車用LNG焊接低溫絕熱氣瓶靜態蒸發率快速檢測方法的研究

張建斌 ，劉宇 ，殷齊平 ，王雄 ，劉洋

（1.北京華拓綠能科技有限公司，北京 102447；2.烏海市特種設備檢驗所，內蒙古 烏海 016000）

1 車用LNG焊接低溫絕熱氣瓶靜態蒸發率的檢測現狀

TSG R0006-2014《氣瓶安全技術監察規程》明確規定，車用焊接絕熱氣瓶每3年檢驗1次。但車用絕熱氣瓶特有的夾層保溫結構，使對氣瓶本身檢驗的難度很大，目前相應的檢驗國家標準還未頒布，各省市積極投入研究車用焊接絕熱氣瓶的檢驗，部分省份已制定相應的地方標準作為檢驗依據。

目前車用LNG氣瓶檢驗分為2種方式：將氣瓶拆卸下來的離線檢驗和不拆卸氣瓶的在線檢驗。車用LNG氣瓶通過配套的鋼架固定結構與車輛連接，檢驗時，若將氣瓶拆卸下來成本非常高，而且拆裝過程中有損傷氣瓶的風險，所以目前在線不拆卸檢驗的方式更受用戶和檢驗機構的歡迎。根據GB/T 18443.5-2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法 第5部分：靜態蒸發率測量》，要以液氮為試驗介質。而LNG車輛都是單一能源，如果按照標準要求的方法，必須將被檢驗的氣瓶進行氮氣置換、還需要配備液氮、LNG儲存設備，顯然這比較困難。

目前靜態蒸發率檢測有兩種方法，一是稱重法，二是流量計法。如果采用稱重法則勢必要將氣瓶拆卸檢測，并且稱重法的精度等級較低，人為移動或晃動氣瓶都將影響試驗結果，因此不推薦使用稱重法。采用流量計法測量也存在諸多弊端：基本都是單獨使用質量流量計，配積算儀、大氣壓計、環境溫度計、環境濕度計，同時還無法準確測量到流量計入口的壓力和溫度參數，并且所有的試驗數值都需要人為手工記錄，試驗結束后，根據所記錄的數據再進行公式計算得出靜態蒸發率值。這就造成儀器設備種類繁多、人工成本高、計算易出錯、記錄數據不準確等缺點。檢測過程均為單機單工位檢測，1臺設備只能檢驗1只氣瓶，工作效率較低。

因此，靜態蒸發率測試儀是近3年行業內在原有單獨流量計法檢測的基礎上研發出來的一款新產品。

2 行業內靜態蒸發率測試儀的不足之處

雖然目前國內個別檢測機構已經開始使用靜態蒸發率測試儀，但是現行的設備中還有很多不能滿足GB/T 18443.5-2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法 第5部分：靜態蒸發率測量》的標準要求，例如:

（1）標準中要求應設置升溫裝置，一般質量流量計的使用溫度范圍是5～45℃，升溫裝置的設置首先保證了流量計不受損壞，其次可以保證檢測數據的準確性。本文論述的設備設置了自動/手動升溫器，與軟件控制系統和傳感器配合使用，可自動或手動設置升溫器開啟的溫度值。

（2）環境大氣壓值和對應介質的物性參數是參與到靜態蒸發率計算的，國內現行的設備均采用表框計算，不符合標準要求，本文所述設備軟件中設置了中國各個地區大氣壓范圍的數據庫，在不同地區的使用過程中，會依據大氣壓傳感器實時檢測到的數值參與公式計算，保證數據的準確性。

（3）標準要求兩個24h的結果誤差不能大于5%，目前國內設備不具備結果的對比功能。

（4）還有很多不便于開展檢驗工作之處，例如沒有燃氣報警裝置，使用天然氣作為試驗介質時一旦管路有泄漏，存在極大的安全隱患；試驗介質單一，只能使用氮氣作為試驗介質，無法真正實現車用LNG氣瓶的不拆卸在線檢測等。

針對上述不足，從硬件和軟件兩方面提出改進意見，在充分滿足標準要求的前提下，進一步提升產品與實際檢驗的符合程度，提升智能化數據的處理水平。

3 硬件開發

我們在充分解讀GB/T 18443.1-2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法 第1部分：基本要求》和GB/T 18443.5-2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法 第5部分：靜態蒸發率測量》的基礎上，研發了適合不拆卸氣瓶、試驗介質為LNG和液氮雙介質可選、可移動測量的靜態蒸發率測試儀。

