立式金屬罐容量計量的圍尺法國內外測量標準差異性研究

魏 凱 宋述古 劉子勇 王金濤

(1.青島市計量測試所，青島 266101；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

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立式金屬罐容量計量的圍尺法國內外測量標準差異性研究

魏 凱1宋述古1劉子勇2王金濤2

(1.青島市計量測試所，青島 266101；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

在對比JJG 168—2005《立式金屬罐容量》檢定規(guī)程和ISO 7507.1:2003《立式圓筒形儲罐的標定-圍尺法》條款內容的基礎上，結合立式金屬罐容量檢定的實際工作經驗，從檢定條件、儀器設備、檢定方法、附錄內容四個方面對國內、外立式金屬罐測量標準的差異進行了詳細分析，為今后《立式金屬罐容量》檢定規(guī)程的改進提出了具體的建議。

計量學；容量計量；立式金屬罐；國際標準；圍尺法；差異

0 引言

立式金屬罐是由若干層圈板垂直焊接而成的圓筒形金屬罐，具有計量準確度高、穩(wěn)定性好等特點，是石油、液體石油產品及其他液體貨物貿易結算、收發(fā)交接的重要計量器具[1,2]。隨著我國經濟社會的飛速發(fā)展，對原油的需求量也逐年快速增長。據(jù)測算，到2020年前后，我國石油消費量將超過7億噸/年，其中進口石油將達到4.2億噸/年，年進口石油貿易額將超過2300億美元。在這些驚人的數(shù)字背后，如何保證立式金屬罐對石油等化工產品計量的準確性更為貿易雙方所重視，這就給我國立式金屬罐容量計量技術的研究工作提出了更高要求，而研究對比國外同類技術文件，結合工作經驗取長補短是快速提高自身技術水平的一條行之有效的道路。按照OIMLR71、ISO 7507和JJG 168—2005的技術要求，立式金屬罐容量計量的方法分為：圍尺法、光學基準線法、光學三角測量法和光電測距法。其中的圍尺法是通過鋼卷尺直接測量立式金屬罐各層圈板的周長而得出各圈板直徑的辦法[3]，是最為準確可靠的立式金屬罐計量方法，被國內、外技術機構作為立式金屬罐計量必備的仲裁技術手段。本文將在ISO 7507-1:2003《圍尺法》與JJG 168—2005相關技術條款進行對比的基礎上，分別從檢定條件、儀器設備、檢定方法、附錄內容四個方面介紹總結二者之間的主要技術特點差異，并結合實際工作經驗討論分析這些技術差異的合理性，為今后我國技術規(guī)范改進提出建議。

1 國內、外測量標準的差異性分析

1.1 檢定條件

ISO 7507-1要求儲罐裝液到標稱容量至少一次，穩(wěn)定時間24h以上；JJG 168—2005水壓試驗則要求將水充裝到罐總容量的80%以上，穩(wěn)定時間不少于72h，可見國內規(guī)程的試壓要求更加嚴格。ISO 7507-1建議客戶為檢定人員提供標有尺寸的儲罐結構設計圖，并要求檢定人員在測量過程將實測值與圖紙數(shù)據(jù)進行比較，如果存在差異應及時與客戶溝通，必要時進行重復測量，確保測量數(shù)據(jù)的準確無誤。

總體上，ISO 7507-1對技術要求的描述更加細致和科學，尤其強調執(zhí)行時注意事項和相關法律、制度的重要性，對安全事項的描述也非常細致，對可能存在的安全隱患進行了逐項要求，確保檢定人員在操作實施過程中不會存在偏差和遺漏。

1.2 儀器設備

JJG 168—2005對檢定設備和配套設備的測量范圍、準確度等級或最大允許誤差、型號規(guī)格進行了簡單說明，ISO 7507-1則在列舉檢定設備和配套設備技術參數(shù)的同時，還對設備的材質、機械性能、使用方法等進行了明確的規(guī)定。如對量油尺的要求就包括：材質含碳量、抗拉強度、膨脹系數(shù)、檢定方法、準確度要求、尺面刻線要求、尺坨及掛鉤的結構和安裝要求等。由此可見，ISO 7507-1對設備的性能指標陳述非常詳細，針對性很強；同時也對測量設備的管理和使用提出了要求。在立式金屬罐測量這個工作環(huán)境惡劣、設備工作強度大的檢定項目里，測量設備經常會處于超負荷的工作狀態(tài)，容易出現(xiàn)因設備工作不正常造成的質量事故。所以，國內的技術機構應當與設備生產廠家緊密合作，在設計制造出高水平的測量設備的同時，還要在技術規(guī)范和質量控制文件中制定周詳?shù)脑O備自校、程序維護和保養(yǎng)的要求。例如ISO 7507-1所規(guī)定的在收放鋼卷尺的過程中要用力均勻，在鋼卷尺使用前后一定要清潔尺帶，并均勻地涂抹油脂，要以具體的措施保證設備始終處于最佳的測量狀態(tài)。

