低溫液氧容器容積標(biāo)定方法探討

秦永濤，鄭小萍，李　偉，吉展陽（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

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低溫液氧容器容積標(biāo)定方法探討

秦永濤，鄭小萍，李偉，吉展陽
（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

摘要：根據(jù)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)特點(diǎn)，比較低溫容器容積標(biāo)定的不同方法，基于容量比較法，確定液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)低溫容器容積標(biāo)定方法。通過建立液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)低溫容器容積標(biāo)定系統(tǒng)，結(jié)合溫度與密度對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，獲取準(zhǔn)確低溫容器容積，為提高液氧流量測量精度奠定基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)定后對容器內(nèi)表面進(jìn)行清洗，避免多余物進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)，保證試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：流量測量；容積標(biāo)定；數(shù)據(jù)修正

0　引言

我國新一代120 t大推力、無毒無污染高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于新一代運(yùn)載火箭。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)是考核發(fā)動(dòng)機(jī)性能、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案合理性、驗(yàn)收發(fā)動(dòng)機(jī)的重要手段。120 t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)雙機(jī)并聯(lián)試驗(yàn)時(shí)液氧額定質(zhì)量流量約580 kg/s。新一代CZ-7火箭一級使用2臺120 t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，按照運(yùn)載火箭一級發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間170 s計(jì)算，液氧流量不確定度由1%降低到0.5%，大約可減輕火箭推進(jìn)劑加注量493 kg，可以增加 （100～500）kg的微型衛(wèi)星1臺，從而不僅優(yōu)化了火箭總體結(jié)構(gòu)，而且提升了箭體效益，增加了運(yùn)載火箭競爭力［1-3］。

液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，采用低溫渦輪流量計(jì)測量液氧體積流量，由于渦輪流量計(jì)一般采用實(shí)驗(yàn)室水校準(zhǔn)，與真實(shí)低溫介質(zhì)存在較大差異，且現(xiàn)場安裝環(huán)境條件和計(jì)量條件不同，特別是流量計(jì)低溫結(jié)構(gòu)變形的影響，導(dǎo)致渦輪流量計(jì)體積測量值出現(xiàn)較大的系統(tǒng)誤差。同時(shí)低溫溫度測量的誤差，影響液氧密度計(jì)算的準(zhǔn)確性，最終影響液氧質(zhì)量流量測量的準(zhǔn)確性。目前研制了分節(jié)式電容液面計(jì)安裝于液氧容器內(nèi)，可以準(zhǔn)確測量液氧穩(wěn)態(tài)體積流量，并用分節(jié)式電容液面計(jì)測量裝置對渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場原位校準(zhǔn)，減小了渦輪流量計(jì)測量的系統(tǒng)誤差。為了提高液氧流量測量的準(zhǔn)確性，必須提高分節(jié)式液面計(jì)穩(wěn)態(tài)流量測量裝置的精度，提高精度的前提是對50 m3的低溫容器進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定。因此，研究低溫容器的計(jì)量標(biāo)定方法非常必要的。

1　低溫容器容積標(biāo)定方法

1.1容積標(biāo)定方法對比

液氧容器形狀為立式絕熱金屬罐，容積標(biāo)定的方法通常有圍尺法、光學(xué)垂準(zhǔn)線法、激光儀器法、全站儀法以及容量比較法。

圍尺法是立式罐容積檢測的基準(zhǔn)方法，但一般不具備檢測條件（需要搭高空腳手架），很少使用；光學(xué)垂準(zhǔn)線法（也叫光學(xué)參比線法）精度較高，易于掌握，但仍然為人工作業(yè)，速度較慢；光學(xué)三角法采用兩臺儀器交會的原理，需要比較大的測量空間，不太實(shí)用；全站儀的方法具有測量速度快、適用范圍廣等特點(diǎn)，代表立式罐內(nèi)測自動(dòng)化的發(fā)展方向，但一般要求仰角不大于30°，精度可滿足一定要求，所以適用于大型容器的標(biāo)定；激光儀器法測量精度較高，同時(shí)測量速度快，比較適用工程實(shí)際；容量比較法通過標(biāo)定介質(zhì)水，用高精度的標(biāo)準(zhǔn)量器量入或量出的方法，與被標(biāo)定量器直接比較，經(jīng)溫度修正求其容積，用于不規(guī)則的容器的標(biāo)定，該方法測量準(zhǔn)確度較高。目前常用立式金屬罐容積標(biāo)定方法，對比表如表1所示。

