核工業(yè)用高壓釜溫度測(cè)試方法

余澤利， 房永強(qiáng)， 白新房,， 余 森， 張曙香， 段 管

(1. 西安漢唐分析檢測(cè)有限公司， 陜西 西安 710201； 2. 西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

高壓釜[1]由本體、高壓釜釜蓋、加熱器、安全爆破裝置、冷卻裝置、電控柜、升降裝置等部分組成，高壓釜系氣-液、液-液、液-固或氣-液-固三相化工物料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的攪拌反應(yīng)裝置，可使各種化工物料在較高的壓力和溫度下充分?jǐn)嚢?，以?qiáng)化傳質(zhì)和傳熱過(guò)程。

在有色金屬行業(yè)，高壓釜主要用于腐蝕試驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域，核工業(yè)鋯鉿材腐蝕性能檢測(cè)時(shí)，試驗(yàn)溫度的準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)結(jié)果具有很大影響，高壓釜內(nèi)為高壓水或高壓水蒸汽，需要在高壓條件下確認(rèn)高壓釜內(nèi)溫度是否滿足腐蝕試驗(yàn)要求，因此高壓釜溫度校準(zhǔn)是腐蝕試驗(yàn)前重要的準(zhǔn)備工作，是保障鋯鉿材腐蝕性能檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性的重要基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)腐蝕試驗(yàn)用高壓釜有效加熱區(qū)校準(zhǔn)方法的研究及報(bào)道，僅見(jiàn)高壓釜檢測(cè)方法相關(guān)研究[2-3]，目前高壓釜校準(zhǔn)主要是參照GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》和HB 5425—2012《航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》進(jìn)行，存在測(cè)不了、測(cè)不全、測(cè)不準(zhǔn)等諸多問(wèn)題，為了保證鋯鉿材腐蝕試驗(yàn)用高壓釜性能準(zhǔn)確可靠，本文設(shè)計(jì)了一種在線校準(zhǔn)裝置，對(duì)高壓釜溫度均勻性[4-6]、軸向溫度場(chǎng)、徑向溫度場(chǎng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，確定了高壓釜有效加熱區(qū)[7-8]大小，分析了高壓釜溫度均勻性測(cè)量結(jié)果不確定度來(lái)源，確定了其不確定度評(píng)定方法，采用多家實(shí)驗(yàn)室比對(duì)法驗(yàn)證了校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。

1 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓釜校準(zhǔn)裝置[9-10](見(jiàn)圖1)，主要是通過(guò)在高壓釜釜蓋上設(shè)置測(cè)溫孔和測(cè)溫管，測(cè)溫管的一端與測(cè)溫孔連通，測(cè)溫管的另一端伸入高壓釜腔體內(nèi)，測(cè)溫管伸入高壓釜腔體內(nèi)的一端設(shè)置有密封板，密封板與測(cè)溫管一體加工成型，密封板與高壓釜腔體底部之間的距離為1～2 cm，相鄰兩個(gè)偏心測(cè)溫孔與中心測(cè)溫孔的孔距差值等于第一偏心測(cè)溫孔與中心測(cè)溫孔的孔距，相鄰兩個(gè)偏心測(cè)溫孔的中心與中心測(cè)溫孔的中心連線成90°夾角，通過(guò)設(shè)置中心測(cè)溫孔和多個(gè)偏心測(cè)溫孔(見(jiàn)圖1(b))，實(shí)現(xiàn)高壓釜軸向、徑向全范圍溫度場(chǎng)的校準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)便，使用效果好。

