氧彈熱量計(jì)性能技術(shù)要求綜述

王興無，張?zhí)?/p>

（1.神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033；2.湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 前言

氧彈熱量計(jì)是用來測定燃料發(fā)熱量的計(jì)量儀器。熱量計(jì)結(jié)構(gòu)組成均包括氧彈、溫度計(jì)或測溫裝置和內(nèi)外筒（包括水循環(huán)系統(tǒng)）等部件。本文對各類熱量計(jì)主要部件如氧彈、溫度計(jì)以及整機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行闡述，供儀器制造廠開發(fā)人員和使用人員參考。

1 氧彈性能技術(shù)要求

氧彈是一個(gè)鋼制圓柱形容器，由彈體、彈蓋和連接環(huán)構(gòu)成。在量熱實(shí)驗(yàn)中，它是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生器。樣品燃燒后，彈內(nèi)瞬時(shí)壓力可達(dá)10 Mpa以上，火焰中心瞬時(shí)溫度可達(dá)1 500℃。過去，國內(nèi)曾發(fā)生過氧彈蓋被沖到天花板，火焰沖出針形閥并燒穿閥體的嚴(yán)重事故，因此氧彈的安全性能應(yīng)該引起重視。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T213[1]規(guī)定了氧彈3個(gè)方面的技術(shù)要求：

1）不受燃燒過程中出現(xiàn)的高溫和腐蝕性產(chǎn)物的影響而產(chǎn)生熱效應(yīng)。現(xiàn)代氧彈一般選用1Cr18NiqTi耐熱耐腐蝕合金鋼制作，試驗(yàn)表明燃燒過程中出現(xiàn)的高溫和腐蝕性產(chǎn)物的影響是可以忽略的。該條的要求應(yīng)是制造廠的保證指標(biāo)。

2）能夠承受燃燒過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓。一般用氧彈的耐壓強(qiáng)度來描述。GB/T213只籠統(tǒng)指出應(yīng)經(jīng)20.0 Mpa的水壓試驗(yàn)來確認(rèn)。但該標(biāo)準(zhǔn)對水壓試驗(yàn)如何進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如何評價(jià)等都沒有具體規(guī)定。

參照美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)E144《氧彈的安全使用》和英國標(biāo)準(zhǔn)BS4791《熱量計(jì)氧彈的構(gòu)造》，針對氧彈安全性能（耐壓強(qiáng)度）要求及性能檢驗(yàn)，國內(nèi)煤炭和電力行業(yè)分別制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T737—2007[2]和DL/T661—1999[3]作為國家標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。有關(guān)氧彈安全性能要求分述如下：

1）螺紋松動(dòng)度。螺紋松動(dòng)度指連接環(huán)與彈體配合的松緊程度，分為徑向松動(dòng)度S d和軸向松動(dòng)度Sa，兩者之間有如下關(guān)系：S a=tg300×S d=0.577 S d。美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)沒有螺紋松動(dòng)度要求，但英國標(biāo)準(zhǔn)SB4791—1985規(guī)定，S d≤0.55 mm，S a≤0.32 mm。國內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定S d≤0.62 mm或S a≤0.36 mm，而煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定S d≤0.45 mm，S a≤0.27 mm。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間存在差距。影響螺紋松動(dòng)度的原因有加工工藝粗糙，長期使用磨損，氧彈受壓后發(fā)生較大的永久變形等。根據(jù)筆者掌握的調(diào)查資料，國內(nèi)制造的氧彈滿足要求。由于加工工藝方面的原因，個(gè)別廠家新制氧彈螺紋松動(dòng)度達(dá)不到要求，另外有許多使用中的氧彈，螺紋松動(dòng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超差。

2）水壓試驗(yàn)。向氧彈內(nèi)注入常溫水，加壓至20.0 Mpa并維持10 min，觀察和測量試驗(yàn)前后氧彈變化。應(yīng)滿足以下要求：氧彈無明顯泄露，10 min內(nèi)壓力降不大于0.1 Mpa；卸壓后，螺紋的配合依然平滑，各部件應(yīng)沒有不可恢復(fù)的明顯的永久變形；水壓試驗(yàn)前后杯體中部半高處直徑彈性變形量和杯體底部中心至杯口高度的彈性變形量均不大于0.13 mm；而它們相應(yīng)的永久變形量均不大于0.02 mm。

