一種新型低溫容器綜合性能檢測儀設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蔡宇宏 王田剛 李正清 劉筱文 何 丹 陳 聯(lián) 朱建炳

(1蘭州空間技術(shù)物理研究所 蘭州 730000)(2蘭州泓瑞航天機(jī)電裝備有限公司 蘭州 730000)(3蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

一種新型低溫容器綜合性能檢測儀設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蔡宇宏1,2王田剛1,2李正清1,2劉筱文1,2何 丹1,2陳 聯(lián)3朱建炳3

(1蘭州空間技術(shù)物理研究所 蘭州 730000)(2蘭州泓瑞航天機(jī)電裝備有限公司 蘭州 730000)(3蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

針對低溫容器性能檢測實(shí)際需求，介紹了一種新型低溫容器綜合性能檢測儀的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及工藝流程，并從抽真空系統(tǒng)、測量分析系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及工藝流程方面重點(diǎn)闡述其設(shè)計(jì)方法，最后介紹了基于此設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品及實(shí)際應(yīng)用情況。

低溫容器 真空絕熱 真空度 氣體成分分析 靜態(tài)蒸發(fā)率 測量儀器

1 引 言

低溫容器是指用于存儲(chǔ)液氧、液氮、液氬、液化天然氣等低溫液體的壓力容器。近年來，隨著低溫技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，低溫液體應(yīng)用日趨廣泛，在航天、航空、機(jī)械、電子等領(lǐng)域?qū)Φ蜏匾后w的需求量逐年遞增[1-2]。低溫液體的沸點(diǎn)通常都很低，且汽化潛熱小，日常人們所處的環(huán)境溫度比低溫液體溫度高出很多，對其貯運(yùn)過程中的熱量漏入非常敏感，這對于低溫液體的貯運(yùn)是一個(gè)很大的障礙，為了保存和獲得低溫液體需要付出較大代價(jià)，因此低溫液體的有效貯運(yùn)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。低溫容器就是用于實(shí)現(xiàn)這一目的關(guān)鍵手段，良好的低溫容器的綜合性能是整個(gè)低溫液體貯運(yùn)和廣泛應(yīng)用的前提，因此低溫容器的綜合性能檢測也就成為這個(gè)行業(yè)不可或缺的重要部分。

低溫容器屬于特種設(shè)備，制造和使用過程中的監(jiān)管歸口于特種設(shè)備檢測機(jī)構(gòu)。而中國國內(nèi)的特種設(shè)備檢測機(jī)構(gòu)早期更多從事壓力容器的檢測工作[4]，對于低溫容器中涉及的真空、低溫、絕熱等性能檢測手段缺乏，檢測人員需要在工作中不斷摸索、積累經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際檢測工作開展中，需要人工將多種儀器和部件按照不同檢測項(xiàng)目連接被檢低溫容器，檢測過程的設(shè)備啟停、閥門開閉需人工操作，數(shù)據(jù)記錄和處理更多采用人工方式，工作量大、效率低，已不能適應(yīng)低溫容器的發(fā)展，迫切需要一種檢測效率高、智能化程度高、檢測項(xiàng)目覆蓋全的檢測方法和裝置，多個(gè)文獻(xiàn)[5-8]也提及中國應(yīng)加強(qiáng)低溫容器檢測技術(shù)或儀器的研究及應(yīng)用，針對上述需要，設(shè)計(jì)了一種新型低溫容器綜合性能檢測儀。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

低溫容器綜合性能檢測儀的總體設(shè)計(jì)思想是在一個(gè)以機(jī)械泵和分子泵組合作為抽空系統(tǒng)的真空平臺(tái)上，集成真空計(jì)、質(zhì)譜計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)漏孔、流量計(jì)等測試計(jì)量器件及嵌入式工控機(jī)等各物理部件。由于被檢低溫容器有移動(dòng)式和固定式，這就要求整套儀器具備一定的便攜性，進(jìn)而要求整套系統(tǒng)自身具備較高的集成度。系統(tǒng)組成從總體上劃分為兩大部分：檢測平臺(tái)和控制平臺(tái)。前者主要由抽真空系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、測量分析系統(tǒng)、取樣分析室、閥門及管道等組成。后者主要由嵌入式工控機(jī)、人機(jī)交互界面、控制模塊及數(shù)據(jù)采集模塊等組成。系統(tǒng)組成及工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及工作流程Fig.1 System composition and working process

