压力容器完整性试验系统的设计与开发

李杰

（台州市特种设备监督检验中心，浙江 台州 318000）

压力容器完整性试验系统的设计与开发

李杰

（台州市特种设备监督检验中心，浙江 台州 318000）

论文将压力容器完整性试验系统建立在计算机平台上，利用可视化的高级编程语言VB，实现了试验过程的图形化显示和数据的excel格式转存。通过使用不同的传感器组合，成功的完成了压力容器完整性试验，绘制出了容积残余变形曲线和爆破试验曲线，计算出了容积残余变形率。通过试验证实该系统能准确地进行现场数据的实时采集，而且利用高级编程语言使系统的复杂程度降低，控制也更加灵活方便，值得在压力容器完整性试验中推广使用。

压力容器试验；数据采集；容积残余变形率；VB编程

0 引言

压力容器试验是石油、化工、能源、核工业等研究领域中的一个重要环节。目前压力容器试验的规模大、研究对象复杂、试验精度要求高、试验的环境多变、试验周期长，因此把数据采集技术引入到压力容器试验的研究中是必然的。传感器+自动化数据采集装置模式的数据采集技术得到了广泛的应用。数据采集装置的硬件配合相应的软件即组成一套数据采集系统，它实现了实验数据测量和整理的统一。这种数据采集系统具有测点多、速度快、精度高的特点，它不仅能够记录数据，而且能集成、管理数据，将各种数据信息有条理、有重点地反馈给实验者。这样试验者可以把主要精力用于试验本身的研究［1］。

1 压力容器试验概况

为确保钢制压力容器在操作使用时安全可靠，对于新制造或检修后再用的钢制压力容器，须进行压力试验，以检验容器的宏观强度、焊接接头的致密性和密封结构的严密性。世界上许多国家根据本国的实际情况，制定了压力容器设计、制造、检验及安全监察标准和规范，其内容之一是确定压力试验的方式、试验介质和规范试验压力的取值。钢制压力容器进行压力试验的目的有三个：①使试验压力可能的最小值大于设计压力的可靠度不小于95%；②把试验压力可能的最大值控制在一定范围内，尽量让容器在试验时不出现不必要的事故，并把容器在试验时不出现事故的可靠度控制在允许的范围内，确保容器在试验时的安全性；③通过压力试验，预测性地把容器在正常操作时的可靠度控制在允许的范围内，确保容器操作时的安全性［2］。

压力容器试验的主要内容包括气密性试验、容积残余变形率的测定和爆破试验等，本文主要从残余变形的测定和爆破试验着手。

2 硬件选取与连接

主要试验器材为PCI200数据采集卡、工控机箱（装载采集卡）、信号放大器（上）&称重传感器（下）、压力传感器（16MPa&5kPa）、传感器电源适配器、DB37针并口头及其外壳。

表1　系统结构图与试验器材Tab.1 System structure diagram and test equipment

为了使传感器输出的电压能转化为正确的物理量，在实验前需要对传感器进行标定，用标准荷载加在传感器上，记录其电压值，多次多点测量，在origin pro8软件上进行线性拟合，得到标定方程，各传感器的标定方程如下所示（x为输入的电压值，y为输出的物理量）：

称重传感器：y=-0.00131+0.00999x，y输出重量（kg）；16MPa压力传感器：y=-0.06471+0.00167x，y输出压力（MPa）；5kPa压力传感器：y=1414.406-0.14722x，y输出进水量（ml）。

3 软件开发

利用Visual Basic可视化、简单快捷的特点，编写该数据采集系统的计算机程序，要使软件和硬件的完美融合，事先安装了数据采集卡的驱动程序，事先了软件对硬件信号的采集和控制。

为了便于操作，设计了方便用户的图形界面，包含试验选择区、采集状态显示区、试验操作区、数据处理区、软件操作区和绘图区等。

（1）试验选择区：选择做残余变形率测定试验还是爆破试验，两者原理和代码结构基本一致，但是选用不同的传感器，精度范围不一样，所以有不同的信号处理方法。

（2）采集状态显示区：主要用于显示数据采集的状态和操作提示。

（3）试验操作区：试验过程中的主控区，是整个系统的核心区域之一，负责数据采集的开停，数据的保存，使下一步的数据处理称为可能。

（4）数据处理区：数据处理的核心部分，是整个系统的第二大核心，也是该系统得以实现的重点和难点所在，其实现了对数据进行Excel转存，方便进一步的分析研究，并直接计算出容积残余变形率，提高试验准确性。

（5）软件操作区：系统的辅助区域，主要是软件的介绍和界面的切换及退出选项。

（6）绘图区：系统采集进来的数据将在此区域以P-V图的形式直观的表示出来，P和V的数值也将在两个文本框中动态显示。

该软件主要包括数据的采集、图线的绘制和数据的转存。数据的采集和图线的绘制在同时完成，连续采集进来的两个电压值经过转换成为物理量在屏幕上输出，分别作为横坐标和纵坐标在绘图区上描点，同时物理量数据存入临时的txt文件中；在试验结束后，试验过程中所有的物理量数据将转存为Excel格式反馈给试验者，方便进行进一步的研究分析。软件的流程图及主要模块的流程图如图1和图2所示。

