氣瓶外測(cè)法水壓試驗(yàn)用校準(zhǔn)瓶標(biāo)定系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

戴行濤

（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧 大連 116013）

氣瓶水壓試驗(yàn)是對(duì)氣瓶質(zhì)量進(jìn)行全面檢驗(yàn)的綜合性試驗(yàn)，可檢驗(yàn)氣瓶是否滿足常規(guī)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，并在一定程度上預(yù)防氣瓶低應(yīng)力破壞的一種切實(shí)可行的非破壞性試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外普遍采用外測(cè)法進(jìn)行氣瓶水壓試驗(yàn)。外測(cè)法水壓試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)校準(zhǔn)瓶校驗(yàn)合格后才能使用[1]。校準(zhǔn)瓶是用以校正和檢驗(yàn)氣瓶水壓試驗(yàn)裝置是否準(zhǔn)確的專用氣瓶，除可用于檢查試驗(yàn)系統(tǒng)是否泄漏，還可核實(shí)和證明試驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確性和完整性，校準(zhǔn)瓶應(yīng)當(dāng)經(jīng)標(biāo)定后才能使用[2]。

美國(guó)是校準(zhǔn)瓶的主要生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，我國(guó)大部分氣瓶制造廠、水壓試驗(yàn)設(shè)備廠和氣瓶檢驗(yàn)站基本都是從美國(guó)購(gòu)買校準(zhǔn)瓶，價(jià)格相對(duì)較高，其校準(zhǔn)瓶首次標(biāo)定由相應(yīng)的制造廠進(jìn)行。國(guó)內(nèi)只有北京天海、成都格瑞特和中材科技（蘇州）等少數(shù)幾家在生產(chǎn)校準(zhǔn)瓶，隨著國(guó)內(nèi)氣瓶檢驗(yàn)市場(chǎng)的逐步放開，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)校準(zhǔn)瓶的制造廠會(huì)逐漸增加，校準(zhǔn)瓶出廠標(biāo)定成為了各制造廠的迫切需求。

此外，在用的校準(zhǔn)瓶種類、規(guī)格繁多，存在出身不明無(wú)法考證、沿用至今原有標(biāo)定數(shù)據(jù)失真、標(biāo)定證書丟失無(wú)法使用、帶有缺陷數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏離等等一系列不同問題，進(jìn)而導(dǎo)致水壓試驗(yàn)可能不合格的氣瓶流入社會(huì)投放使用或繼續(xù)使用，為氣瓶的安全帶來(lái)隱患，一旦發(fā)生事故，將造成不可挽回的嚴(yán)重后果。

保證氣瓶水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提就是要保證校準(zhǔn)瓶的準(zhǔn)確性。這就需要有資質(zhì)的相關(guān)機(jī)構(gòu)，利用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的專用標(biāo)定系統(tǒng)，在經(jīng)有關(guān)部門或協(xié)會(huì)備案的相關(guān)技術(shù)性文件的指導(dǎo)下，對(duì)校準(zhǔn)瓶進(jìn)行標(biāo)定，以此來(lái)確保校準(zhǔn)瓶的準(zhǔn)確性。所開發(fā)的校準(zhǔn)瓶校準(zhǔn)系統(tǒng)除滿足國(guó)外以 psi單位計(jì)量壓力外，還要滿足中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以MPa單位計(jì)量壓力。