1.3 檢定方法

1.3.1 圓周長檢定方法

ISO 7507-1與JJG 168—2005都采用在立式金屬罐的固定位置進行水平圍尺操作的方法，但是操作程序有所差別。JJG 168—2005外圍尺法先將鋼卷尺緊貼罐壁使二者溫度平衡，然后每隔3m使用夾尺器和拉力器沿罐壁的切線方向給鋼卷尺施加固定的拉力，并用磁性表座對鋼卷尺進行固定。這種操作程序與ISO 7507-1相比更加科學，可以確保鋼卷尺每一段距離所受的拉力相同，多次測量的重復性也會更好。因此，JJG 168—2005可以達到比ISO 7507-1更高的圍尺允差要求，見表1。

表1 國內、外圍尺圓周長允差要求

ISO 7507-1正常檢定時的圍尺位置與JJG 168—2005圍尺位置的選取差別并不大，均在每層圈板板高的1/4和3/4處[4]；不同的是ISO 7507-1針對仲裁檢定規(guī)定了特殊的圍尺位置,見表2。

表2 2ISO 7507-1仲裁檢定圍尺位置要求

在后續(xù)檢定時，如何保證圍尺位置與首檢位置的一致性也非常重要(體現(xiàn)罐體同一位置周長的變化)。由于圍尺的位置往往受到罐壁附件影響而進行上下調整，所以筆者所在的技術機構在檢定過程中除了記錄圍尺的高度數(shù)據(jù)，同時還通過數(shù)碼照片對圍尺高度、圍尺起點、跨越的障礙物等細節(jié)進行詳細的記錄，避免了后續(xù)檢定時因圍尺位置和人員操作等原因對測量結果造成影響。此種方法同樣可以應用在對罐底附件的測量過程中。

JJG 168—2005中規(guī)定的內鋪尺法，在ISO 7507-1中沒有相對應的條款，分析其原因主要是內鋪尺法操作時鋼卷尺是依靠檢定員給鋼直尺施加的下壓力與罐壁貼合的。于是檢定員的下壓力直接影響了鋼卷尺與罐壁的貼合緊密性：下壓力越大貼合的越好，測量的數(shù)據(jù)與約定真值越接近。但是下壓力無法給予量化要求，因此測量結果會因檢定員的不同或者壓尺手法的改變而發(fā)生變化。同樣，鋼卷尺在依據(jù)JJG 4—1999《鋼卷尺》進行溯源檢定時，檢定員會給尺帶施加49N或者98N的拉力，并給出相應的修正值[5]，這種測量方式在外圍尺法中不會對測量結果產生影響，而內鋪尺法是在沒有拉力的狀態(tài)下使用鋼卷尺。雖然JJG 168—2005的7.4.1.2條款列出了尺帶彈性的修正公式，但是，實際操作中，內鋪尺法無法像外圍尺法一樣與罐壁進行溫度平衡，鋼卷尺彈性模量和截面積也會受到環(huán)境條件的影響而變化，這時得到的測量結果很難依靠公式進行修正。所以筆者認為，在內鋪尺法的操作過程中，首先要保證鋼卷尺的尺帶不存在凹凸不平或者彎折現(xiàn)象；其次，在鋼卷尺溯源時最好能夠采用零拉力檢定，以盡可能地還原鋼卷尺實際鋪尺時的使用狀態(tài)[6]。

ISO 7507-1中還重點講解了焊縫修正值的計算方法，見表3。

表3 跨越規(guī)修正值計算方法

另外，對圈板的油漆厚度，ISO 7507-1也要求進行測量，用來修正外圍尺的圓周周長，JJG 168—2005中則未提及對油漆厚度的測量，建議在以后的技術規(guī)范起草中予以考慮。

1.3.2 罐底檢定方法

國外儲罐底為規(guī)則的幾何形狀(如：錐形、半球形、半橢球形、球缺形)，多數(shù)采用ISO 4269容量法測量罐底量，此種方法比幾何法準確性高，但是工作量大，工作效率較低；JJG 168—2005則主要立足我國國情，采用幾何測量法對不規(guī)則罐底的容量進行計算，基本能夠滿足客戶的要求。

1.3.3 浮盤檢定方法

ISO 7507-1與JJG 168—2005對浮盤的檢定方法基本相同。ISO 7507-1對使用容量法測量浮頂質量時，判定浮盤完全起浮的方法描述明確，可操作性稍強。ISO 7507-1還明確指出浮頂質量應當包括：外浮盤上扶梯質量的一半、連接于浮盤底部的部分附件質量的一半、軟性或鉸接式排水管質量。浮盤質量應當作為技術重點在現(xiàn)場與圖紙逐一核實，筆者所在的技術機構在根據(jù)圖紙核實浮盤質量時，通常要求浮盤施工方技術人員在浮盤質量匯總表上簽字認可，并加蓋公章存檔。