該系統(tǒng)功能配置及工作原理如下：

(1)該系統(tǒng)將低溫容器的真空度測量、漏放氣速率測量、漏率測量、靜態(tài)蒸發(fā)率測量(流量計(jì)法)和殘余氣體成分分析集成于一整套測試儀器，使用時(shí)僅需將儀器預(yù)留的檢測接口連接被檢低溫容器即可；

(2)機(jī)械泵、分子泵和取樣分析室依次相連，機(jī)械泵為分子泵的前級泵，為分子泵啟動(dòng)提供前級真空預(yù)抽，分子泵對取樣分析室進(jìn)行抽空，使取樣分析室維持高真空環(huán)境，進(jìn)而為系統(tǒng)的測量分析提供真空環(huán)境；

(3)真空規(guī)和質(zhì)譜計(jì)分別與取樣分析室連接，實(shí)現(xiàn)取樣分析室的真空度監(jiān)測和取樣氣體的成分分析；

(4)標(biāo)準(zhǔn)漏孔和另一支真空規(guī)通過閥門與被檢低溫容器連接，并通過閥門與取樣分析室連通，用于實(shí)現(xiàn)真空度和漏率測量；

(5)流量計(jì)和加熱器相連，并通過閥門與被檢低溫容器相連，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)蒸發(fā)率測量；

(6)嵌入式工控機(jī)與控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)與人機(jī)界面和數(shù)據(jù)庫連接實(shí)現(xiàn)整機(jī)的人機(jī)交互和后臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用；

(7)大氣壓力計(jì)和環(huán)境溫度計(jì)分別與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊連接，用于低溫容器檢測時(shí)獲取實(shí)地氣溫和氣壓數(shù)據(jù)。

3 方案設(shè)計(jì)計(jì)算及工藝流程

3.1 抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)是檢測儀功能實(shí)現(xiàn)的前提，用于提供系統(tǒng)測量分析的真空環(huán)境。主要由機(jī)械泵、分子泵、閥門及管道組成。低溫容器性能檢測時(shí)真空機(jī)組的極限真空度至少應(yīng)高于被檢件封口真空度一個(gè)數(shù)量級，不同絕熱結(jié)構(gòu)和深冷介質(zhì)的被檢件，其測量管路的真空度應(yīng)符合表1的要求[9]。

基于以上要求及產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定可靠性，同時(shí)考慮檢測儀的檢測對象覆蓋面，系統(tǒng)的極限壓力要達(dá)到1×10-4Pa， 目前使用單個(gè)真空泵很難滿足該指標(biāo)要求，因此采用前級泵和主泵組合形式， 前級泵為主泵提供前級真空預(yù)抽，為了減少油污對測量的影響和滿足輕量化的要求，前級泵選用隔膜泵。主泵可選用分子泵，但要求分子泵的極限壓力必須優(yōu)于1×10-4Pa，同時(shí)分子泵啟動(dòng)壓力即出口最大壓力也不小于前級泵的極限壓力。另外，考慮檢測儀的快速啟動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)在前級泵和主泵之間接入自動(dòng)控制閥門。完成一次檢測后，在關(guān)閉前級泵之前先關(guān)閉閥門，從而避免系統(tǒng)內(nèi)真空部件的污染和縮短下一次檢測時(shí)真空管道抽空時(shí)間。

表1 測量管路真空度要求[9]Table 1 Measuring tube vacuum degree requirements[9]

3.2 測量分析系統(tǒng)

測量分析系統(tǒng)是檢測儀實(shí)現(xiàn)檢測項(xiàng)目測量的核心模塊，其功能是完成被檢低溫容器的真空度測量、漏率測量、靜態(tài)蒸發(fā)率測量和殘余氣體成分分析。主要由取樣分析室、質(zhì)譜計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)漏孔、流量計(jì)、加熱器、真空規(guī)、閥門及管道組成。