美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)E144和國內(nèi)煤炭、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對水壓試驗(yàn)的彈形變化量要求一致，英國標(biāo)準(zhǔn)對此未作規(guī)定。國內(nèi)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)對微小的永久變形量未作規(guī)定。另外英國標(biāo)準(zhǔn)要求水壓試驗(yàn)壓力為30 Mpa。

3）點(diǎn)火試驗(yàn)。美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了氧彈的點(diǎn)火試驗(yàn)要求。使用（2±0.1）g苯甲酸在充氧初始壓力為3.0 Mpa的氧彈內(nèi)燃燒，試驗(yàn)前后彈體半高處直徑和底部中心至彈體上口高度的彈形變化量均小于0.13 mm，無氣體泄露和永久性形變。

氧彈安全性能檢驗(yàn)方法詳見煤炭和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2][3]。基于安全方面的考慮，筆者認(rèn)為氧彈應(yīng)按這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，進(jìn)行全面的檢驗(yàn)，并從嚴(yán)評定。氧彈安全性能檢驗(yàn)通常由制造廠或權(quán)威部門進(jìn)行。新制和修理過的氧彈，性能檢驗(yàn)合格方可投入使用。使用中的氧彈的檢驗(yàn)周期GB/T213規(guī)定為不超過2年，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定為1年或者使用500次后。

3）試驗(yàn)過程中能保持完全氣密。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T213要求試驗(yàn)時(shí)由實(shí)驗(yàn)人員即時(shí)檢查：向氧彈內(nèi)充入2.8～3.0 Mpa氧氣，放入水面下，觀察是否有水泡冒出，即可證明是否漏氣。氧彈的耐壓強(qiáng)度合格是氧氣密性合格的前提條件。氧彈漏氣往往與密封墊圈老化變形、污染、堵塞有關(guān)，試驗(yàn)人員可自行排除。

2 量熱溫度計(jì)計(jì)量性能要求

2.1 基本要求

內(nèi)筒溫升測量誤差是發(fā)熱量測定誤差的主要來源。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1928：1995（E）[4]中對量熱溫度計(jì)性能的基本要求是：至少應(yīng)具有0.001 K的分辨力，以便能夠以優(yōu)于0.002 K的分辨力測定（2~3）K的溫差；絕對溫度測定精度為0.1 K；在它所使用的整個(gè)溫差范圍內(nèi)其溫度變化特性是線性的或線性化的。

2.2 精密玻璃水銀溫度計(jì)計(jì)量性能指標(biāo)

2.2.1 固定量程玻璃水銀溫度計(jì)

國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG618—1999[5]中對量熱用溫度計(jì)計(jì)量指標(biāo)的規(guī)定：（1）分度為0.01 K，借助放大鏡人眼估讀到0.001 K；（2）示值允許誤差不超過±0.10 K；（3）示值穩(wěn)定度不超過0.01 K；（4）毛細(xì)管均勻性和刻度等分均勻性不超過0.01 K。

2.2.2 貝克曼溫度計(jì)

國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG144—1999[6]貝克曼溫度計(jì)性能指標(biāo)。

1）分度值0.01 K，借助放大鏡人眼可估讀至0.001 K，在（20～25）℃內(nèi)，整度修正值和相鄰兩個(gè)點(diǎn)修正值之差不超過±0.020 K；

2）（30～35）℃與（20～25）℃平均分度值為0.004±0.001；

3）均勻性誤差即任意兩個(gè)規(guī)定檢定點(diǎn)中間一點(diǎn)溫度修正值與按線性內(nèi)插法計(jì)算出的修正值之差不超過0.008 K。

熱量計(jì)用玻璃液體溫度計(jì)，需由計(jì)量機(jī)關(guān)按檢定規(guī)程進(jìn)行檢定。檢定合格的溫度計(jì)，其線性一般是不成問題的，如果正確使用溫差測量準(zhǔn)確度是能夠保證的。

2.3 數(shù)字式量熱溫度計(jì)計(jì)量性能指標(biāo)

數(shù)字式溫度計(jì)由溫度傳感器，集成電路板（包括測溫橋路、直流信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器）和微機(jī)構(gòu)成。國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG855—94[7]規(guī)定了其計(jì)量性能指標(biāo)。

