le cloquage).

    La viscosité est une propriété critique du fluide et sa surveillance est essentielle à l'analyse de l'huile. Les techniques de mesure de viscosité dynamique et cinématique peuvent produire des résultats très différents lors des tests d’huiles usagées. Assurez-vous que les tenants et aboutissants de la mesure de la viscosité et du comportement des fluides visqueux sont compris afin que des décisions précises en matière de lubrification puissent être prises.