圖1 高壓釜校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)GB/T 33690—2017《煤炭液化反應(yīng)性的高壓釜試驗(yàn)方法》和ASTM G2/G2M-2019Standardtestmethodforcorrosiontestingofproductsofzirconium,hafnium,andtheiralloysinwaterat680℉(360℃)orinsteamat750℉(400℃)中對(duì)腐蝕介質(zhì)的要求，選擇A級(jí)水(pH為5.0～8.0，電阻系數(shù)不小于1.0 MΩ·cm)或氫氧化鋰溶液作為試驗(yàn)介質(zhì)，環(huán)境條件控制在(23±5) ℃，濕度≤85%RH，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器選擇鉑電阻，測(cè)量范圍-198～600 ℃，準(zhǔn)確度等級(jí)不低于C級(jí)，多通道數(shù)據(jù)采集器不低于0.02級(jí)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 校準(zhǔn)點(diǎn)選擇

根據(jù)客戶使用要求選擇實(shí)際的常用溫度，也可以選擇推薦的校準(zhǔn)溫度：335 ℃(水腐蝕)，360 ℃(水腐蝕或氫氧化鋰溶液)，400 ℃ (蒸汽腐蝕)，500 ℃ (蒸汽腐蝕)。

2.2.2 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和位置

校準(zhǔn)點(diǎn)的位置和數(shù)量根據(jù)高壓釜爐膛尺寸確定，具體如圖2所示。采用直插法進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，軸向各層間隔L/4不超過(guò)100 mm，相鄰鉑電阻徑向間隔D/8不超過(guò)50 mm。

圖2 校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和鉑電阻位置

2.2.3 試驗(yàn)方法

選擇腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)在空載條件下進(jìn)行試驗(yàn)，采用直插法和截面法相結(jié)合，測(cè)量高壓釜溫度均勻性、軸向溫度場(chǎng)、徑向溫度場(chǎng)、溫度穩(wěn)定度。

將鉑電阻插入校準(zhǔn)裝置測(cè)溫管底部，標(biāo)記鉑電阻初始位置，以常用的升溫速度升溫檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定30 min后，每隔1 min記錄1次，至少測(cè)量10 min，將各鉑電阻標(biāo)記的初始位置沿著爐膛軸向方向移動(dòng)L/4，穩(wěn)定5 min后，每隔1 min記錄1次，至少測(cè)量10 min，直至移動(dòng)到高壓釜爐膛頂部為止。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 溫度均勻性

高壓釜內(nèi)各層測(cè)溫點(diǎn)上測(cè)得的實(shí)際溫度按照公式(1) 計(jì)算，各測(cè)溫點(diǎn)每次測(cè)量的實(shí)際溫度按照公式(2) 計(jì)算。

(1)

tPm=tij+txj

(2)

式中：tPn為測(cè)得各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度，℃；tPm為測(cè)得各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)第i次測(cè)量的實(shí)際溫度，℃；m為測(cè)量次數(shù)，次；tij為第j個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的瞬時(shí)溫度值，℃；txj為鉑電阻在第j個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的修正值，℃。

測(cè)溫區(qū)內(nèi)各測(cè)溫點(diǎn)上，測(cè)得的最高、最低實(shí)際溫度(讀數(shù)平均值+修正值)分別與高壓釜爐膛幾何中心點(diǎn)實(shí)際溫度之差為溫度均勻性，按公式(3)、(4)計(jì)算。

Δθ+=tpmax-tp

(3)

Δθ-=tpmin-tp

(4)

式中：Δθ+，Δθ-為高壓釜溫度均勻性，℃；tpmax為式(1)求得各層測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度的最大值，℃；tpmin為式(1)求得各層測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度的最小值，℃；tp為高壓釜設(shè)定的校準(zhǔn)溫度，℃。

2.3.2 軸向溫度場(chǎng)

按式(2)計(jì)算實(shí)際溫度，求得各鉑電阻在測(cè)溫區(qū)內(nèi)相鄰兩橫截面上同一軸線上任意兩點(diǎn)溫差絕對(duì)值的最大值作為軸向溫度場(chǎng)，按公式(5)進(jìn)行計(jì)算。

Δ軸向=max{tk(n+1)-tkn}

(5)