在考慮系統(tǒng)集成化、小型化基礎(chǔ)上，取樣分析室采用圓柱形設(shè)計(jì)，連通結(jié)構(gòu)為5通形式。與分子泵通過ISO-K法蘭連接，并采用4個(gè)M8卡鉗提供鎖緊預(yù)緊力，與質(zhì)譜計(jì)通過CF型法蘭連接，另外3個(gè)接口均為KF接口，分別與真空規(guī)和閥門連接，材料為選用304不銹鋼，如圖2所示。

圖2 取樣分析室設(shè)計(jì)模型圖Fig.2 Sampling and analysis chamber design model

設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)使用條件對壁厚進(jìn)行校核計(jì)算，由于連接接口均采用ISO-K、CF和KF真空標(biāo)準(zhǔn)件，因此僅需對圓柱筒體的厚度進(jìn)行核算。圓柱筒體壁面厚度按照公式(1)設(shè)計(jì)計(jì)算：

(1)

式中：p為許用外壓力，MPa，要求不小于101 325 Pa；B為外壓應(yīng)力系數(shù)，MPa，取B=110 MPa；Do為圓筒外直徑，mm，設(shè)計(jì)Do=78 mm；δe為圓筒的有效厚度，mm，設(shè)計(jì)δe=2 mm；帶入?yún)?shù)求得[p]=2.821 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圓柱筒體頂蓋厚度按照式(2)設(shè)計(jì)計(jì)算：

(2)

式中：δp為圓形平蓋的厚度，mm；Dc為平蓋計(jì)算直徑，mm，設(shè)計(jì)Dc=74 mm；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，取K=0.5；pc為容器外壓壓力，MPa，要求不小于101 325 Pa；[σ]t為許用應(yīng)力，MPa，取[σ]t=114 MPa；φ為焊縫系數(shù)，取φ=0.85；帶入?yún)?shù)求得δp≥1.692 mm，考慮設(shè)計(jì)余量，也選用2 mm厚的板材即可滿足要求。

質(zhì)譜計(jì)在該系統(tǒng)中的主要功能是進(jìn)行殘余氣體成分分析和漏率測量。質(zhì)譜計(jì)選型設(shè)計(jì)中要滿足測量分子量范圍，該設(shè)計(jì)選用測量氣體范圍1—100 amu。若有特殊用途分子量不滿足要求，可選用1—200 amu甚至1—300 amu。質(zhì)譜計(jì)通過CF法蘭與取樣分析室連接，因此質(zhì)譜計(jì)的最大工作壓力必須大于抽真空系統(tǒng)提供的真空度。另外，在漏率測量中，質(zhì)譜計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)漏孔須配合工作，該設(shè)計(jì)中，綜合考慮儀器的測試精度和成本，選用漏率為5×10-8Pa·m3/s的標(biāo)準(zhǔn)漏孔。

流量計(jì)的功能是在靜態(tài)蒸發(fā)率測量中記錄氣體的蒸發(fā)量。一般情況，流量計(jì)的入口低溫許用溫度有限，因此在設(shè)計(jì)時(shí)一方面選用入口低溫溫度較低的流量計(jì)，另一方面應(yīng)在入口處配合加熱器使用，從而確保蒸發(fā)介質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)的溫度在流量計(jì)的許用溫度范圍內(nèi)。另外，真空規(guī)由于是重要計(jì)量部件之一，選用時(shí)需綜合考慮精度、測量范圍、復(fù)現(xiàn)誤差、工作可靠性和成本等因素。

3.3 環(huán)境檢測系統(tǒng)

