氣瓶外測法水壓試驗(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)。國內(nèi)外普遍采用外測法進(jìn)行氣瓶水壓試驗(yàn)。外測法水壓試驗(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]。

美國是校準(zhǔn)瓶的主要生產(chǎn)國和出口國，我國大部分氣瓶制造廠、水壓試驗(yàn)設(shè)備廠和氣瓶檢驗(yàn)站基本都是從美國購買校準(zhǔn)瓶，價格相對較高，其校準(zhǔn)瓶首次標(biāo)定由相應(yīng)的制造廠進(jìn)行。國內(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，隨著國內(nèi)氣瓶檢驗(yàn)市場的逐步放開，國內(nèi)生產(chǎn)校準(zhǔn)瓶的制造廠會逐漸增加，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投放使用或繼續(xù)使用，為氣瓶的安全帶來隱患，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)過認(rèn)證的專用標(biāo)定系統(tǒng)，在經(jīng)有關(guān)部門或協(xié)會備案的相關(guān)技術(shù)性文件的指導(dǎo)下，對校準(zhǔn)瓶進(jìn)行標(biāo)定，以此來確保校準(zhǔn)瓶的準(zhǔn)確性。所開發(fā)的校準(zhǔn)瓶校準(zhǔn)系統(tǒng)除滿足國外以 psi單位計量壓力外，還要滿足中國國家標(biāo)準(zhǔn)，以MPa單位計量壓力。

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)定過程實(shí)際是量值溯源的過程，是高精度校驗(yàn)低精度的過程[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量裝置的精度等級，保證壓力的精確控制，保證容積彈性膨脹量測量和水套系統(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)是通過手動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，長期保壓而不消耗能量，保壓時介質(zhì)不會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

（2）采用手動微調(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）壓力測量系統(tǒng)精確測量壓力信號，測量精度達(dá)到了0.01級，該精度高于GB/T9251-2011中規(guī)定的0.25級要求。

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

（5）采用高精度電子天平對校準(zhǔn)瓶容積彈性膨脹量進(jìn)行測量，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)鍵硬件計算與選型

表1 關(guān)鍵硬件計算的設(shè)計取值

根據(jù)表1所列的技術(shù)參數(shù)，計算一次加壓需要壓入校準(zhǔn)瓶的水量[1]。計算管道內(nèi)徑和管道壁厚[8]，根據(jù)計算值選擇規(guī)格為 ?6×1.5的不銹鋼管。計算管路系統(tǒng)和液壓閥的壓力損失，確定泵的最大工作壓力，計算泵的輸出流量，根據(jù)計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，泵會減速運(yùn)行，并對差動活塞產(chǎn)生一定的阻力。該泵為單作用單氣動泵，驅(qū)動空氣壓力最大1 MPa。用電磁二位二通控制氣驅(qū)泵的運(yùn)行，控制信號計量，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，精度等級達(dá)到0.01級。

測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)時將校準(zhǔn)瓶垂直吊在托盤上，以減少對瓶體環(huán)向應(yīng)力的影響，并可適應(yīng)直徑350 mm以下和長度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)計降低了對氣瓶的吊裝高度，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量和監(jiān)控水箱內(nèi)水溫。

測量、控制硬件主要包括高性能計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、壓力測量系統(tǒng)、容積彈性膨脹量測量系統(tǒng)、溫度測量儀表等。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、水量信號的采集和電磁閥的控制。A/D板卡自帶驅(qū)動程序，正確安裝在工控機(jī)上，可以直接使用VB流函數(shù)對數(shù)據(jù)輸入輸出進(jìn)行控制[9]。

壓力測量系統(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，測量精度達(dá)到了0.01級。溫度測量儀表主要包括一體化溫度傳感器、溫濕度計等，用于測量和監(jiān)控水套內(nèi)水溫和環(huán)境溫度，精度達(dá)到0.1 ℃。容積彈性膨脹量測量系統(tǒng)如前述。

3 軟件設(shè)計

整個軟件系統(tǒng)需要采集一個壓力信號、一個容積彈性膨脹量（電子天平）信號和一個水套內(nèi)水溫信號。根據(jù)采集來的壓力信號，系統(tǒng)操縱氣動閥實(shí)現(xiàn)升壓過程，再利用手動微調(diào)壓力系統(tǒng)精確控制壓力至標(biāo)定壓力，并實(shí)現(xiàn)保壓過程。然后通過手動泄壓閥實(shí)現(xiàn)泄壓過程，在這個過程中采集校準(zhǔn)瓶膨脹排出的水量，即容積彈性膨脹量，并實(shí)時顯示、記錄、保存全過程曲線和數(shù)據(jù)，真實(shí)顯示壓力-時間-容積彈性膨脹量一一對應(yīng)的關(guān)系。通過不同壓力等級的試驗(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)信號的采集，數(shù)據(jù)的存儲、記錄和分析，硬件工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)視，標(biāo)定系統(tǒng)的自動控制和緊急情況處理等多項(xiàng)功能。軟件采用Visual B語言編寫，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)分別對各標(biāo)定壓力點(diǎn)P進(jìn)行標(biāo)定，每個壓力點(diǎn)進(jìn)行兩次有效標(biāo)定，記錄每個壓力點(diǎn)對應(yīng)的容積彈性膨脹量V，分析實(shí)測數(shù)據(jù)與原有數(shù)據(jù)的壓力值誤差tP1、tP2，分析實(shí)測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)之間的相對誤差tP1,2、tV1,2和總誤差t1,2（t1,2=tV1,2-tP1,2）。對實(shí)測數(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)測容積彈性膨脹量取值和原有標(biāo)定數(shù)據(jù)的相對誤差t。分析和比較結(jié)果如表3。

表3 實(shí)測數(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級的要求，且最大偏離未超過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）對實(shí)測數(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 ℃條件下對校準(zhǔn)瓶各壓力點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，每個壓力點(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

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)而提高國內(nèi)同行業(yè)的國際競爭力。

[1]GB9251-2011，氣瓶水壓試驗(yàn)方法[S].

[2]TSG R0006-2014，氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3]CGA C-1-2009，Methods For Pressure Testing Compressed Gas Cylinders[S].

[4]陽再山, 李衛(wèi)成, 鄭林. 標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶標(biāo)定試驗(yàn)及全變形值計算探討[J].礦業(yè)安全與環(huán)保, 2005 (1): 40-41.

[5]奚曉明. 基于計算機(jī)控制的氣瓶水壓試驗(yàn)裝置的研制[D]. 上海:華東理工大學(xué), 2006.

[6]趙志剛. 氣瓶水壓試驗(yàn)測控系統(tǒng)的構(gòu)建與研究[D]. 上海: 華東理工大學(xué), 2008.

[7]王震, 史定國. 氣瓶外測法水壓試驗(yàn)裝置的研制[J]. 壓力容器, 2005(1): 51-53.

[8]聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計手冊（第五版）[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2010.

[9]周一卉, 由宏新, 劉潤杰, 等. 微機(jī)測控高壓氣瓶疲勞試驗(yàn)裝置研制[J]. 壓力容器, 2005 (02): 45-47.

[10]Q/DGJ02-2015，氣瓶外測法水壓試驗(yàn)用校準(zhǔn)瓶標(biāo)定方法 [S].