一种新型低温容器综合性能检测仪设计及应用

蔡宇宏 王田刚 李正清 刘筱文 何 丹 陈 联 朱建炳

(1兰州空间技术物理研究所 兰州 730000)(2兰州泓瑞航天机电装备有限公司 兰州 730000)(3兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室 兰州 730000)

一种新型低温容器综合性能检测仪设计及应用

蔡宇宏1,2王田刚1,2李正清1,2刘筱文1,2何 丹1,2陈 联3朱建炳3

(1兰州空间技术物理研究所 兰州 730000)(2兰州泓瑞航天机电装备有限公司 兰州 730000)(3兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室 兰州 730000)

针对低温容器性能检测实际需求，介绍了一种新型低温容器综合性能检测仪的设计计算方法及工艺流程，并从抽真空系统、测量分析系统、环境监测系统、控制系统及工艺流程方面重点阐述其设计方法，最后介绍了基于此设计完成的产品及实际应用情况。

低温容器 真空绝热 真空度 气体成分分析 静态蒸发率 测量仪器

1 引 言

低温容器是指用于存储液氧、液氮、液氩、液化天然气等低温液体的压力容器。近年来，随着低温技术的不断发展进步，低温液体应用日趋广泛，在航天、航空、机械、电子等领域对低温液体的需求量逐年递增[1-2]。低温液体的沸点通常都很低，且汽化潜热小，日常人们所处的环境温度比低温液体温度高出很多，对其贮运过程中的热量漏入非常敏感，这对于低温液体的贮运是一个很大的障碍，为了保存和获得低温液体需要付出较大代价，因此低温液体的有效贮运具有重要的经济价值[3]。低温容器就是用于实现这一目的关键手段，良好的低温容器的综合性能是整个低温液体贮运和广泛应用的前提，因此低温容器的综合性能检测也就成为这个行业不可或缺的重要部分。

低温容器属于特种设备，制造和使用过程中的监管归口于特种设备检测机构。而中国国内的特种设备检测机构早期更多从事压力容器的检测工作[4]，对于低温容器中涉及的真空、低温、绝热等性能检测手段缺乏，检测人员需要在工作中不断摸索、积累经验，在实际检测工作开展中，需要人工将多种仪器和部件按照不同检测项目连接被检低温容器，检测过程的设备启停、阀门开闭需人工操作，数据记录和处理更多采用人工方式，工作量大、效率低，已不能适应低温容器的发展，迫切需要一种检测效率高、智能化程度高、检测项目覆盖全的检测方法和装置，多个文献[5-8]也提及中国应加强低温容器检测技术或仪器的研究及应用，针对上述需要，设计了一种新型低温容器综合性能检测仪。

2 系统组成及工作原理

低温容器综合性能检测仪的总体设计思想是在一个以机械泵和分子泵组合作为抽空系统的真空平台上，集成真空计、质谱计、标准漏孔、流量计等测试计量器件及嵌入式工控机等各物理部件。由于被检低温容器有移动式和固定式，这就要求整套仪器具备一定的便携性，进而要求整套系统自身具备较高的集成度。系统组成从总体上划分为两大部分：检测平台和控制平台。前者主要由抽真空系统、环境监测系统、测量分析系统、取样分析室、阀门及管道等组成。后者主要由嵌入式工控机、人机交互界面、控制模块及数据采集模块等组成。系统组成及工作流程如图1所示。

图1 系统组成及工作流程Fig.1 System composition and working process

该系统功能配置及工作原理如下：

(1)该系统将低温容器的真空度测量、漏放气速率测量、漏率测量、静态蒸发率测量(流量计法)和残余气体成分分析集成于一整套测试仪器，使用时仅需将仪器预留的检测接口连接被检低温容器即可；

(2)机械泵、分子泵和取样分析室依次相连，机械泵为分子泵的前级泵，为分子泵启动提供前级真空预抽，分子泵对取样分析室进行抽空，使取样分析室维持高真空环境，进而为系统的测量分析提供真空环境；

(3)真空规和质谱计分别与取样分析室连接，实现取样分析室的真空度监测和取样气体的成分分析；

(4)标准漏孔和另一支真空规通过阀门与被检低温容器连接，并通过阀门与取样分析室连通，用于实现真空度和漏率测量；

(5)流量计和加热器相连，并通过阀门与被检低温容器相连，用于实现系统的静态蒸发率测量；

(6)嵌入式工控机与控制模块和数据采集模块连接，用于实现系统的自动化控制和数据处理，同时与人机界面和数据库连接实现整机的人机交互和后台数据调用；

(7)大气压力计和环境温度计分别与控制系统的数据采集模块连接，用于低温容器检测时获取实地气温和气压数据。

3 方案设计计算及工艺流程

3.1 抽真空系统

抽真空系统是检测仪功能实现的前提，用于提供系统测量分析的真空环境。主要由机械泵、分子泵、阀门及管道组成。低温容器性能检测时真空机组的极限真空度至少应高于被检件封口真空度一个数量级，不同绝热结构和深冷介质的被检件，其测量管路的真空度应符合表1的要求[9]。