式中：Δ軸向?yàn)殂K電阻k在橫截面n和橫截面n+1上m次測(cè)量的實(shí)際溫度最大差值，℃；tk(n+1)為鉑電阻k在橫截面n+1上m次測(cè)量的最高實(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃；tkn為鉑電阻k在橫截面n上m次測(cè)量的最高實(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃；k為鉑電阻編號(hào)，k= 1，2，3，4……。

2.3.3 徑向溫度場(chǎng)

按式(2)計(jì)算實(shí)際溫度，求得各鉑電阻在測(cè)溫區(qū)內(nèi)同一截面沿著半徑方向上任意兩相鄰測(cè)溫點(diǎn)的溫差絕對(duì)值的最大值，按公式(6)進(jìn)行計(jì)算。

Δ徑向=max{t(k+1)n-tkn}

(6)

式中：Δ徑向?yàn)殂K電阻k和鉑電阻k+1在橫截面n上m次測(cè)量的實(shí)際溫度最大差值，℃；t(k+1)n為鉑電阻k+1在橫截面n上m次測(cè)量的最高實(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃；tkn為鉑電阻k在橫截面n上m次測(cè)量的最高實(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃。

2.3.4 溫度穩(wěn)定度

測(cè)溫儀器在高壓釜爐膛幾何中心點(diǎn)測(cè)得的最高實(shí)際溫度和最低實(shí)際溫度(讀數(shù)+修正值)之差作為溫度穩(wěn)定度，按公式(7)進(jìn)行計(jì)算。

δ=t0,max-t0,min

(7)

式中：δ為高壓釜溫度穩(wěn)定度，℃；t0,max為鉑電阻在爐膛幾何中心點(diǎn)測(cè)得的最高實(shí)際溫度，℃；t0,min為鉑電阻在爐膛幾何中心點(diǎn)測(cè)得的最低實(shí)際溫度，℃。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇一臺(tái)鋯鉿材腐蝕試驗(yàn)用高壓釜，爐膛直徑φ200 mm，爐膛高度450 mm，精度為±6 ℃，校準(zhǔn)裝置各測(cè)溫管距高壓釜腔體底部20 mm，以A級(jí)水作為試驗(yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)在空載條件下進(jìn)行，校準(zhǔn)點(diǎn)選擇 400 ℃，軸向各層間隔為100 mm，相鄰鉑電阻徑向間隔為25 mm。

測(cè)溫儀器選擇FLUKE型號(hào)為1586A多通道數(shù)據(jù)采集器，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.02級(jí)，傳感器選擇PT100鉑電阻，測(cè)量范圍0～600 ℃，準(zhǔn)確度等級(jí)為B級(jí)，數(shù)量5根。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2.2小節(jié)對(duì)高壓釜進(jìn)行校準(zhǔn)，由2.3節(jié)中公式(1)和公式(2)計(jì)算各層各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度和各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)第i次測(cè)量的實(shí)際溫度，并篩選出各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)m次測(cè)量的最高實(shí)際溫度和最低實(shí)際溫度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高壓釜試驗(yàn)結(jié)果(℃)

表3 高壓釜徑向溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果(℃)

4 溫度均勻性測(cè)量結(jié)果不確定度分析

4.1 數(shù)學(xué)模型

被校高壓釜溫度均勻性的數(shù)學(xué)模型如公式(3)和(4)所示，由于輸入量各分量彼此之間相互獨(dú)立不相關(guān)，則被校高壓釜示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

uc2(Δθ+)=c12u2(tpmax)+c22u2(tp)

(8)

uc2(Δθ-)=c32u2(tpmin)+c42u2(tp)

(9)

求得靈敏系數(shù)：

4.2 不確定度來(lái)源分析

高壓釜爐溫均勻性測(cè)量結(jié)果不確定度主要來(lái)源于[11-12]：①被校高壓釜的示值測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；②Pt100鉑電阻修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；③多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