測試儀采用雙箱體結構設計，將電器元件和氣體管路部件分箱體放置，集成加熱升溫裝置、流量計入口溫度、流量計入口壓力、質量流量計、環境溫度、環境濕度、環境大氣壓等傳感器。通過控制裝置控制試驗進程，采用射頻技術將測量到的瞬時流量、累計流量、流量計入口壓力、流量計入口溫度、環境大氣壓、環境溫度和環境濕度等數據傳輸到操作主機，檢測人員無需到檢測現場，在操作主機上即可控制設備工作，并能實時顯示試驗數據，自動保存試驗記錄，一鍵生成試驗報告，大大節省了人工成本，降低了勞動強度。

質量流量計采用天然氣為介質標定，設備可以適用于LNG車輛直接進行檢測，無需氮氣置換，這樣就滿足了氣瓶不拆卸在線檢測的目的。同時，每臺靜態蒸發率測試儀可以同時對2只LNG氣瓶進行檢測，檢測效率可提升1倍。

圖1為靜態蒸發率測試儀檢驗過程頁面。圖2～3為結構示意圖。

4 信號采集及軟件開發

靜態蒸發率測試儀軟件系統是在window7操作系統下，基于INTOUCH編程軟件，采用QuickScript語言開發而成，軟件實現的簡要流程圖見圖4。

（1）結果預判。靜態蒸發率測試儀的結果預判功能，是在氣瓶流量穩定后，根據當前的瞬時流量推算24h后的靜態蒸發率值，此數據對試驗人員初步判定氣瓶是否合格具有重要作用。如果預判值遠遠超過合格標準，那么就可以不再繼續做完24h試驗，可先進行抽真空或氦質譜檢漏的工作，這樣進一步節省了對不合格氣瓶檢測的周期。

圖1 靜態蒸發率測試儀檢驗過程頁面

（2）信號處理及傳輸。在設計初期，我們采用了WIFI中繼器的數據傳輸模式，其工作原理是將所有檢測單元的WIFI信號與中繼器連接，中繼器再與操作主機連接，形成數據的通訊。但是在實際使用過程中發現存在諸多問題，比如信號不穩定，斷開連接后需要人為手動重新連接和設定，使用不方便，因此我們對信號的傳輸方式做了調整。靜態蒸發率測試儀中的所有傳感器的輸出信號均為4～20mA。使用12位精度的西門子PLC采集模塊，采集并控制所有傳感器輸 出 的4～20mA信號。PLC將信號輸送給無線發射模塊，該種形式的模塊具有信號強、傳輸距離遠、性能穩定的特點。PLC與操作主機通過雙向工業485通訊，主機先向PLC發射信號，提出接受數據的要求，PLC接收到主機的命令信號后給主機反饋相應的數據信息。然后操作主機中的上位機軟件（INTOUCH）訪問PLC，將相應的數據顯示在對應的屏幕位置上，即完成數據的處理和傳輸。

軟件系統中錄入了環境大氣壓在80～120KPa范圍之內所有與試驗介質相關并且參與靜態蒸發率計算的物性參數，檢驗過程中根據監測到的環境大氣壓數值，從數據庫中調取相對應的物性參數參與計算，滿足了國內所有地區的實際的使用工況。

系統自動對比兩個24h的試驗結果，若誤差小于5%，則以第2個24h為最終結果，若誤差大于5%，則自動開始做3個24h測試，并以此結果作為最終結果。

圖2 氣體管路示意圖

圖3 電器元件示意圖

圖4 靜態蒸發率測試系統檢驗流程圖

（3）平板交互。為了實現整個氣瓶檢驗流程的快速和無紙化檢驗，系統中配置了可以與操作主機交互的平板電腦，在平板電腦上根據當地對氣瓶檢驗項目的規定制作成檢驗的記錄和報告模板，操作人員在檢驗現場可將實際檢驗情況直接錄入平板電腦，無需紙質記錄。平板電腦與操作主機通過局域網進行信息和數據的傳輸交互，用平板電腦記錄的氣瓶信息、檢驗情況均可一鍵傳輸給操作主機，并在主機上形成數據庫和氣瓶全流程檢驗報告，大大節省了填寫記錄和報告的時間，進一步降低檢驗人員的勞動強度。