表1　常用立式金屬罐容積標(biāo)定方法對比表Tab.1　Common calibration methods of metal vertical storage tank

由于容量比較法不需要人員進(jìn)入罐內(nèi)測量，避免搭建腳手架高空作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全度好，測量準(zhǔn)確度高；同時(shí)由于120 t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程的液氧容器容積為50 m3，屬于中型容器，比較適合容量比較法。為保證測量精度，采用容量比較法對其容積進(jìn)行測量。

1.2液氧容器容積標(biāo)定原理

容量比較法使用介質(zhì)為水，標(biāo)定原理將容積加滿水，然后進(jìn)入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容器。記錄每次標(biāo)準(zhǔn)容器的容積及環(huán)境溫度，同時(shí)記錄下降液位及水溫。然后由放液通道放出標(biāo)準(zhǔn)容器的水，并進(jìn)行下一輪加注，直至50 m3液氧容器放液結(jié)束。通過對比參照高度（內(nèi)高）平均值修正，根據(jù)水、容器、標(biāo)準(zhǔn)量器的體脹系數(shù)，獲取液氧容器液位高度x時(shí)20℃容積值，獲得整個(gè)容器的容積表，完成液氧容器容積標(biāo)定，其標(biāo)定原理如圖1所示。

圖1　液氧容器容積標(biāo)定原理圖Fig.1　Schematic diagram of capacity calibration for liquid oxygen storage tank

式中：HX為修正后的參照高度（內(nèi)高）平均值，mm；CX為參照高度（內(nèi)高）測量測深尺讀數(shù)，mm；ΔC為測深尺檢定長度修正值，mm；αC為測深尺線膨脹系數(shù)（12×10-6/℃）；t為罐內(nèi)液體溫度，℃；αR為罐壁的線膨脹系數(shù)（16.7×10-6/℃）；tR為罐壁溫度，℃。

根據(jù)修正后的參照高度（內(nèi)高）平均值，通過截面積，可以獲得液氧容器液位高度x時(shí)20℃容積值：

修正后的參照高度（內(nèi)高）平均值計(jì)算：

式中：VX為液氧容器液位高度x時(shí)20℃容積值，L；VB為標(biāo)準(zhǔn)量器20℃時(shí)的容積值，L；β1為標(biāo)準(zhǔn)量器的體脹系數(shù)，℃；β2為液氧容器的體脹系數(shù)，℃；βw為水的體脹系數(shù)（一般取0.000 2/℃）；Vh為液氧容器液位測量帶來的附加容積值，L；Vd為液氧容器殘留量帶來的附加容積值，L；Vc為線性內(nèi)插法編制容量表帶來的附加容積值，L。

為獲得液氧容器液位高度x時(shí)20℃容積值，除了需要測量標(biāo)準(zhǔn)量器的體積，還需要測量下降液位、水溫等，因此低溫容器容積所需標(biāo)定儀器設(shè)備見表2。

1.3液氧容器容積標(biāo)定過程

液氧容器容積標(biāo)定首先將容積加滿水，然后由堵蓋處放出，經(jīng)過流量計(jì)（水表）確定流出量，進(jìn)入一個(gè)1 m3的標(biāo)準(zhǔn)容器，其精度達(dá)2.5×10-4（k=2），每次流出量為1 m3，通過DN50手動(dòng)閥門進(jìn)行控制；當(dāng)流入標(biāo)準(zhǔn)容器透明玻璃管時(shí)，關(guān)閉DN50手動(dòng)閥門改由旁路DN50手動(dòng)閥門進(jìn)行控制；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)容器注滿時(shí)，進(jìn)行記錄標(biāo)注；然后由放液通道放出，并進(jìn)行下一輪加注，直至50 m3液氧容器放液結(jié)束，其液氧容器容積標(biāo)定系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2　液氧容器容積標(biāo)定系統(tǒng)圖Fig.2　Construction diagram of capacity calibration system for liquid oxygen storage tank

