车用LNG焊接低温绝热气瓶静态蒸发率快速检测方法的研究

张建斌 ，刘宇 ，殷齐平 ，王雄 ，刘洋

（1.北京华拓绿能科技有限公司，北京 102447；2.乌海市特种设备检验所，内蒙古 乌海 016000）

1 车用LNG焊接低温绝热气瓶静态蒸发率的检测现状

TSG R0006-2014《气瓶安全技术监察规程》明确规定，车用焊接绝热气瓶每3年检验1次。但车用绝热气瓶特有的夹层保温结构，使对气瓶本身检验的难度很大，目前相应的检验国家标准还未颁布，各省市积极投入研究车用焊接绝热气瓶的检验，部分省份已制定相应的地方标准作为检验依据。

目前车用LNG气瓶检验分为2种方式：将气瓶拆卸下来的离线检验和不拆卸气瓶的在线检验。车用LNG气瓶通过配套的钢架固定结构与车辆连接，检验时，若将气瓶拆卸下来成本非常高，而且拆装过程中有损伤气瓶的风险，所以目前在线不拆卸检验的方式更受用户和检验机构的欢迎。根据GB/T 18443.5-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分：静态蒸发率测量》，要以液氮为试验介质。而LNG车辆都是单一能源，如果按照标准要求的方法，必须将被检验的气瓶进行氮气置换、还需要配备液氮、LNG储存设备，显然这比较困难。

目前静态蒸发率检测有两种方法，一是称重法，二是流量计法。如果采用称重法则势必要将气瓶拆卸检测，并且称重法的精度等级较低，人为移动或晃动气瓶都将影响试验结果，因此不推荐使用称重法。采用流量计法测量也存在诸多弊端：基本都是单独使用质量流量计，配积算仪、大气压计、环境温度计、环境湿度计，同时还无法准确测量到流量计入口的压力和温度参数，并且所有的试验数值都需要人为手工记录，试验结束后，根据所记录的数据再进行公式计算得出静态蒸发率值。这就造成仪器设备种类繁多、人工成本高、计算易出错、记录数据不准确等缺点。检测过程均为单机单工位检测，1台设备只能检验1只气瓶，工作效率较低。

因此，静态蒸发率测试仪是近3年行业内在原有单独流量计法检测的基础上研发出来的一款新产品。

2 行业内静态蒸发率测试仪的不足之处

虽然目前国内个别检测机构已经开始使用静态蒸发率测试仪，但是现行的设备中还有很多不能满足GB/T 18443.5-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分：静态蒸发率测量》的标准要求，例如:

（1）标准中要求应设置升温装置，一般质量流量计的使用温度范围是5～45℃，升温装置的设置首先保证了流量计不受损坏，其次可以保证检测数据的准确性。本文论述的设备设置了自动/手动升温器，与软件控制系统和传感器配合使用，可自动或手动设置升温器开启的温度值。

（2）环境大气压值和对应介质的物性参数是参与到静态蒸发率计算的，国内现行的设备均采用表框计算，不符合标准要求，本文所述设备软件中设置了中国各个地区大气压范围的数据库，在不同地区的使用过程中，会依据大气压传感器实时检测到的数值参与公式计算，保证数据的准确性。

（3）标准要求两个24h的结果误差不能大于5%，目前国内设备不具备结果的对比功能。

（4）还有很多不便于开展检验工作之处，例如没有燃气报警装置，使用天然气作为试验介质时一旦管路有泄漏，存在极大的安全隐患；试验介质单一，只能使用氮气作为试验介质，无法真正实现车用LNG气瓶的不拆卸在线检测等。

针对上述不足，从硬件和软件两方面提出改进意见，在充分满足标准要求的前提下，进一步提升产品与实际检验的符合程度，提升智能化数据的处理水平。

3 硬件开发

我们在充分解读GB/T 18443.1-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法 第1部分：基本要求》和GB/T 18443.5-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分：静态蒸发率测量》的基础上，研发了适合不拆卸气瓶、试验介质为LNG和液氮双介质可选、可移动测量的静态蒸发率测试仪。