（4）電子審批。測試結束后，系統將檢測數據和檢測報告上傳至云服務器，在云服務器生成不可修改的檢驗報告，通過軟件選擇試驗和審核人員，系統將自動將報告傳遞給相關人員，并設置強制閱覽后才可點擊提交或審批，并設置電子簽名，除檢驗環節實現無紙化辦公外，在報告審批過程中同樣實現無紙化辦公，報告審批流程全程在云服務器上完成，減少報告在審批人之間的流轉，進一步有效降低報告的審閱周期。

通過上述硬件和軟件的開發，使靜態蒸發率測試儀充分符合GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的要求。

5 試驗室性能測試

為了驗證靜態蒸發率測試儀測量數據的準確性，我們在試驗室使用3支275L車用LNG氣瓶和1支195L立式工業低溫瓶分別采用靜態蒸發率測試儀和稱重法進行了多次對比試驗。其中3支LNG氣瓶的試驗在北京進行，1支立式工業低溫瓶的試驗在包頭進行。

（1）試驗方法及數據。試驗方法：試驗室的測試均為單獨氣瓶測試，車用LNG氣瓶采用LNG為試驗介質，立式工業低溫瓶采用液氮為試驗介質，測試環境溫度保持在16℃。稱重法所采用的地秤為梅特勒-托利多（常州）測量技術有限公司生產的型號為PNM1/2-0808-560的電子地上衡，分度值為0.2kg。將瓶內的液體充至額定充滿量，僅打開放空閥，關閉其它所有閥門，靜置24h，使瓶內液體達到熱平衡，測試時長分別為48h，試驗結果見表1。

（2）數據對比及分析。根據表1的試驗數據，通過以下兩種途徑進行比較分析：①兩種試驗方法的數據對比。通過對上述4支氣瓶進行的對比試驗，結果顯示傳統稱重法測量的試驗結果與靜態蒸發率測試儀自動計算的結果十分接近， 其誤差均在5%以內，借鑒GB/T 18443.5-2010，其中規定兩個24h測量的靜態蒸發率結果變化范圍應小于5%，實際用兩種方法測量的結果誤差均小于5%，因此證明靜態蒸發率測試儀測試的數據準確。②靜態蒸發率測試儀第1個24h和第2個24h試驗的結果對比。通過上述4支氣瓶靜態蒸發率測試儀兩個24h測量結果來看，變化誤差均小于5%，同時結合焊接絕熱氣瓶檢驗的實際現狀，我們認為測量24h就能夠說明氣瓶的絕熱性能，從而縮短了檢驗周期，實現了在線快速檢測。

表1 試驗室測試數據

6 現場應用測試

現場在線檢測與實驗室檢測的最大區別在于，實驗室的環境相對穩定，參與計算的環境溫度、濕度、大氣壓的變化不大，而現場在線檢測中，不同地區、不同時間的環境溫度、濕度、大氣壓不一致，因此現場測試的綜合環境更為復雜。

在線檢測需要先將車輛上的LNG氣瓶充滿至額定充滿率，然后將車輛停放至指定的試驗地點，一般在檢測站附近會有定點加液站，距離在2～3km左右，在這個短距離的車輛行駛階段，僅消耗1～2L液化天然氣，對檢測的影響微乎其微，我們認為可以接受。

為了驗證靜態蒸發率測試儀的可靠性和現場檢測能力，在烏海市特種設備檢測中心的氣瓶檢測基地，對100只車用LNG氣瓶做了不拆卸氣瓶的在線檢測，試驗介質使用LNG，選取其中10只氣瓶的試驗數據。

（1）測試過程。車輛充滿LNG停放至指定位置后，打開放空閥，關閉其它所有閥門靜置24h，連接靜態蒸發率測試儀，在操作主機上點擊“試驗開始”，開始進行靜態蒸發率測試，測試時長為24h。測試現場見圖5、6所示。

圖5 現場在線檢測

圖6 現場在線檢測

（2）測試數據。測試過程中系統能根據設定的時間間隔，自動記錄試驗數據，包括瞬時流量、累計流量、環境大氣壓、環境濕度、環境溫度、流量計入口溫度、流量計入口壓力。這些數據自動保存為excel格式文檔，并存于操作主機E盤的根目錄下，試驗結束后能夠自動計算24h的靜態蒸發率結果。