液氧容器壓力p為

液氧容器放滿時(shí)間為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)容器放滿時(shí)間為1 min。放液需要管道停滯2 min以及放液停滯2 min，一次放液需要大約10 min。液氧容器容積標(biāo)定需要設(shè)備見表2。

表2　低溫容器容積標(biāo)定儀器設(shè)備Tab.2　Instruments and equipments for capacity calibration of cryogenic metal vertical storage tank

具體過程如下：

1）液氧容器的出口安裝放液接頭，將標(biāo)準(zhǔn)量器安置在液氧容器的下方平臺，進(jìn)行固定與調(diào)平。

2）通過加注軟管將液氧容器放液接頭連接到標(biāo)準(zhǔn)量器的注液口，用排液軟管從標(biāo)準(zhǔn)量器的排液口引入收集容器，連接處不得有滲漏現(xiàn)象。

3）通過消防水管將槽車與液氧容器的上液口相連，并由槽車通過由上至下進(jìn)行加注，直至溢過容器直管段。

4）由液氧容器放液到標(biāo)準(zhǔn)量器計(jì)量頸上沿充分潤濕其內(nèi)表面，然后打開放液閥門，以最大排放量方式排放到標(biāo)準(zhǔn)量器中，在滴流狀態(tài)下等待2 min，關(guān)閉放液閥門，移開連接軟管，使標(biāo)準(zhǔn)量器處于檢定前的等待狀態(tài)。

5）將液氧儲罐放液閥門開啟至最大，將標(biāo)定介質(zhì)排空，在滴流狀態(tài)下等待2 min，關(guān)閉放液閥門，使其處于待標(biāo)定狀態(tài)。

6）將標(biāo)定介質(zhì)注入至標(biāo)準(zhǔn)量器標(biāo)稱容量刻線位置，若介質(zhì)注入過多，應(yīng)使用上部微調(diào)閥門進(jìn)行調(diào)整；記錄標(biāo)準(zhǔn)量器的標(biāo)稱容積值，測取并記錄標(biāo)準(zhǔn)量器中檢定介質(zhì)的溫度t1。

7）打開標(biāo)準(zhǔn)量器的放液閥門，將介質(zhì)排入到排水溝，在滴流狀態(tài)下等待2 min后，關(guān)閉放液閥門。

8）用測深鋼卷尺測量并記錄液氧容器中標(biāo)定介質(zhì)液位高度hi。

9）用溫度計(jì)測量液氧容器內(nèi)的標(biāo)定介質(zhì)溫度t2i。

10）重復(fù)執(zhí)行（5）-（9），直至放液到液氧容器內(nèi)規(guī)定液位高度，即低于直管段。

11）以全開啟的狀態(tài)將剩余容器的介質(zhì)排出。

12）兩次標(biāo)定換算的液位高度差不得大于1 mm，取其平均值編制容量表。

2　低溫容器容積標(biāo)定數(shù)據(jù)修正

由于液氧容器的容積還受壓力、溫度的影響，為此需要對液氧容器標(biāo)定進(jìn)行溫度與壓力修正，獲取準(zhǔn)確真實(shí)值。

2.1溫度修正

將容器常溫容積 （容量表已修正至20℃狀態(tài)下）修正到低溫容積的修正公式如下［8-9］：

式中：V為低溫狀態(tài)下的容積，m3；V20為容量表所示20℃時(shí)常壓下的容積，m3；α1為容器材料的線性膨脹系數(shù)；α2為液面計(jì)材料的線膨脹系數(shù)；t為液體平均溫度，℃。