4.2.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

高壓釜校準(zhǔn)溫度為400 ℃，由表1可知，測(cè)溫區(qū)內(nèi)實(shí)際溫度的最大值在1層002號(hào)鉑電阻位置取得，測(cè)溫區(qū)內(nèi)實(shí)際溫度的最小值在5層005號(hào)鉑電阻位置取得，對(duì)這兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)各重復(fù)測(cè)量10次，用貝塞爾公式求得最高測(cè)溫點(diǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s1=0.32 ℃，最低測(cè)溫點(diǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s2=0.10 ℃，實(shí)際測(cè)量中，取10次平均值作為測(cè)量結(jié)果，則最高測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

最低測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.2.2 Pt100鉑電阻修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

由校準(zhǔn)證書(shū)可知，溫度為400 ℃時(shí)，002號(hào)鉑電阻修正值擴(kuò)展不確定度U=0.6 ℃，k=2; 005號(hào)鉑電阻修正值擴(kuò)展不確定度U=0.7 ℃，k=2;，則Pt100鉑電阻修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.3 多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

由校準(zhǔn)證書(shū)可知，多通道數(shù)據(jù)采集器擴(kuò)展不確定度U=0.03 ℃，k=2，則多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.4 輸入量tpmax引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

輸入量tpmax引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包含最高測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、002號(hào)鉑電阻修正值引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，由于輸入量各分量彼此之間相互獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播規(guī)律可知，輸入量tpmax引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.5 輸入量tpmin引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

輸入量tpmin引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包含最低測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、005號(hào)鉑電阻修正值引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，由于輸入量各分量彼此之間相互獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播規(guī)律可知，輸入量tpmin引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.6 輸入量tp引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

由公式(3)和公式(4)可知，tp為高壓釜設(shè)定的校準(zhǔn)溫度，為固定不變值，故輸入量tp引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(tp)=0 ℃。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

高壓釜溫度均勻性Δθ+中各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總見(jiàn)表4，Δθ-中各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總見(jiàn)表5。

表4 Δθ+標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

表5 Δθ-標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于輸入量各分量彼此之間相互獨(dú)立不相關(guān)，將表4和表5中的數(shù)據(jù)代入公式(8)和公式(9)可得：

4.5 擴(kuò)展不確定度和結(jié)果的表達(dá)

取包含因子k=2，則被校高壓釜爐溫度均勻性的擴(kuò)展不確定度為：

U=k×uc(Δ)

因此400 ℃高壓釜溫度均勻性結(jié)果表達(dá)式為：

Δθ+=1.9 ℃，U=0.6 ℃，k=2；

Δθ-=-2.8 ℃，U=0.7 ℃，k=2

5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

采用多家實(shí)驗(yàn)室比對(duì)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[13]，邀請(qǐng)2家同等級(jí)的技術(shù)機(jī)構(gòu)，用相同的測(cè)試方法對(duì)同一臺(tái)高壓釜進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)溫度為400 ℃，校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 3家技術(shù)機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)JJF 1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中比對(duì)法的要求，選擇算術(shù)平均值作為參考值，則校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)滿足公式(10)的要求。

(10)

6 結(jié)論

本文針對(duì)高壓釜校準(zhǔn)存在測(cè)不了、測(cè)不全、測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高壓釜校準(zhǔn)裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和其他同等級(jí)技術(shù)機(jī)構(gòu)比對(duì)，得出以下結(jié)論：

1) 該裝置由高壓釜釜蓋、測(cè)溫管、測(cè)溫孔等組成，解決了高壓釜校準(zhǔn)時(shí)無(wú)法保證密封性的難題，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓下溫度在線校準(zhǔn)，本裝置設(shè)計(jì)合理、實(shí)用性強(qiáng)。

2) 采用比對(duì)法進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證，比對(duì)結(jié)果為滿意，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案合理可行，不確定度評(píng)定方法準(zhǔn)確可靠，滿足生產(chǎn)需求，可為高壓釜在線校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。

3) 高壓釜400 ℃溫度均勻性測(cè)試結(jié)果為：

Δθ+=(1.9±0.6)℃，k=2；

Δθ-=(-2.8±0.7)℃，k=2