气瓶外测法水压试验用校准瓶标定系统的研制与应用

2017-03-18戴行涛

辽宁化工 2017年6期

戴行涛

（大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁大连 116013）

气瓶水压试验是对气瓶质量进行全面检验的综合性试验，可检验气瓶是否满足常规设计的强度要求，并在一定程度上预防气瓶低应力破坏的一种切实可行的非破坏性试验。国内外普遍采用外测法进行气瓶水压试验。外测法水压试验系统应经校准瓶校验合格后才能使用[1]。校准瓶是用以校正和检验气瓶水压试验装置是否准确的专用气瓶，除可用于检查试验系统是否泄漏，还可核实和证明试验系统准确性和完整性，校准瓶应当经标定后才能使用[2]。

美国是校准瓶的主要生产国和出口国，我国大部分气瓶制造厂、水压试验设备厂和气瓶检验站基本都是从美国购买校准瓶，价格相对较高，其校准瓶首次标定由相应的制造厂进行。国内只有北京天海、成都格瑞特和中材科技（苏州）等少数几家在生产校准瓶，随着国内气瓶检验市场的逐步放开，国内生产校准瓶的制造厂会逐渐增加，校准瓶出厂标定成为了各制造厂的迫切需求。

此外，在用的校准瓶种类、规格繁多，存在出身不明无法考证、沿用至今原有标定数据失真、标定证书丢失无法使用、带有缺陷数据产生偏离等等一系列不同问题，进而导致水压试验可能不合格的气瓶流入社会投放使用或继续使用，为气瓶的安全带来隐患，一旦发生事故，将造成不可挽回的严重后果。

保证气瓶水压试验数据准确的前提就是要保证校准瓶的准确性。这就需要有资质的相关机构，利用经过认证的专用标定系统，在经有关部门或协会备案的相关技术性文件的指导下，对校准瓶进行标定，以此来确保校准瓶的准确性。所开发的校准瓶校准系统除满足国外以 psi单位计量压力外，还要满足中国国家标准，以MPa单位计量压力。

1 方案与流程

校准瓶是用于证明水压试验设备完整性、确认试验压力和膨胀水量精确度而派生的二次标准[3]。校准瓶经标定后，在标定压力下不再产生永久膨胀。校准瓶的容积弹性膨胀量读数必须是可重复的，标定过程的标定压力和容积弹性膨胀量的精确度必须是可追溯到的。校准瓶的标定过程实际是量值溯源的过程，是高精度校验低精度的过程[4]。所以校准瓶标定系统的关键就是保证压力和容积膨胀量测量装置的精度等级，保证压力的精确控制，保证容积弹性膨胀量测量和水套系统水量回“0”的精确性、重复性和稳定性，同时应综合考虑其他影响试验结果的因素，加以消除或改进。基于上述要求，设计流程如图1[5-7]。

该流程具有下列特点：

（1）采用气驱液压泵作为主要压力源，其优点是通过手动压力控制阀或气控阀可以调节升压速率，使其以不大于 1%标定压力的速率缓慢升压至预设压力，长期保压而不消耗能量，保压时介质不会产生过热现象。

（2）采用手动微调压力源进行精确的压力控制，使其可以基本保证与标定压力±2 psi的误差范围，这样可以避免由于标定压力本身误差造成的容积弹性膨胀量的不准确或者是较大误差。

（3）采用高精度双单位（MPa和psi）压力测量系统精确测量压力信号，测量精度达到了0.01级，该精度高于GB/T9251-2011中规定的0.25级要求。

（4）水套密封形式采用法兰结构，密封结构简单，密封效果突出。

（5）采用高精度电子天平对校准瓶容积弹性膨胀量进行测量，最小显示精度达到0.01 g，该精度高于GB/T9251-2011中规定的0.1 g。

（6）在水套套筒上加装爆破片装置，能够有效预防标定过程中校准瓶突然爆破失效造成的安全威胁。

图1 试验装置流程图

2 关键硬件计算与选型

表1 关键硬件计算的设计取值

根据表1所列的技术参数，计算一次加压需要压入校准瓶的水量[1]。计算管道内径和管道壁厚[8]，根据计算值选择规格为 Ø6×1.5的不锈钢管。计算管路系统和液压阀的压力损失，确定泵的最大工作压力，计算泵的输出流量，根据计算求得的最大工作压力和泵的流量选取泵的型式和规格。