2.2壓力修正

靜壓力容積修正指：由于罐內(nèi)液體重量所引起的容積變化，液體充到h高度時(shí)靜壓力容量修正值ΔVP為

式中：h為編制容量表的高度，m；g為重力加速度，g＝9.806 65 m/s2；ρ為罐內(nèi)液體平均密度與水密度的差值，ρ＝ρ液氧g/cm3-1.0 g/cm3；d為罐的平均內(nèi)直徑，mm；E為圈板鋼材的彈性模量，E＝2.06×107N/cm2；δ為罐壁的平均板厚，mm，且

其中hi為第i圈板的內(nèi)高，mm；δi為第i圈板平均板厚，mm。

液氧容器在試驗(yàn)或放液工作過程中，不僅有液氧的靜壓力，還有氮?dú)庠鰤寒a(chǎn)生的增壓壓力。增壓壓力也會引起容器截面積發(fā)生變化，容器截面積增加量按下式計(jì)算：

式中：ΔS為壓力和液氧靜液柱壓力引起的容器截面積增加量，m2；R為半徑（取內(nèi)徑的1/2），m；E為容器材料的彈性模量，1Cr18Ni9Ti在-183℃時(shí)，E=210.61 GPa；；δ為容器圓柱段壁厚，m；p0為容器的增壓壓力，MPa；ρ為液氧密度，kg/dm3，取1 138 kg/dm3；g為重力加速度，m/s2，取9.81 m/s2；H為某一層面距液面頂部的距離，m。

容器液面高為H時(shí)，容器的容積增量為

根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算其每毫米高度的容量，并采用線性內(nèi)插的方法，從基準(zhǔn)平面開始，連續(xù)編制出每個(gè)測量平面每毫米高度所對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)條件（常壓、20℃）下的容量表。根據(jù)中國科學(xué)計(jì)量院繪制的容量表，得到液氧容器高度7 430 mm對應(yīng)總?cè)莘e為 46 589.3 L，擴(kuò)展不確定度為0.05%（k=2）。

3　事后容器處理

由于液氧容器標(biāo)定采用標(biāo)定介質(zhì)為水，其加注過程以及放液過程很可能帶入多余物進(jìn)入容器，待標(biāo)定結(jié)束，很可能附著與內(nèi)壁處，從而對試驗(yàn)系統(tǒng)造成多余物。為防止標(biāo)定過程水中含有雜質(zhì)與油漬，對試驗(yàn)系統(tǒng)造成隱患，需要對液氧容器內(nèi)部進(jìn)行全面處理。

液氧容器內(nèi)部多余物處理過程如下：

1）將50 m3容器內(nèi)部標(biāo)定用水放空，并打開上下容器法蘭，通空1～2 h。采用增壓氮?dú)鈱ζ浯党?～2 h，進(jìn)行內(nèi)部空氣置換，進(jìn)行3次。

2）在下出口通風(fēng)應(yīng)接鼓風(fēng)機(jī)情況下，工作人員佩帶防護(hù)面具（防毒面具），采用P-A-2型防護(hù)過濾器，穿戴橡膠手套、防護(hù)服、腳套，由軟梯進(jìn)入容器內(nèi)部，采用木板在加強(qiáng)筋上鋪設(shè)。

3）工作人員對其內(nèi)部表面進(jìn)行T3涂抹，去除表面油漬；然后進(jìn)行噴霧機(jī)對其拐角與死角進(jìn)行T3噴灑。

4）工作人員對其內(nèi)部表面進(jìn)行T3涂抹，去除表面油漬；然后進(jìn)行噴霧機(jī)對其拐角與死角進(jìn)行T3噴灑，工作人員離開容器內(nèi)部。

5）由于不銹鋼長期浸泡于液氧中，容易發(fā)生電化學(xué)反映，引起不銹鋼生銹，銹渣容易帶入發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，形成多余物，引起試驗(yàn)隱患。對于容器的繡點(diǎn)，采用酸洗膏與T3清洗液除銹，并進(jìn)行氮?dú)獯党?，保證容器潔凈，液氧容器筋板銹漬去除對比如圖4所示。