1 方案與流程

校準(zhǔn)瓶是用于證明水壓試驗(yàn)設(shè)備完整性、確認(rèn)試驗(yàn)壓力和膨脹水量精確度而派生的二次標(biāo)準(zhǔn)[3]。校準(zhǔn)瓶經(jīng)標(biāo)定后，在標(biāo)定壓力下不再產(chǎn)生永久膨脹。校準(zhǔn)瓶的容積彈性膨脹量讀數(shù)必須是可重復(fù)的，標(biāo)定過(guò)程的標(biāo)定壓力和容積彈性膨脹量的精確度必須是可追溯到的。校準(zhǔn)瓶的標(biāo)定過(guò)程實(shí)際是量值溯源的過(guò)程，是高精度校驗(yàn)低精度的過(guò)程[4]。所以校準(zhǔn)瓶標(biāo)定系統(tǒng)的關(guān)鍵就是保證壓力和容積膨脹量測(cè)量裝置的精度等級(jí)，保證壓力的精確控制，保證容積彈性膨脹量測(cè)量和水套系統(tǒng)水量回“0”的精確性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)綜合考慮其他影響試驗(yàn)結(jié)果的因素，加以消除或改進(jìn)。基于上述要求，設(shè)計(jì)流程如圖1[5-7]。

該流程具有下列特點(diǎn)：

（1）采用氣驅(qū)液壓泵作為主要壓力源，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)手動(dòng)壓力控制閥或氣控閥可以調(diào)節(jié)升壓速率，使其以不大于 1%標(biāo)定壓力的速率緩慢升壓至預(yù)設(shè)壓力，長(zhǎng)期保壓而不消耗能量，保壓時(shí)介質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。

（2）采用手動(dòng)微調(diào)壓力源進(jìn)行精確的壓力控制，使其可以基本保證與標(biāo)定壓力±2 psi的誤差范圍，這樣可以避免由于標(biāo)定壓力本身誤差造成的容積彈性膨脹量的不準(zhǔn)確或者是較大誤差。

（3）采用高精度雙單位（MPa和psi）壓力測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量壓力信號(hào)，測(cè)量精度達(dá)到了0.01級(jí)，該精度高于GB/T9251-2011中規(guī)定的0.25級(jí)要求。

（4）水套密封形式采用法蘭結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封效果突出。

（5）采用高精度電子天平對(duì)校準(zhǔn)瓶容積彈性膨脹量進(jìn)行測(cè)量，最小顯示精度達(dá)到0.01 g，該精度高于GB/T9251-2011中規(guī)定的0.1 g。

（6）在水套套筒上加裝爆破片裝置，能夠有效預(yù)防標(biāo)定過(guò)程中校準(zhǔn)瓶突然爆破失效造成的安全威脅。

圖1 試驗(yàn)裝置流程圖

2 關(guān)鍵硬件計(jì)算與選型

表1 關(guān)鍵硬件計(jì)算的設(shè)計(jì)取值

根據(jù)表1所列的技術(shù)參數(shù)，計(jì)算一次加壓需要壓入校準(zhǔn)瓶的水量[1]。計(jì)算管道內(nèi)徑和管道壁厚[8]，根據(jù)計(jì)算值選擇規(guī)格為 ?6×1.5的不銹鋼管。計(jì)算管路系統(tǒng)和液壓閥的壓力損失，確定泵的最大工作壓力，計(jì)算泵的輸出流量，根據(jù)計(jì)算求得的最大工作壓力和泵的流量選取泵的型式和規(guī)格。

根據(jù)上述流程原理圖，選擇M系列氣驅(qū)液泵，其額定排出壓力為130 MPa，流量為0.48 L/min，壓力比為1:130。當(dāng)泵出口壓力升高時(shí)，泵會(huì)減速運(yùn)行，并對(duì)差動(dòng)活塞產(chǎn)生一定的阻力。該泵為單作用單氣動(dòng)泵，驅(qū)動(dòng)空氣壓力最大1 MPa。用電磁二位二通控制氣驅(qū)泵的運(yùn)行，控制信號(hào)計(jì)量，方便在設(shè)定的壓力下控制氣驅(qū)泵的開、停。

水壓系統(tǒng)的閥門采用密封可靠的手動(dòng)高壓針閥，任意壓力下保壓，都不泄露。

壓力精確控制采用手動(dòng)微調(diào)壓力源，利用細(xì)牙螺紋軸可以微調(diào)以獲得任何所需壓力，依靠操縱桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)給，調(diào)整柱塞的行程，最大排量為10 mL，每轉(zhuǎn)可以達(dá)到0.3 mL，精度等級(jí)達(dá)到0.01級(jí)。

