氣瓶外測法水壓試驗用校準瓶標定系統的研制與應用

戴行濤

（大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院，遼寧 大連 116013）

氣瓶水壓試驗是對氣瓶質量進行全面檢驗的綜合性試驗，可檢驗氣瓶是否滿足常規設計的強度要求，并在一定程度上預防氣瓶低應力破壞的一種切實可行的非破壞性試驗。國內外普遍采用外測法進行氣瓶水壓試驗。外測法水壓試驗系統應經校準瓶校驗合格后才能使用[1]。校準瓶是用以校正和檢驗氣瓶水壓試驗裝置是否準確的專用氣瓶，除可用于檢查試驗系統是否泄漏，還可核實和證明試驗系統準確性和完整性，校準瓶應當經標定后才能使用[2]。

美國是校準瓶的主要生產國和出口國，我國大部分氣瓶制造廠、水壓試驗設備廠和氣瓶檢驗站基本都是從美國購買校準瓶，價格相對較高，其校準瓶首次標定由相應的制造廠進行。國內只有北京天海、成都格瑞特和中材科技（蘇州）等少數幾家在生產校準瓶，隨著國內氣瓶檢驗市場的逐步放開，國內生產校準瓶的制造廠會逐漸增加，校準瓶出廠標定成為了各制造廠的迫切需求。

此外，在用的校準瓶種類、規格繁多，存在出身不明無法考證、沿用至今原有標定數據失真、標定證書丟失無法使用、帶有缺陷數據產生偏離等等一系列不同問題，進而導致水壓試驗可能不合格的氣瓶流入社會投放使用或繼續使用，為氣瓶的安全帶來隱患，一旦發生事故，將造成不可挽回的嚴重后果。

保證氣瓶水壓試驗數據準確的前提就是要保證校準瓶的準確性。這就需要有資質的相關機構，利用經過認證的專用標定系統，在經有關部門或協會備案的相關技術性文件的指導下，對校準瓶進行標定，以此來確保校準瓶的準確性。所開發的校準瓶校準系統除滿足國外以 psi單位計量壓力外，還要滿足中國國家標準，以MPa單位計量壓力。

1 方案與流程

校準瓶是用于證明水壓試驗設備完整性、確認試驗壓力和膨脹水量精確度而派生的二次標準[3]。校準瓶經標定后，在標定壓力下不再產生永久膨脹。校準瓶的容積彈性膨脹量讀數必須是可重復的，標定過程的標定壓力和容積彈性膨脹量的精確度必須是可追溯到的。校準瓶的標定過程實際是量值溯源的過程，是高精度校驗低精度的過程[4]。所以校準瓶標定系統的關鍵就是保證壓力和容積膨脹量測量裝置的精度等級，保證壓力的精確控制，保證容積彈性膨脹量測量和水套系統水量回“0”的精確性、重復性和穩定性，同時應綜合考慮其他影響試驗結果的因素，加以消除或改進。基于上述要求，設計流程如圖1[5-7]。

該流程具有下列特點：

（1）采用氣驅液壓泵作為主要壓力源，其優點是通過手動壓力控制閥或氣控閥可以調節升壓速率，使其以不大于 1%標定壓力的速率緩慢升壓至預設壓力，長期保壓而不消耗能量，保壓時介質不會產生過熱現象。

（2）采用手動微調壓力源進行精確的壓力控制，使其可以基本保證與標定壓力±2 psi的誤差范圍，這樣可以避免由于標定壓力本身誤差造成的容積彈性膨脹量的不準確或者是較大誤差。

（3）采用高精度雙單位（MPa和psi）壓力測量系統精確測量壓力信號，測量精度達到了0.01級，該精度高于GB/T9251-2011中規定的0.25級要求。

（4）水套密封形式采用法蘭結構，密封結構簡單，密封效果突出。

（5）采用高精度電子天平對校準瓶容積彈性膨脹量進行測量，最小顯示精度達到0.01 g，該精度高于GB/T9251-2011中規定的0.1 g。

（6）在水套套筒上加裝爆破片裝置，能夠有效預防標定過程中校準瓶突然爆破失效造成的安全威脅。

圖1 試驗裝置流程圖

2 關鍵硬件計算與選型

表1 關鍵硬件計算的設計取值

根據表1所列的技術參數，計算一次加壓需要壓入校準瓶的水量[1]。計算管道內徑和管道壁厚[8]，根據計算值選擇規格為 ?6×1.5的不銹鋼管。計算管路系統和液壓閥的壓力損失，確定泵的最大工作壓力，計算泵的輸出流量，根據計算求得的最大工作壓力和泵的流量選取泵的型式和規格。