根据上述流程原理图，选择M系列气驱液泵，其额定排出压力为130 MPa，流量为0.48 L/min，压力比为1:130。当泵出口压力升高时，泵会减速运行，并对差动活塞产生一定的阻力。该泵为单作用单气动泵，驱动空气压力最大1 MPa。用电磁二位二通控制气驱泵的运行，控制信号计量，方便在设定的压力下控制气驱泵的开、停。

水压系统的阀门采用密封可靠的手动高压针阀，任意压力下保压，都不泄露。

压力精确控制采用手动微调压力源，利用细牙螺纹轴可以微调以获得任何所需压力，依靠操纵杆旋转进给，调整柱塞的行程，最大排量为10 mL，每转可以达到0.3 mL，精度等级达到0.01级。

测量容积弹性膨胀量选用高精度多功能电子天平，配置RS-232C接口，可以实现实时数据输出或打印。最大称量3 200 g ,最小显示精度0.01 g。

水套设计应考虑校准瓶的容积要求和机械强度要求，保障试验的安全性[7]。本装置水套由不锈钢钢板制成直圆桶形，端盖密封形式采用法兰结构，进行试验时将校准瓶垂直吊在托盘上，以减少对瓶体环向应力的影响，并可适应直径350 mm以下和长度1.5 m以下的校准瓶。水套的安装方式为一半高度在地下，另一半在地上，采用这样设计降低了对气瓶的吊装高度，有利于试验操作。

水箱为自制的全密闭、由不锈钢板焊接制成的常压容器，主要用途为储水，兼有平衡水温等功效。水箱上设置有液温液位仪、铂电阻热电偶、放水塞、回水管等器件。铂电阻热电偶用于测量和监控水箱内水温。

测量、控制硬件主要包括高性能计算机、数据采集模块、压力测量系统、容积弹性膨胀量测量系统、温度测量仪表等。采用的数据采集模块，具有多通道数据采集接口和多路模拟量输出端口，分别用于压力、水量信号的采集和电磁阀的控制。A/D板卡自带驱动程序，正确安装在工控机上，可以直接使用VB流函数对数据输入输出进行控制[9]。

压力测量系统包括高精度双单位压力表、数字式压力表和压力传感器，测量精度达到了0.01级。温度测量仪表主要包括一体化温度传感器、温湿度计等，用于测量和监控水套内水温和环境温度，精度达到0.1 ℃。容积弹性膨胀量测量系统如前述。

3 软件设计

整个软件系统需要采集一个压力信号、一个容积弹性膨胀量（电子天平）信号和一个水套内水温信号。根据采集来的压力信号，系统操纵气动阀实现升压过程，再利用手动微调压力系统精确控制压力至标定压力，并实现保压过程。然后通过手动泄压阀实现泄压过程，在这个过程中采集校准瓶膨胀排出的水量，即容积弹性膨胀量，并实时显示、记录、保存全过程曲线和数据，真实显示压力-时间-容积弹性膨胀量一一对应的关系。通过不同压力等级的试验后，得到待标定校准瓶在不同压力下容积弹性膨胀量数据。

校准瓶标定系统测控软件是专门研制开发的一套综合软件系统，能够实现信号的采集，数据的存储、记录和分析，硬件工作状态的实时监视，标定系统的自动控制和紧急情况处理等多项功能。软件采用Visual B语言编写，能够运行在包括Windows 95/98/Me/XP系统之上，具有操作方便，图形显示，界面友好等特点[9]。

4 验证与应用

用1只已知标定数据的校准瓶对标定系统进行试验验证，该校准瓶主要参数如表2。

表2 已知标定数据的校准瓶主要参数

在相同的温度、水质等条件下，按照标定方法[10]，对已知标定数据的校准瓶，用所研制的标定系统分别对各标定压力点P进行标定，每个压力点进行两次有效标定，记录每个压力点对应的容积弹性膨胀量V，分析实测数据与原有数据的压力值误差tP1、tP2，分析实测容积弹性膨胀量值与原有数据的误差tV1、tV2，分析了2次标定数据之间的相对误差tP1,2、tV1,2和总误差t1,2（t1,2=tV1,2-tP1,2）。对实测数据平均值按四舍五入法[10]进行了取值（P′和V′），并与校准瓶原有标定数据进行比较，分析了实测容积弹性膨胀量取值和原有标定数据的相对误差t。分析和比较结果如表3。