测试仪采用双箱体结构设计，将电器元件和气体管路部件分箱体放置，集成加热升温装置、流量计入口温度、流量计入口压力、质量流量计、环境温度、环境湿度、环境大气压等传感器。通过控制装置控制试验进程，采用射频技术将测量到的瞬时流量、累计流量、流量计入口压力、流量计入口温度、环境大气压、环境温度和环境湿度等数据传输到操作主机，检测人员无需到检测现场，在操作主机上即可控制设备工作，并能实时显示试验数据，自动保存试验记录，一键生成试验报告，大大节省了人工成本，降低了劳动强度。

质量流量计采用天然气为介质标定，设备可以适用于LNG车辆直接进行检测，无需氮气置换，这样就满足了气瓶不拆卸在线检测的目的。同时，每台静态蒸发率测试仪可以同时对2只LNG气瓶进行检测，检测效率可提升1倍。

图1为静态蒸发率测试仪检验过程页面。图2～3为结构示意图。

4 信号采集及软件开发

静态蒸发率测试仪软件系统是在window7操作系统下，基于INTOUCH编程软件，采用QuickScript语言开发而成，软件实现的简要流程图见图4。

（1）结果预判。静态蒸发率测试仪的结果预判功能，是在气瓶流量稳定后，根据当前的瞬时流量推算24h后的静态蒸发率值，此数据对试验人员初步判定气瓶是否合格具有重要作用。如果预判值远远超过合格标准，那么就可以不再继续做完24h试验，可先进行抽真空或氦质谱检漏的工作，这样进一步节省了对不合格气瓶检测的周期。

图1 静态蒸发率测试仪检验过程页面

（2）信号处理及传输。在设计初期，我们采用了WIFI中继器的数据传输模式，其工作原理是将所有检测单元的WIFI信号与中继器连接，中继器再与操作主机连接，形成数据的通讯。但是在实际使用过程中发现存在诸多问题，比如信号不稳定，断开连接后需要人为手动重新连接和设定，使用不方便，因此我们对信号的传输方式做了调整。静态蒸发率测试仪中的所有传感器的输出信号均为4～20mA。使用12位精度的西门子PLC采集模块，采集并控制所有传感器输 出 的4～20mA信号。PLC将信号输送给无线发射模块，该种形式的模块具有信号强、传输距离远、性能稳定的特点。PLC与操作主机通过双向工业485通讯，主机先向PLC发射信号，提出接受数据的要求，PLC接收到主机的命令信号后给主机反馈相应的数据信息。然后操作主机中的上位机软件（INTOUCH）访问PLC，将相应的数据显示在对应的屏幕位置上，即完成数据的处理和传输。

软件系统中录入了环境大气压在80～120KPa范围之内所有与试验介质相关并且参与静态蒸发率计算的物性参数，检验过程中根据监测到的环境大气压数值，从数据库中调取相对应的物性参数参与计算，满足了国内所有地区的实际的使用工况。

系统自动对比两个24h的试验结果，若误差小于5%，则以第2个24h为最终结果，若误差大于5%，则自动开始做3个24h测试，并以此结果作为最终结果。

图2 气体管路示意图

图3 电器元件示意图

图4 静态蒸发率测试系统检验流程图

（3）平板交互。为了实现整个气瓶检验流程的快速和无纸化检验，系统中配置了可以与操作主机交互的平板电脑，在平板电脑上根据当地对气瓶检验项目的规定制作成检验的记录和报告模板，操作人员在检验现场可将实际检验情况直接录入平板电脑，无需纸质记录。平板电脑与操作主机通过局域网进行信息和数据的传输交互，用平板电脑记录的气瓶信息、检验情况均可一键传输给操作主机，并在主机上形成数据库和气瓶全流程检验报告，大大节省了填写记录和报告的时间，进一步降低检验人员的劳动强度。

（4）电子审批。测试结束后，系统将检测数据和检测报告上传至云服务器，在云服务器生成不可修改的检验报告，通过软件选择试验和审核人员，系统将自动将报告传递给相关人员，并设置强制阅览后才可点击提交或审批，并设置电子签名，除检验环节实现无纸化办公外，在报告审批过程中同样实现无纸化办公，报告审批流程全程在云服务器上完成，减少报告在审批人之间的流转，进一步有效降低报告的审阅周期。