測(cè)量容積彈性膨脹量選用高精度多功能電子天平，配置RS-232C接口，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出或打印。最大稱量3 200 g ,最小顯示精度0.01 g。

水套設(shè)計(jì)應(yīng)考慮校準(zhǔn)瓶的容積要求和機(jī)械強(qiáng)度要求，保障試驗(yàn)的安全性[7]。本裝置水套由不銹鋼鋼板制成直圓桶形，端蓋密封形式采用法蘭結(jié)構(gòu)，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)將校準(zhǔn)瓶垂直吊在托盤上，以減少對(duì)瓶體環(huán)向應(yīng)力的影響，并可適應(yīng)直徑350 mm以下和長(zhǎng)度1.5 m以下的校準(zhǔn)瓶。水套的安裝方式為一半高度在地下，另一半在地上，采用這樣設(shè)計(jì)降低了對(duì)氣瓶的吊裝高度，有利于試驗(yàn)操作。

水箱為自制的全密閉、由不銹鋼板焊接制成的常壓容器，主要用途為儲(chǔ)水，兼有平衡水溫等功效。水箱上設(shè)置有液溫液位儀、鉑電阻熱電偶、放水塞、回水管等器件。鉑電阻熱電偶用于測(cè)量和監(jiān)控水箱內(nèi)水溫。

測(cè)量、控制硬件主要包括高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、壓力測(cè)量系統(tǒng)、容積彈性膨脹量測(cè)量系統(tǒng)、溫度測(cè)量?jī)x表等。采用的數(shù)據(jù)采集模塊，具有多通道數(shù)據(jù)采集接口和多路模擬量輸出端口，分別用于壓力、水量信號(hào)的采集和電磁閥的控制。A/D板卡自帶驅(qū)動(dòng)程序，正確安裝在工控機(jī)上，可以直接使用VB流函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)輸入輸出進(jìn)行控制[9]。

壓力測(cè)量系統(tǒng)包括高精度雙單位壓力表、數(shù)字式壓力表和壓力傳感器，測(cè)量精度達(dá)到了0.01級(jí)。溫度測(cè)量?jī)x表主要包括一體化溫度傳感器、溫濕度計(jì)等，用于測(cè)量和監(jiān)控水套內(nèi)水溫和環(huán)境溫度，精度達(dá)到0.1 ℃。容積彈性膨脹量測(cè)量系統(tǒng)如前述。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)需要采集一個(gè)壓力信號(hào)、一個(gè)容積彈性膨脹量（電子天平）信號(hào)和一個(gè)水套內(nèi)水溫信號(hào)。根據(jù)采集來(lái)的壓力信號(hào)，系統(tǒng)操縱氣動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)升壓過(guò)程，再利用手動(dòng)微調(diào)壓力系統(tǒng)精確控制壓力至標(biāo)定壓力，并實(shí)現(xiàn)保壓過(guò)程。然后通過(guò)手動(dòng)泄壓閥實(shí)現(xiàn)泄壓過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中采集校準(zhǔn)瓶膨脹排出的水量，即容積彈性膨脹量，并實(shí)時(shí)顯示、記錄、保存全過(guò)程曲線和數(shù)據(jù)，真實(shí)顯示壓力-時(shí)間-容積彈性膨脹量一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。通過(guò)不同壓力等級(jí)的試驗(yàn)后，得到待標(biāo)定校準(zhǔn)瓶在不同壓力下容積彈性膨脹量數(shù)據(jù)。

校準(zhǔn)瓶標(biāo)定系統(tǒng)測(cè)控軟件是專門研制開發(fā)的一套綜合軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄和分析，硬件工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)控制和緊急情況處理等多項(xiàng)功能。軟件采用Visual B語(yǔ)言編寫，能夠運(yùn)行在包括Windows 95/98/Me/XP系統(tǒng)之上，具有操作方便，圖形顯示，界面友好等特點(diǎn)[9]。