基于以上要求及产品运行稳定可靠性，同时考虑检测仪的检测对象覆盖面，系统的极限压力要达到1×10-4Pa， 目前使用单个真空泵很难满足该指标要求，因此采用前级泵和主泵组合形式， 前级泵为主泵提供前级真空预抽，为了减少油污对测量的影响和满足轻量化的要求，前级泵选用隔膜泵。主泵可选用分子泵，但要求分子泵的极限压力必须优于1×10-4Pa，同时分子泵启动压力即出口最大压力也不小于前级泵的极限压力。另外，考虑检测仪的快速启动，设计时在前级泵和主泵之间接入自动控制阀门。完成一次检测后，在关闭前级泵之前先关闭阀门，从而避免系统内真空部件的污染和缩短下一次检测时真空管道抽空时间。

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

3.2 测量分析系统

测量分析系统是检测仪实现检测项目测量的核心模块，其功能是完成被检低温容器的真空度测量、漏率测量、静态蒸发率测量和残余气体成分分析。主要由取样分析室、质谱计、标准漏孔、流量计、加热器、真空规、阀门及管道组成。

在考虑系统集成化、小型化基础上，取样分析室采用圆柱形设计，连通结构为5通形式。与分子泵通过ISO-K法兰连接，并采用4个M8卡钳提供锁紧预紧力，与质谱计通过CF型法兰连接，另外3个接口均为KF接口，分别与真空规和阀门连接，材料为选用304不锈钢，如图2所示。

图2 取样分析室设计模型图Fig.2 Sampling and analysis chamber design model

设计时需根据使用条件对壁厚进行校核计算，由于连接接口均采用ISO-K、CF和KF真空标准件，因此仅需对圆柱筒体的厚度进行核算。圆柱筒体壁面厚度按照公式(1)设计计算：

(1)

式中：p为许用外压力，MPa，要求不小于101 325 Pa；B为外压应力系数，MPa，取B=110 MPa；Do为圆筒外直径，mm，设计Do=78 mm；δe为圆筒的有效厚度，mm，设计δe=2 mm；带入参数求得[p]=2.821 MPa，满足设计要求。

圆柱筒体顶盖厚度按照式(2)设计计算：

(2)

式中：δp为圆形平盖的厚度，mm；Dc为平盖计算直径，mm，设计Dc=74 mm；K为结构特征系数，取K=0.5；pc为容器外压压力，MPa，要求不小于101 325 Pa；[σ]t为许用应力，MPa，取[σ]t=114 MPa；φ为焊缝系数，取φ=0.85；带入参数求得δp≥1.692 mm，考虑设计余量，也选用2 mm厚的板材即可满足要求。

质谱计在该系统中的主要功能是进行残余气体成分分析和漏率测量。质谱计选型设计中要满足测量分子量范围，该设计选用测量气体范围1—100 amu。若有特殊用途分子量不满足要求，可选用1—200 amu甚至1—300 amu。质谱计通过CF法兰与取样分析室连接，因此质谱计的最大工作压力必须大于抽真空系统提供的真空度。另外，在漏率测量中，质谱计和标准漏孔须配合工作，该设计中，综合考虑仪器的测试精度和成本，选用漏率为5×10-8Pa·m3/s的标准漏孔。

流量计的功能是在静态蒸发率测量中记录气体的蒸发量。一般情况，流量计的入口低温许用温度有限，因此在设计时一方面选用入口低温温度较低的流量计，另一方面应在入口处配合加热器使用，从而确保蒸发介质进入流量计的温度在流量计的许用温度范围内。另外，真空规由于是重要计量部件之一，选用时需综合考虑精度、测量范围、复现误差、工作可靠性和成本等因素。

3.3 环境检测系统

环境检测系统主要功能是采集和记录测试时的实地气温和气压数据。主要包括环境温度计和大气压力计。由于低温容器真空度测量和静态蒸发率测量中，环境温度和实地气压对测量结果有较大影响，其数据计算处理中须获得实地温度和气压数据。目前，环境温度计和大气压力计的生产厂商较多，技术也较为成熟，在选型设计时中仅需考虑精度、使用范围和品质等因素满足实际使用要求即可，不再展开讨论其选型设计过程。

3.4 控制系统

控制系统是检测仪实现自动化的前提，是保证性能测试正常进行的关键。控制系统一方面要对系统内各部件实施控制信号，根据测试项目的不同完成工艺流程的自动化实现。另一方面，要对内部部件的状态进行监测并采集测量相关信号输出。控制系统的原理如图3所示。