10只車用LNG氣瓶的檢驗結果匯總如表2所示。

表2 現場在線檢測試驗結果

由于目前國家還沒有頒布關于低溫氣瓶定期檢驗的國家標準，本次試驗根據DB35/T 1517《汽車用液化天然氣焊接絕熱氣瓶定期檢驗規則》第8.2.3.5條的規定：液化天然氣靜態蒸發率計算值不大于3%/d，絕熱性能為合格。因此該10只氣瓶的試驗結果均合格。

檢驗記錄及報告輸出。系統自動生成的檢驗記錄如圖7所示，一鍵生成的檢驗報告如圖8所示。

（1）極端環境下測試。為了驗證靜態蒸發率測試儀在高溫和低溫環境下的使用情況，分別將設備于7月份放在烏海和12月份放在沈陽進行實際檢測，烏海在7月份白天的溫度高達40℃，沈陽在12月份的最低溫度低至-25℃，通過實際測試，設備均能正常工作，無異?，F象發生。

（2）測試結論。靜態蒸發率測試儀及主機持續運行96h，設備運轉正常，沒有出現死機、黑屏等故障；靜態蒸發率測試儀能夠持續自動記錄試驗數據，能夠顯示試驗結果預判值；24h試驗結束后，能自動計算試驗結果，并判斷是否合格；能夠一鍵自動生成試驗報告；1臺設備可以同時檢測2只氣瓶，提高了工作效率；可在極端環境溫度下正常工作；現場測試的環境完全符合GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的要求，所有硬件、軟件均符合標準要求，可以保證測試數據的真實、準確、有效。

7 經濟性和安全性分析

（1）經濟性。靜態蒸發率測試儀的研發充分滿足了GB/T 18443.5-2010標準的要求，滿足了車用LNG氣瓶不拆卸在線檢測的實際需求，節省了氣瓶原介質排空和用氮氣置換的費用，以一支275L氣瓶為例，在剩余1/4液體（約62L）時進行檢驗，需要將剩余的液體排空，LNG價格按照6元/kg計算，則損失約158元，還需要用3瓶40L高壓氮氣瓶進行氮氣置換，費用約150元，再向瓶內充裝200kg液氮做試驗，約1000元，則如果采用在線檢測可節省1308元。

（2）安全性。在線檢測均使用LNG作為試驗介質，因此在安全性上要做好進一步的保障。設備中配備燃氣報警器，一旦檢測到燃氣泄漏，設備本身和操作主機頁面均會以聲、光的方式發出警報，同時檢測工作應在指定位置開展，須在被檢測氣瓶上做接地裝置，設備出氣口應引至高出車頂1.5m的距離以實現高位排空，試驗現場嚴禁明火和使用無線通訊設備，以保證測試過程中的安全性。

8 結語

根據GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010中對靜態蒸發率測試的原理和要求，以質量流量計測試方法為基礎，采用模塊化設計思想，利用無線發射技術，成功研發了一款智能靜態蒸發率測試儀，該套系統可在很大程度上將檢驗人員從落后和效率低的檢驗工作中解放出來，極大提高了檢驗效率，實現了靜態蒸發率在線快速檢測及檢測的準確性。

圖7 系統自動生成的檢驗記錄

圖8 系統自動生成的檢驗報告

通過實驗室和現場應用測試，得出以下結論：避免試驗過程中使用繁多的儀器設備，將所需要的儀器設備集成為一體機；避免人為記錄數據，所有數據均由系統自動記錄；避免人工計算靜態蒸發率的結果，由系統自動計算；避免試驗后人為編寫試驗報告，系統可一鍵生成報告；為了節省人力，所有試驗數據可通過低頻無線傳輸至操作主機；避免突然斷電后丟失試驗數據，意外斷電后自動保存試驗數據，來電后并能繼續試驗；試驗介質為LNG和液氮可選；避免在使用天然氣做試驗時，出現氣體與電器件接觸發生電火花的風險，該設備做成雙機箱設計，1個機箱放置氣路組件，另外1個機箱放置電器組件；為了提高工作效率，本設備可同時對8只焊接絕熱氣瓶進行靜態蒸發率檢測，操作主機的頁面可同時顯示8個通道的試驗狀態，并能同時監測8個通道的所有檢測數據；為了提高工作效率，車用LNG氣瓶使用此四機八工位智能靜態蒸發率測試儀，可實現不拆卸氣瓶在線檢測。通過與傳統稱重法試驗數據的對比，判定靜態蒸發率測試儀檢測的數據是準確的。本文論述的靜態蒸發率測試儀的各項硬件和軟件均能滿足GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的各項規定。

參考文獻：

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