4 驗(yàn)證與應(yīng)用

用1只已知標(biāo)定數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)瓶對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該校準(zhǔn)瓶主要參數(shù)如表2。

表2 已知標(biāo)定數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)瓶主要參數(shù)

在相同的溫度、水質(zhì)等條件下，按照標(biāo)定方法[10]，對(duì)已知標(biāo)定數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)瓶，用所研制的標(biāo)定系統(tǒng)分別對(duì)各標(biāo)定壓力點(diǎn)P進(jìn)行標(biāo)定，每個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行兩次有效標(biāo)定，記錄每個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的容積彈性膨脹量V，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與原有數(shù)據(jù)的壓力值誤差tP1、tP2，分析實(shí)測(cè)容積彈性膨脹量值與原有數(shù)據(jù)的誤差tV1、tV2，分析了2次標(biāo)定數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差tP1,2、tV1,2和總誤差t1,2（t1,2=tV1,2-tP1,2）。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值按四舍五入法[10]進(jìn)行了取值（P′和V′），并與校準(zhǔn)瓶原有標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析了實(shí)測(cè)容積彈性膨脹量取值和原有標(biāo)定數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差t。分析和比較結(jié)果如表3。

表3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和原有標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析和比較

從表3各項(xiàng)數(shù)據(jù)中可以看出：

（1）兩次標(biāo)定數(shù)據(jù)中實(shí)測(cè)容積彈性膨脹量都在原有標(biāo)定數(shù)據(jù)的允差±1%范圍內(nèi)，且最大誤差只有0.34%；

（2）兩次標(biāo)定數(shù)據(jù)中實(shí)測(cè)容積彈性膨脹量的總誤差t1,2都小于0.2%，滿足標(biāo)定方法[10]中±0.5%的重復(fù)性和穩(wěn)定性要求。

（3）壓力的控制誤差tP1、tP2滿足壓力精度0.1級(jí)的要求，且最大偏離未超過(guò)2 psi； 從tP1,2、tV1,2的數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)壓力控制的穩(wěn)定性也非常好。

（4）對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值按四舍五入法[10]取值后的標(biāo)定數(shù)據(jù)與原有標(biāo)定數(shù)據(jù)的最大誤差為 0.31%，也在允差±1%范圍內(nèi)。

用1只由某公司生產(chǎn)的校準(zhǔn)瓶對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。待校準(zhǔn)瓶主要參數(shù)如表4。

表4 待校準(zhǔn)瓶主要參數(shù)

按照標(biāo)定方法[10]在溫度為 19 ℃條件下對(duì)校準(zhǔn)瓶各壓力點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，每個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行3次有效標(biāo)定。標(biāo)定數(shù)據(jù)如表5。

表5 待校準(zhǔn)瓶標(biāo)定數(shù)據(jù)

通過(guò)驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用標(biāo)定數(shù)據(jù)tP、tV可以看出標(biāo)定系統(tǒng)壓力控制精度和容積彈性膨脹量的重復(fù)性誤差都保持了很高的精度。

綜上，研制的標(biāo)定系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，通過(guò)了專家驗(yàn)證，能夠完全滿足校準(zhǔn)瓶標(biāo)定的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

所開發(fā)的校準(zhǔn)瓶標(biāo)定系統(tǒng)，具有壓力范圍大、壓力調(diào)整與膨脹水計(jì)量準(zhǔn)確、壓力調(diào)整方便等特點(diǎn)，標(biāo)定系統(tǒng)能夠滿足國(guó)內(nèi)氣瓶行業(yè)校準(zhǔn)瓶標(biāo)定的需求，能夠?yàn)榉ㄒ?guī)、標(biāo)準(zhǔn)的順利實(shí)施提供技術(shù)保障，能夠?yàn)樾?zhǔn)瓶制造廠和氣瓶檢驗(yàn)站提供可靠的質(zhì)量保證，進(jìn)而提高國(guó)內(nèi)同行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

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