環(huán)境檢測系統(tǒng)主要功能是采集和記錄測試時(shí)的實(shí)地氣溫和氣壓數(shù)據(jù)。主要包括環(huán)境溫度計(jì)和大氣壓力計(jì)。由于低溫容器真空度測量和靜態(tài)蒸發(fā)率測量中，環(huán)境溫度和實(shí)地氣壓對測量結(jié)果有較大影響，其數(shù)據(jù)計(jì)算處理中須獲得實(shí)地溫度和氣壓數(shù)據(jù)。目前，環(huán)境溫度計(jì)和大氣壓力計(jì)的生產(chǎn)廠商較多，技術(shù)也較為成熟，在選型設(shè)計(jì)時(shí)中僅需考慮精度、使用范圍和品質(zhì)等因素滿足實(shí)際使用要求即可，不再展開討論其選型設(shè)計(jì)過程。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是檢測儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的前提，是保證性能測試正常進(jìn)行的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)一方面要對系統(tǒng)內(nèi)各部件實(shí)施控制信號，根據(jù)測試項(xiàng)目的不同完成工藝流程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。另一方面，要對內(nèi)部部件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并采集測量相關(guān)信號輸出?？刂葡到y(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Principle block diagram of control system

控制系統(tǒng)的軟件是依據(jù)檢測項(xiàng)目的工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，人機(jī)界面基于WinCE編寫，負(fù)責(zé)控制工控機(jī)工作、監(jiān)測工作狀態(tài)及記錄采集測量數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測實(shí)際需要和主要功能，人機(jī)界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Man-machine interface structure

3.5 工藝流程

低溫容器綜合性能檢測儀以抽真空系統(tǒng)提供的真空平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)被檢低溫容器的綜合性能檢測，檢測項(xiàng)目廣、自動(dòng)化程度高，圖5為系統(tǒng)工藝流程圖。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Process flow diagram

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)入儀器自檢工藝流程，自檢工藝流程主要功能是確定儀器和系統(tǒng)的連接是否可靠，是否滿足測試環(huán)境要求。首先啟動(dòng)機(jī)械泵、真空規(guī)及相關(guān)閥門，由機(jī)械泵進(jìn)行粗真空抽空，機(jī)械泵運(yùn)行5分鐘后進(jìn)行真空度數(shù)值判斷，如未達(dá)到分子泵啟動(dòng)壓力要求，需進(jìn)行系統(tǒng)檢查。首先關(guān)閉連接被檢件閥門繼續(xù)運(yùn)行2分鐘，如還未達(dá)到要求則停機(jī)檢查儀器真空管路接口，排查處理后重新啟動(dòng)。如2分鐘后能夠到達(dá)啟動(dòng)壓力要求，則進(jìn)行被檢件管路檢查，如連接不可靠須停機(jī)進(jìn)行排查處理后重新啟動(dòng)。如連接可靠此時(shí)可返回主工藝流程進(jìn)入下一步啟動(dòng)分子泵進(jìn)行高真空抽空。啟動(dòng)分子泵后的30分鐘內(nèi)判斷真空度是否達(dá)到測試要求(不大于1.0×10-3Pa，)如未達(dá)到要求，須進(jìn)行系統(tǒng)檢查，首先關(guān)閉連接被檢件閥門繼續(xù)運(yùn)行5分鐘，如還未達(dá)到要求則要求停機(jī)處理儀器真空管路后重新啟動(dòng)。如能夠到達(dá)測試要求范圍，則進(jìn)行被檢件真空管路連接檢查，連接不可靠需重新安裝后啟動(dòng)，連接可靠則開啟連接被檢件閥門進(jìn)入檢測項(xiàng)目的測量。在人機(jī)交互界面選擇檢測項(xiàng)目，儀器自動(dòng)完成被檢件檢測項(xiàng)目測量，給出測量結(jié)果，檢測完畢后關(guān)機(jī)結(jié)束。

4 優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

低溫容器綜合性能檢測儀通過對低溫容器綜合性能的檢測，可檢驗(yàn)出低溫容器實(shí)際的綜合性能情況，確保低溫容器的使用安全。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可對被檢低溫容器進(jìn)行真空度測量、漏率測量、漏放氣速率測量、殘余氣體成分分析和靜態(tài)蒸發(fā)率測量，檢測內(nèi)容豐富、全面；

(2)將智能化控制模塊嵌入儀器的整體系統(tǒng)流程中，實(shí)現(xiàn)檢測項(xiàng)目的自動(dòng)連鎖響應(yīng)，智能化程度高；