图1　程序流程图Fig.1 Program flow chart

图2　数据采集及图线绘制流程图Fig.2 Data acquisition and figure line draw flow chart

4 试验测试

经过残余变形率测定试验和爆破试验，得到两张P-V图线，很好的描绘了试验过程物理量的变化情况，见图3。

图3　P-V图线Fig.3P-V figure line

为了验证该数据采集系统正确性，并与传统试验方法进行精度对比，在运用本采集系统试验的同时，使用传统的试验方法进行试验，结果对比见表2。

表2　两种试验方法在残余变形率测定试验中的比较Tab.2 Two kinds of test method in the determination of residual deformation rate test

从表2中可以看出，用计算机采集的方法保证了试验过程的连续性，由于是连续采集，确保了数据点的数量，使图线的连续性和可靠性大大提高，而传统方法主要是靠量筒来记录进排水量，水在量筒壁以及计量管壁上的残留会增加测量误差，读取量筒体积值和压力值也会有一定不可避免人为误差，这些都会使测量精度下降。

通过与传统试验方法的对比，不但确定了该试验系统能够完成气瓶水压试验中容器残余变形率的测定，而且具有方便、快捷、准确的测试特点。

图4中，红线为使用传统试验方法所得曲线，蓝线为使用计算机自动采集数据所画曲线。由此图可得，传统方法与计算机采集的图像相似，两者记录的爆破压力和爆破膨胀量相近，验证了试验的正确性，但是因为量筒采集数据的不准确性造成传统试验方法所作曲线不平滑，爆破点不准确，而计算机采集拥有更高的采样频率和更高的精度，使图线的连续性更好。

图4　两种试验方法爆破曲线对比Fig.4 Comparing two kinds of test method for blasting curve

分析数据记录，我们发现，整个试验过程，使用传统方法共获得65个数据点，而用计算机数据采集方法获得了380个数据点（滤波后获得），在气瓶达到局部屈服（压力为5.5MPa时）时，传统方法采集到5个点，而计算机采样采集到了59个点，因此使用计算机采集画出的图线更真实。

5 总结与展望

本文将数据采集卡、传感器、计算机程序有力整合，完成了由硬件到软件、由模拟量输入到数字量输出的整体系统设计。其具有如下特点：①数据丰富：数据采集卡运用连续不间断采样技术，整个试验的各个状态都有数据记录；②响应迅速：利用数据传输的实时性，将采集的信号即时显示在软件程序中；③灵敏度高：传感器精度为0.1%，数据采集卡的测量精度也是0.1%，保证了数据的精度，同时计算机自动采集排除了人为操作误差；④反馈良好：数据采集功能，不仅为操作人员提供了直观形象的画面，而且能够记录每个采样点的压力和体积数据，为进一步的工程计算分析提供了可能。

正是上述特点，使试验所得的残余变形曲线和气瓶爆破曲线很好的展现了试验的真实情况，同时，利用采集系统记录的数据，在计算残余变形率时比传统试验有更多的数据点，使计算值比传统试验方法具有更高的准确性。

本文在设计过程中充分考虑了工业情况，通过改变传感器量程，运用适当的支撑结构，可以推广至大型的工业容器水压试验中，虽然使用大量程的传感器增加了精度误差，但是与容器测量参数相比完全可以忽略。

目前压力容器试验系统的开发还处于单纯的数据采集方面，今后将向着数据采集→数据处理→程序判断→反馈控制的方向发展，完全实现无人化试验，提高试验的效率，降低人力成本。

［1］朱昆明，郭晓华.压力试验在压力容器设计、制造、检验中的控制［J］.机械与电子，2010.

［2］刘彩梅.压力容器制造质量控制［J］.科技创新导报，2010.

Design and Development of the Pressure Vessel Integrity Testing System

LI Jie
（Taizhou Supervision and Inspection Center of Special Equipment，Taizhou Zhejiang 318000，China）

In this paper，the pressure vessel integrity testing system is based on computer platform，using high-level programming language VB to achieve graphical display during the test and saving data to excel format after the test.By using different combinations of sensors，successfully complete the pressure vessel integrity test，drawing the curves of volume of residual deformation and vessel burst test，calculating the rate of residual volumetric deformation as well.It is proved that this method can accurately acquire the data.The system's complexity is reduced if using high-level programming language．Generally，it can be used widely in the field of the pressure vessel integrity test．

pressure vessel test；data acquisition；rate of residual volumetric deformation；VB programming

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-071-03

2015-01-30

李杰（1982－），男，浙江台州人，工程师。主要从事特种设备的检验和研究工作。