通过上述硬件和软件的开发，使静态蒸发率测试仪充分符合GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的要求。

5 试验室性能测试

为了验证静态蒸发率测试仪测量数据的准确性，我们在试验室使用3支275L车用LNG气瓶和1支195L立式工业低温瓶分别采用静态蒸发率测试仪和称重法进行了多次对比试验。其中3支LNG气瓶的试验在北京进行，1支立式工业低温瓶的试验在包头进行。

（1）试验方法及数据。试验方法：试验室的测试均为单独气瓶测试，车用LNG气瓶采用LNG为试验介质，立式工业低温瓶采用液氮为试验介质，测试环境温度保持在16℃。称重法所采用的地秤为梅特勒-托利多（常州）测量技术有限公司生产的型号为PNM1/2-0808-560的电子地上衡，分度值为0.2kg。将瓶内的液体充至额定充满量，仅打开放空阀，关闭其它所有阀门，静置24h，使瓶内液体达到热平衡，测试时长分别为48h，试验结果见表1。

（2）数据对比及分析。根据表1的试验数据，通过以下两种途径进行比较分析：①两种试验方法的数据对比。通过对上述4支气瓶进行的对比试验，结果显示传统称重法测量的试验结果与静态蒸发率测试仪自动计算的结果十分接近， 其误差均在5%以内，借鉴GB/T 18443.5-2010，其中规定两个24h测量的静态蒸发率结果变化范围应小于5%，实际用两种方法测量的结果误差均小于5%，因此证明静态蒸发率测试仪测试的数据准确。②静态蒸发率测试仪第1个24h和第2个24h试验的结果对比。通过上述4支气瓶静态蒸发率测试仪两个24h测量结果来看，变化误差均小于5%，同时结合焊接绝热气瓶检验的实际现状，我们认为测量24h就能够说明气瓶的绝热性能，从而缩短了检验周期，实现了在线快速检测。

表1 试验室测试数据

6 现场应用测试

现场在线检测与实验室检测的最大区别在于，实验室的环境相对稳定，参与计算的环境温度、湿度、大气压的变化不大，而现场在线检测中，不同地区、不同时间的环境温度、湿度、大气压不一致，因此现场测试的综合环境更为复杂。

在线检测需要先将车辆上的LNG气瓶充满至额定充满率，然后将车辆停放至指定的试验地点，一般在检测站附近会有定点加液站，距离在2～3km左右，在这个短距离的车辆行驶阶段，仅消耗1～2L液化天然气，对检测的影响微乎其微，我们认为可以接受。

为了验证静态蒸发率测试仪的可靠性和现场检测能力，在乌海市特种设备检测中心的气瓶检测基地，对100只车用LNG气瓶做了不拆卸气瓶的在线检测，试验介质使用LNG，选取其中10只气瓶的试验数据。

（1）测试过程。车辆充满LNG停放至指定位置后，打开放空阀，关闭其它所有阀门静置24h，连接静态蒸发率测试仪，在操作主机上点击“试验开始”，开始进行静态蒸发率测试，测试时长为24h。测试现场见图5、6所示。

图5 现场在线检测

图6 现场在线检测

（2）测试数据。测试过程中系统能根据设定的时间间隔，自动记录试验数据，包括瞬时流量、累计流量、环境大气压、环境湿度、环境温度、流量计入口温度、流量计入口压力。这些数据自动保存为excel格式文档，并存于操作主机E盘的根目录下，试验结束后能够自动计算24h的静态蒸发率结果。

10只车用LNG气瓶的检验结果汇总如表2所示。

表2 现场在线检测试验结果

由于目前国家还没有颁布关于低温气瓶定期检验的国家标准，本次试验根据DB35/T 1517《汽车用液化天然气焊接绝热气瓶定期检验规则》第8.2.3.5条的规定：液化天然气静态蒸发率计算值不大于3%/d，绝热性能为合格。因此该10只气瓶的试验结果均合格。