1.3.4 參照高度與液位計檢定方法

ISO 7507-1與JJG 168—2005對參照高度的測量都非常重視，測量方法也相同。而在儲罐實際使用過程中，用戶通常通過雷達液位計采集數(shù)據(jù)，對儲罐容量進行實時監(jiān)控。因此，雷達液位計的溯源檢定就變得十分重要。首先，需要將雷達液位計零點與計量基準點的相對高度進行準確的測量。雷達液位計在罐底零液位反射板的相對高度比較容易，關鍵在與液位計頂端的相對高度，多數(shù)情況只能通過測深鋼卷尺予以確定，但是這種測量方式是在雷達液位計未安裝的情況下進行的，安裝后的相對高度易受法蘭和墊片厚度的影響；其次，雷達液位計的現(xiàn)場安裝狀態(tài)也會對測量誤差產生影響[7]。因此，筆者建議今后的規(guī)程起草應對雷達液位計提出進行現(xiàn)場校準的要求，以減少雷達液位計現(xiàn)場測量誤差，降低用戶由于液位測量不準而造成的經濟損失。

1.4 附錄內容

ISO 7507-1附錄文件內容十分豐富，包含了圍尺時所用裝置的明細；儲罐標定和容量表編制；儲罐標定數(shù)據(jù)計算表；不確定度評定；罐體、鋼卷尺溫度修正；靜壓力修正和證書內容要求。

ISO 7507-1在這些附錄文件中引入了大量的數(shù)據(jù)表格和計算實例，并對測量中的注意事項做了更加詳實的說明。例如在附錄B通過表格的方式給出了死量因儲罐直徑變化產生的容量修正系數(shù)，避免了因微小的直徑變化而需要重新對死量進行復雜的測量工作，同時還列舉了圈板厚度變化造成的容量變化修正系數(shù)、罐體傾斜的容量修正系數(shù)(見表4)、溫度變化造成的容量修正變化系數(shù)和存儲介質密度變化造成的容量變化修正系數(shù)。

ISO 7507-1中附錄D儲罐標定的不確定度分析對各不確定分量考慮的十分全面，例如圍尺時施加在尺帶上張力的不確定度、與儲罐罐壁摩擦引起的沿尺帶張力的不確定度、尺帶不在同一個平面的不確定度、尺帶所在平面與儲罐軸線不垂直引起的不確定度、尺帶對齊的不確定度、障礙物的不確定度、儲罐不是理想圓筒引起的不確定度、標準條件下儲罐底部的應力變形和罐壁靜壓力修正的不確定度等分量都是筆者之前評定不確定度中未曾考慮到的，具有很高的學習和參考價值。

表4 罐體傾斜的容量修正

2 結論

經過對比ISO 7507-1與JJG 168—2005的技術條款，筆者認為兩者提出的總體技術要求差別不大，不同之處主要有以下兩點:

1)ISO 7507-1注重對技術細節(jié)的描述，對測量過程中技術要點的說明非常詳盡；而JJG 168—2005的技術條款更加具有可操作性，對各項測量工作的流程和計算方法都介紹的非常清楚，使檢定人員能夠按照規(guī)程要求順利地完成全部立式金屬罐檢定工作。

2)ISO 7507-1在技術要求中充分體現(xiàn)了國外技術人員對立式罐容量測量的重視程度，在嚴格的要求背后不僅是對用戶負責，更是體現(xiàn)出對技術人員自身的保護，可以避免許多未知因素對立式罐容量測量的影響，保證測量結果的準確、有效。

如果在將來的立式罐容量規(guī)程起草過程中，能夠將ISO 7507-1與JJG 168—2005的優(yōu)點相結合，將進一步推動我國立式罐容量測量的技術進步，為實現(xiàn)計量事業(yè)的騰飛做出貢獻。

[1] 劉子勇.容量計量[M].北京：中國計量出版社，2009

[2] OIML R71:2008.Fixed storage tanks-general requirements[S]

[3] JJG 168—2005立式金屬罐容量檢定規(guī)程[S]

[4] 石強，等.立式金屬罐容量計量檢定時問題的提出及解決方法.實用測試技術，2001(4)

[5] JJG 4—2005鋼卷尺檢定規(guī)程[S]

[6] 宏巖.鋼卷尺彈性變量對檢定立式金屬罐誤差分析.石油工業(yè)技術監(jiān)督局，2011(10)

[7] OIML R85:2008.Automatic level gauges for measuring the level of liquid in stationary storage tanks[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.19