1）分辨力：溫度計(jì)顯示值的末位一個(gè)數(shù)字所表示的溫度應(yīng)不大于0.001 K。目前國內(nèi)儀器廠家，該項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到要求，有些甚至達(dá)到0.0 001 K。

2）穩(wěn)定度：國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1928[4]規(guī)定：這類溫度計(jì)的短期重復(fù)性優(yōu)于0.001 K，6個(gè)月的“漂移”量不超過0.05 K。國內(nèi)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T9514—1999[9]規(guī)定：重復(fù)性誤差即在30 min內(nèi)的示值波動(dòng)不超過0.002 K；穩(wěn)定性誤差即30 h內(nèi)的示值波動(dòng)也不超過±0.002 K。國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG855[7]規(guī)定：在30 min內(nèi)示值波動(dòng)度不超過±0.001 K；相鄰兩個(gè)檢定周期（不超過1年）每間隔1 K溫差的測量誤差的差值不超過±0.004 K。顯然JJG855的規(guī)定最為嚴(yán)格。

3）示值允許誤差：IS01928[4]規(guī)定為±0.1 K，JJG855[7]規(guī)定為±0.200 K。

4）線性誤差：JJG855[7]規(guī)定溫度計(jì)兩個(gè)示值檢定值中的任意一點(diǎn)，按線性內(nèi)插法計(jì)算得到的示值誤差值與實(shí)際檢定的該中間點(diǎn)誤差值的差值應(yīng)優(yōu)于±0.002 K。顯然上述規(guī)定比玻璃水銀溫度計(jì)更為嚴(yán)格。

5）溫差測量允許誤差：JJG85[7]規(guī)定1 K溫差測量允許誤差不超過±0.002 K，1 K以上任意溫差（≤3 K）的測量允許誤差不超過±0.004 K。

2.4 數(shù)字溫度計(jì)的計(jì)量檢定

數(shù)字溫度計(jì)的計(jì)量性能檢定，應(yīng)由法定機(jī)構(gòu)按JJG855的規(guī)定進(jìn)行檢定，檢定周期不超過1年。為了保證量熱儀的性能和質(zhì)量，制造廠應(yīng)創(chuàng)造條件出廠時(shí)按檢定規(guī)程對數(shù)字式溫度計(jì)進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)。

3 其它部件的性能要求

3.1 攪拌器的效率

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T213[1]規(guī)定：攪拌器為螺旋槳式，轉(zhuǎn)速以（400～600）轉(zhuǎn)1 min為宜，并應(yīng)保持穩(wěn)定；應(yīng)能使熱容量標(biāo)定試驗(yàn)從點(diǎn)火到終點(diǎn)的時(shí)間不超過10 min，同時(shí)又要使連續(xù)10 min的攪拌器不超過120 J。如果不滿足要求，有時(shí)需要調(diào)整攪拌器螺旋漿葉的角度。攪拌器攪拌作用與效率常常是影響儀器重復(fù)性的一個(gè)重要因素。

3.2 恒溫式熱量計(jì)外筒水溫的穩(wěn)定性

一般情況恒溫式量熱法中冷卻校正的計(jì)算是基于外筒水的溫度穩(wěn)定不變。對于靜態(tài)式熱量計(jì)，在實(shí)驗(yàn)中由于內(nèi)筒散熱和環(huán)境溫度的波動(dòng)，外筒水溫會(huì)緩慢變化。GB/T213[1]規(guī)定：外筒水容積應(yīng)是內(nèi)筒水容積的5倍以上。通過利用水的熱容來保持外筒水的穩(wěn)定。根據(jù)筆者的觀察，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度變化小于1 K的條件下，外筒水溫波動(dòng)不超過0.15℃。ISO1928則明確規(guī)定，從點(diǎn)火到末期結(jié)束的時(shí)間內(nèi)（約15 min）對于冷卻常數(shù)分別為0.0 020 min-1和0.0 030 min-1的熱量計(jì)，外筒溫升分別應(yīng)不超過0.16℃和0.11℃。對于周邊等溫式熱量計(jì)，該標(biāo)準(zhǔn)也明確規(guī)定外筒水溫的波動(dòng)應(yīng)控制在±0.1℃以內(nèi)。