圖4　液氧容器筋板銹漬去除對比Fig.4　Comparison of pictures for clearing effect of rust stain on rib plate in liquid oxygen storage tank

6） 加注液氧，并將液氧回收到液氧庫房，拆除過濾器，觀察是否有冰塊。如果有冰塊，進(jìn)行清除。

7）絕熱性檢查：通過查看容器外表面是否有冒汗和結(jié)霜現(xiàn)象或者日蒸發(fā)率突然變大的情況進(jìn)行判斷，若有以上現(xiàn)象則需要對夾層冷態(tài)真空度進(jìn)行測量。內(nèi)罐及管道泄露檢查，檢查管道，閥門，法蘭是否存在泄漏；儀器儀表檢查：檢查壓力表、液位計(jì)、安全閥、防爆裝置是否過期、失效、破壞，并根據(jù)檢查結(jié)果采取相應(yīng)措施。

8）安裝上下法蘭，進(jìn)行管道恢復(fù)工作。

根據(jù)《GJB2990-97液氧安全應(yīng)用準(zhǔn)則》用干凈的白紙或者白布擦拭容器內(nèi)表面，無油漬和污跡即為合格；清理結(jié)束后，其白布擦拭容器內(nèi)表面，滿足要求。同時(shí)參考標(biāo)準(zhǔn)《QJ3042-1998液氧存儲運(yùn)輸要求》和《液氧安全技術(shù)說明書》通過對清理容器進(jìn)行放液，檢查液氧中露點(diǎn)、碳?xì)浠衔锖恳约坝椭康戎笜?biāo)，若滿足試車指標(biāo)要求，則多余物清理；經(jīng)化驗(yàn)，其加注液氧指標(biāo)如表3所示。

表3　液氧雜質(zhì)控制范圍Tab.3　Control scope of liquid oxygen impurity

根據(jù)其液氧雜質(zhì)控制范圍，滿足其試驗(yàn)要求，其多余物得到有效控制。完成處理后進(jìn)行了120噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)雙機(jī)并聯(lián)試車，無多余物產(chǎn)生，滿足試驗(yàn)要求。

4　結(jié)論

根據(jù)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)特點(diǎn)，通過低溫容器容積標(biāo)定方法比較分析，基于容量比較法提出了低溫容器容積標(biāo)定方法，構(gòu)建了容積標(biāo)定系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度與密度數(shù)據(jù)修正，獲取準(zhǔn)確低溫容器容積。標(biāo)定后對容器內(nèi)表面進(jìn)行清洗，避免多余物進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)。通過對液氧容器容積的準(zhǔn)確標(biāo)定，提高了液氧流量的測量準(zhǔn)確性，為準(zhǔn)確評估液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)性能奠定了基礎(chǔ)。

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（編輯：陳紅霞）

中圖分類號：V434-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9374（2016）03-0086-07

收稿日期：2015-12-02；修回日期：2015-12-28

作者簡介：秦永濤（1981—），男，博士，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)

Research on capacity calibration method of cryogenic liquid oxygen storage tank

QIN Yongtao，ZHENG Xiaoping，LI Wei，JI Zhanyang
（Xi'an Aerospace Propulsion Test Technology Institute，Xi'an 710100，China）

Abstract:Based on ground testing characteristics of liquid oxygen/kerosene engine，the common methods of capacity calibration for metal vertical storage tank were compared，and the capacity calibration method of liquid oxygen storage tank for ground testing of liquid oxygen/kerosene engine was confirmed by means of capacity comparison method.Depend on establishment of the capacity calibration system for cryogenic storage tank used for ground test of liquid oxygen/kerosene engine，the capacity of cryogenic storage tank was accurately obtained by the data amendment of liquid oxygen temperature and density，which laid a foundation of precise measurement of liquid oxygen flow.The innersurfaceofliquidoxygenstoragetankiscleanedafterthecalibrationforeliminatingtheredundancy of calibration medium to ensure the reliability of testing system for liquid oxygen/kerosene engine.

Keywords:flow measurement；volume calibration；data amendment