检验记录及报告输出。系统自动生成的检验记录如图7所示，一键生成的检验报告如图8所示。

（1）极端环境下测试。为了验证静态蒸发率测试仪在高温和低温环境下的使用情况，分别将设备于7月份放在乌海和12月份放在沈阳进行实际检测，乌海在7月份白天的温度高达40℃，沈阳在12月份的最低温度低至-25℃，通过实际测试，设备均能正常工作，无异常现象发生。

（2）测试结论。静态蒸发率测试仪及主机持续运行96h，设备运转正常，没有出现死机、黑屏等故障；静态蒸发率测试仪能够持续自动记录试验数据，能够显示试验结果预判值；24h试验结束后，能自动计算试验结果，并判断是否合格；能够一键自动生成试验报告；1台设备可以同时检测2只气瓶，提高了工作效率；可在极端环境温度下正常工作；现场测试的环境完全符合GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的要求，所有硬件、软件均符合标准要求，可以保证测试数据的真实、准确、有效。

7 经济性和安全性分析

（1）经济性。静态蒸发率测试仪的研发充分满足了GB/T 18443.5-2010标准的要求，满足了车用LNG气瓶不拆卸在线检测的实际需求，节省了气瓶原介质排空和用氮气置换的费用，以一支275L气瓶为例，在剩余1/4液体（约62L）时进行检验，需要将剩余的液体排空，LNG价格按照6元/kg计算，则损失约158元，还需要用3瓶40L高压氮气瓶进行氮气置换，费用约150元，再向瓶内充装200kg液氮做试验，约1000元，则如果采用在线检测可节省1308元。

（2）安全性。在线检测均使用LNG作为试验介质，因此在安全性上要做好进一步的保障。设备中配备燃气报警器，一旦检测到燃气泄漏，设备本身和操作主机页面均会以声、光的方式发出警报，同时检测工作应在指定位置开展，须在被检测气瓶上做接地装置，设备出气口应引至高出车顶1.5m的距离以实现高位排空，试验现场严禁明火和使用无线通讯设备，以保证测试过程中的安全性。

8 结语

根据GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010中对静态蒸发率测试的原理和要求，以质量流量计测试方法为基础，采用模块化设计思想，利用无线发射技术，成功研发了一款智能静态蒸发率测试仪，该套系统可在很大程度上将检验人员从落后和效率低的检验工作中解放出来，极大提高了检验效率，实现了静态蒸发率在线快速检测及检测的准确性。

图7 系统自动生成的检验记录

图8 系统自动生成的检验报告

通过实验室和现场应用测试，得出以下结论：避免试验过程中使用繁多的仪器设备，将所需要的仪器设备集成为一体机；避免人为记录数据，所有数据均由系统自动记录；避免人工计算静态蒸发率的结果，由系统自动计算；避免试验后人为编写试验报告，系统可一键生成报告；为了节省人力，所有试验数据可通过低频无线传输至操作主机；避免突然断电后丢失试验数据，意外断电后自动保存试验数据，来电后并能继续试验；试验介质为LNG和液氮可选；避免在使用天然气做试验时，出现气体与电器件接触发生电火花的风险，该设备做成双机箱设计，1个机箱放置气路组件，另外1个机箱放置电器组件；为了提高工作效率，本设备可同时对8只焊接绝热气瓶进行静态蒸发率检测，操作主机的页面可同时显示8个通道的试验状态，并能同时监测8个通道的所有检测数据；为了提高工作效率，车用LNG气瓶使用此四机八工位智能静态蒸发率测试仪，可实现不拆卸气瓶在线检测。通过与传统称重法试验数据的对比，判定静态蒸发率测试仪检测的数据是准确的。本文论述的静态蒸发率测试仪的各项硬件和软件均能满足GB/T 18443.1-2010和GB/T 18443.5-2010的各项规定。

参考文献：

[1] GB/T 18443.1-2010真空绝热深冷设备性能试验方法 第1部分：基本要求[S].

[2] GB/T 18443.5-2010真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分：静态蒸发率测量[S].

[3] GB/T 18442-2011固定式真空绝热深冷压力容器[S].

[4] 华自强，张忠进. 工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 刘长军，黄卞玛，闫丽萍. 射频通讯电路设计[M].北京：科学出版社，2005.