(3)將傳統(tǒng)方法需要一系列專業(yè)、復(fù)雜的測試設(shè)備完成的測試工作進(jìn)行有效整合，壓縮現(xiàn)場測試設(shè)備，優(yōu)化測試流程，采用一體化設(shè)計(jì)，集成由一臺(tái)專用測試儀器完成，集成度高、人機(jī)功效合理；

(4)產(chǎn)品性能經(jīng)國家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測試，且主要測試部件經(jīng)國防科技工業(yè)真空一級計(jì)量站鑒定校準(zhǔn)，從而確保了儀器測量誤差及性能指標(biāo)符合GB/T18443等標(biāo)準(zhǔn)的要求；

(5)與傳統(tǒng)方法操作過程中需要根據(jù)計(jì)量部件數(shù)據(jù)對儀器進(jìn)行進(jìn)一步操作相比，檢測儀的操作由系統(tǒng)嵌入的工藝流程實(shí)時(shí)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測并作出動(dòng)作響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了檢測實(shí)時(shí)化。

低溫容器綜合性能檢測儀可對低溫容器的夾層真空度、漏率、漏放氣速率和殘余氣體成分分析。目前，該檢測儀已作為國家低溫容器質(zhì)檢中心的應(yīng)用測試設(shè)備，已實(shí)現(xiàn)甘肅、山東和山西等地的產(chǎn)品銷售，并為多地低溫容器生產(chǎn)單位提供了產(chǎn)品評價(jià)測試服務(wù)。2015年1月29日，該檢測儀產(chǎn)品通過了全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)移動(dòng)式壓力容器分技術(shù)委員會(huì)在無錫市召開的產(chǎn)品鑒定會(huì)，專家組給出的產(chǎn)品鑒定結(jié)果為：產(chǎn)品測試性能和精度符合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，綜合性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。該檢測儀可用于低溫容器行業(yè)中所使用到的各種低溫容器，包括固定式和移動(dòng)式低溫絕熱壓力貯罐、低溫絕熱氣瓶、低溫絕熱管道等在使用過程中的性能檢測，確保此類產(chǎn)品使用過程的產(chǎn)品安全和人身安全。此外，還可用于低溫容器生產(chǎn)過程中的批量檢驗(yàn)工作，從生產(chǎn)源頭提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品安全。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的一種新型低溫容器綜合性能檢測儀實(shí)現(xiàn)了對低溫容器的的夾層真空度、漏率、漏放氣速率靜態(tài)蒸發(fā)率測量(流量計(jì)法)和殘余氣體成分分析，解決了低溫容器實(shí)際檢測困難，降低了檢測工作強(qiáng)度，節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了檢測效率。在低溫容器性能檢測方面，相比傳統(tǒng)方法具有一定的優(yōu)勢。

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Design and application of a new comprehensive performance surveymeter for cryogenic vessels

Cai Yuhong1,2Wang Tiangang1,2Li Zhengqing1,2Liu Xiaowen1,2He Dan1,2Chen Lian3Zhu Jianbing3

(1Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)(2Lanzhou Hongrui Aerospace Mechanical And Electrical Equipment Co.Ltd,Lanzhou 730000,China)(3Science and Technology on Vacuum&Cryogenics Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

In view of the actual performance testing demand of the cryogenic vessels, a new comprehensive performance survey meter was designed. The calculation method and process design were introduced, focusing on the vacuum pumping system, measurement and analysis system, environmental monitoring system and control system. Besides, the application of the product originated from this design was presented.

cryogenic vessels；vacuum insulation；vacuum degree；gas composition analysis；static evaporation rate；measuring instrument

2015-04-28；

2016-01-05

2013年度中國航天科技集團(tuán)公司五院航天技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品孵化項(xiàng)目：“便攜式低溫容器真空性能綜合測試儀”、2014年度甘肅省工業(yè)和信息化發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目：“真空絕熱容器綜合性能在線檢測儀”。

蔡宇宏，男，32歲，碩士、工程師。

TB658

A

1000-6516(2016)02-0032-06