3.3 絕熱式熱量計(jì)的絕熱性能

絕熱式量熱法要求在一次量熱實(shí)驗(yàn)中量熱體系與周圍環(huán)境之間不存在熱交換。熱量計(jì)的絕熱性能用兩個(gè)指標(biāo)來描述。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T213[1]和機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T9507[8]均規(guī)定：絕熱式熱量計(jì)平衡點(diǎn)內(nèi)筒溫度變化在5 min的平均值不超過0.0 005 K/min；在一次試驗(yàn)升溫過程中內(nèi)外筒之間的熱交換量不超過20 J。上述兩項(xiàng)指標(biāo)的檢驗(yàn)，一般使用者可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。前一項(xiàng)可結(jié)合日常實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，而后一項(xiàng)，需安排專門實(shí)驗(yàn)。檢驗(yàn)方法詳見JB/T9507[8]。

4 氧彈熱量計(jì)的整機(jī)綜合性能指標(biāo)

如果各部件都滿足上述技術(shù)要求，其整機(jī)性能應(yīng)該不成問題。但由于量熱實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，誤差因素較多，特別是自動(dòng)量熱儀，有必要對整機(jī)性能進(jìn)行檢驗(yàn)確認(rèn)。另外根據(jù)國家計(jì)量法規(guī)，氧彈熱量計(jì)是國家強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具，必須定期檢定儀器性能。

資料[3]認(rèn)為氧彈熱量計(jì)的整機(jī)綜合性能即準(zhǔn)確度用精密度、正確度和長期穩(wěn)定度三項(xiàng)指標(biāo)描述，并給出了檢驗(yàn)方法。

4.1 精密度

精密度指標(biāo)用儀器熱容量的重復(fù)性來表達(dá)。要求熟練人員按GB/T213[1]測定，計(jì)算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。如均不超過0.2%，儀器精密度合格。

4.2 正確度

通過對標(biāo)準(zhǔn)樣品測定的偏倚來評價(jià)。可分別使用0.7 g和1.3 g的標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸各測定兩次，如兩次極差小于97 J/g，其平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之差如不超過55 J/g，則認(rèn)為正確度合格。

4.3 長期穩(wěn)定度

長期穩(wěn)定度用有效期內(nèi)熱容量的漂移值來衡量。GB/T213[1]和ISO1928[4]都規(guī)定必須定期（3個(gè)月和6個(gè)月）核查熱容量。分別要求在量熱體系沒有顯著改變（指沒有更換溫度計(jì)，沒有更換熱量計(jì)主要部件、內(nèi)筒水溫終點(diǎn)溫度的變動(dòng)小于5℃）的條件下，兩次熱容量的平均值相差應(yīng)不大于0.25%和0.15%。目前，我國多數(shù)制造廠的熱量計(jì)該項(xiàng)指標(biāo)可控制在0.20%以內(nèi)。考慮國際交往需要，今后儀器熱容量的漂移值應(yīng)遵守ISO1928[4]。

5 結(jié)語

一臺合格和性能優(yōu)良的氧彈熱量計(jì)，必須滿足本文所述各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。

[1]GB/T213—1996，煤的發(fā)熱量測定方法[S].

[2]MT/T737—2007，量熱儀氧彈安全性能檢驗(yàn)規(guī)范[S].

[3]DL/T661—1999，熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測試方法[S].

[4]ISO1928：1995（E），《Solid mineral fuels-determi nation of grosscalorific vallle by the bomb calormetric method and caculation of net calorimetric value[S].

[5]JJG618—1999，高精密度玻璃水銀溫度計(jì)檢定規(guī)程[S].

[6]JG114—1999，貝克曼溫度計(jì)檢定規(guī)程[S].

[7]JJG855—1994，數(shù)字式量熱溫度計(jì)檢定規(guī)程[S].

[8]JB/T9507—1999，氧彈熱量計(jì)[S].

[9]JB/T9514—1999，數(shù)顯熱量計(jì)[S].

[10]JJG672—2001，氧彈熱量計(jì)[S].

[11]張?zhí)?氧彈熱量計(jì)準(zhǔn)確度要求及檢驗(yàn)方法[J].煤質(zhì)技術(shù)，2011(3).