图3 控制系统原理框图Fig.3 Principle block diagram of control system

控制系统的软件是依据检测项目的工艺流程进行设计，人机界面基于WinCE编写，负责控制工控机工作、监测工作状态及记录采集测量数据。根据检测实际需要和主要功能，人机界面的结构设计如图4所示。

图4 人机界面结构图Fig.4 Man-machine interface structure

3.5 工艺流程

低温容器综合性能检测仪以抽真空系统提供的真空平台上，实现被检低温容器的综合性能检测，检测项目广、自动化程度高，图5为系统工艺流程图。

图5 工艺流程图Fig.5 Process flow diagram

系统上电后首先进入仪器自检工艺流程，自检工艺流程主要功能是确定仪器和系统的连接是否可靠，是否满足测试环境要求。首先启动机械泵、真空规及相关阀门，由机械泵进行粗真空抽空，机械泵运行5分钟后进行真空度数值判断，如未达到分子泵启动压力要求，需进行系统检查。首先关闭连接被检件阀门继续运行2分钟，如还未达到要求则停机检查仪器真空管路接口，排查处理后重新启动。如2分钟后能够到达启动压力要求，则进行被检件管路检查，如连接不可靠须停机进行排查处理后重新启动。如连接可靠此时可返回主工艺流程进入下一步启动分子泵进行高真空抽空。启动分子泵后的30分钟内判断真空度是否达到测试要求(不大于1.0×10-3Pa，)如未达到要求，须进行系统检查，首先关闭连接被检件阀门继续运行5分钟，如还未达到要求则要求停机处理仪器真空管路后重新启动。如能够到达测试要求范围，则进行被检件真空管路连接检查，连接不可靠需重新安装后启动，连接可靠则开启连接被检件阀门进入检测项目的测量。在人机交互界面选择检测项目，仪器自动完成被检件检测项目测量，给出测量结果，检测完毕后关机结束。

4 优点及应用

低温容器综合性能检测仪通过对低温容器综合性能的检测，可检验出低温容器实际的综合性能情况，确保低温容器的使用安全。具有以下优点：

(1)可对被检低温容器进行真空度测量、漏率测量、漏放气速率测量、残余气体成分分析和静态蒸发率测量，检测内容丰富、全面；

(2)将智能化控制模块嵌入仪器的整体系统流程中，实现检测项目的自动连锁响应，智能化程度高；

(3)将传统方法需要一系列专业、复杂的测试设备完成的测试工作进行有效整合，压缩现场测试设备，优化测试流程，采用一体化设计，集成由一台专用测试仪器完成，集成度高、人机功效合理；

(4)产品性能经国家低温容器质量监督检验中心测试，且主要测试部件经国防科技工业真空一级计量站鉴定校准，从而确保了仪器测量误差及性能指标符合GB/T18443等标准的要求；

(5)与传统方法操作过程中需要根据计量部件数据对仪器进行进一步操作相比，检测仪的操作由系统嵌入的工艺流程实时对测试数据进行监测并作出动作响应，实现了检测实时化。

低温容器综合性能检测仪可对低温容器的夹层真空度、漏率、漏放气速率和残余气体成分分析。目前，该检测仪已作为国家低温容器质检中心的应用测试设备，已实现甘肃、山东和山西等地的产品销售，并为多地低温容器生产单位提供了产品评价测试服务。2015年1月29日，该检测仪产品通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会移动式压力容器分技术委员会在无锡市召开的产品鉴定会，专家组给出的产品鉴定结果为：产品测试性能和精度符合国内相关标准的要求，综合性能达到国内领先水平。该检测仪可用于低温容器行业中所使用到的各种低温容器，包括固定式和移动式低温绝热压力贮罐、低温绝热气瓶、低温绝热管道等在使用过程中的性能检测，确保此类产品使用过程的产品安全和人身安全。此外，还可用于低温容器生产过程中的批量检验工作，从生产源头提高产品质量，保证产品安全。

5 结 论

设计的一种新型低温容器综合性能检测仪实现了对低温容器的的夹层真空度、漏率、漏放气速率静态蒸发率测量(流量计法)和残余气体成分分析，解决了低温容器实际检测困难，降低了检测工作强度，节省了人力和时间，提高了检测效率。在低温容器性能检测方面，相比传统方法具有一定的优势。

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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年度中国航天科技集团公司五院航天技术应用产业产品孵化项目：“便携式低温容器真空性能综合测试仪”、2014年度甘肃省工业和信息化发展专项资金项目：“真空绝热容器综合性能在线检测仪”。

蔡宇宏，男，32岁，硕士、工程师。

TB658

A

1000-6516(2016)02-0032-06