根據上述流程原理圖，選擇M系列氣驅液泵，其額定排出壓力為130 MPa，流量為0.48 L/min，壓力比為1:130。當泵出口壓力升高時，泵會減速運行，并對差動活塞產生一定的阻力。該泵為單作用單氣動泵，驅動空氣壓力最大1 MPa。用電磁二位二通控制氣驅泵的運行，控制信號計量，方便在設定的壓力下控制氣驅泵的開、停。

水壓系統的閥門采用密封可靠的手動高壓針閥，任意壓力下保壓，都不泄露。

壓力精確控制采用手動微調壓力源，利用細牙螺紋軸可以微調以獲得任何所需壓力，依靠操縱桿旋轉進給，調整柱塞的行程，最大排量為10 mL，每轉可以達到0.3 mL，精度等級達到0.01級。

測量容積彈性膨脹量選用高精度多功能電子天平，配置RS-232C接口，可以實現實時數據輸出或打印。最大稱量3 200 g ,最小顯示精度0.01 g。

水套設計應考慮校準瓶的容積要求和機械強度要求，保障試驗的安全性[7]。本裝置水套由不銹鋼鋼板制成直圓桶形，端蓋密封形式采用法蘭結構，進行試驗時將校準瓶垂直吊在托盤上，以減少對瓶體環向應力的影響，并可適應直徑350 mm以下和長度1.5 m以下的校準瓶。水套的安裝方式為一半高度在地下，另一半在地上，采用這樣設計降低了對氣瓶的吊裝高度，有利于試驗操作。

水箱為自制的全密閉、由不銹鋼板焊接制成的常壓容器，主要用途為儲水，兼有平衡水溫等功效。水箱上設置有液溫液位儀、鉑電阻熱電偶、放水塞、回水管等器件。鉑電阻熱電偶用于測量和監控水箱內水溫。

測量、控制硬件主要包括高性能計算機、數據采集模塊、壓力測量系統、容積彈性膨脹量測量系統、溫度測量儀表等。采用的數據采集模塊，具有多通道數據采集接口和多路模擬量輸出端口，分別用于壓力、水量信號的采集和電磁閥的控制。A/D板卡自帶驅動程序，正確安裝在工控機上，可以直接使用VB流函數對數據輸入輸出進行控制[9]。

壓力測量系統包括高精度雙單位壓力表、數字式壓力表和壓力傳感器，測量精度達到了0.01級。溫度測量儀表主要包括一體化溫度傳感器、溫濕度計等，用于測量和監控水套內水溫和環境溫度，精度達到0.1 ℃。容積彈性膨脹量測量系統如前述。

3 軟件設計

整個軟件系統需要采集一個壓力信號、一個容積彈性膨脹量（電子天平）信號和一個水套內水溫信號。根據采集來的壓力信號，系統操縱氣動閥實現升壓過程，再利用手動微調壓力系統精確控制壓力至標定壓力，并實現保壓過程。然后通過手動泄壓閥實現泄壓過程，在這個過程中采集校準瓶膨脹排出的水量，即容積彈性膨脹量，并實時顯示、記錄、保存全過程曲線和數據，真實顯示壓力-時間-容積彈性膨脹量一一對應的關系。通過不同壓力等級的試驗后，得到待標定校準瓶在不同壓力下容積彈性膨脹量數據。

校準瓶標定系統測控軟件是專門研制開發的一套綜合軟件系統，能夠實現信號的采集，數據的存儲、記錄和分析，硬件工作狀態的實時監視，標定系統的自動控制和緊急情況處理等多項功能。軟件采用Visual B語言編寫，能夠運行在包括Windows 95/98/Me/XP系統之上，具有操作方便，圖形顯示，界面友好等特點[9]。

4 驗證與應用

用1只已知標定數據的校準瓶對標定系統進行試驗驗證，該校準瓶主要參數如表2。

表2 已知標定數據的校準瓶主要參數

在相同的溫度、水質等條件下，按照標定方法[10]，對已知標定數據的校準瓶，用所研制的標定系統分別對各標定壓力點P進行標定，每個壓力點進行兩次有效標定，記錄每個壓力點對應的容積彈性膨脹量V，分析實測數據與原有數據的壓力值誤差tP1、tP2，分析實測容積彈性膨脹量值與原有數據的誤差tV1、tV2，分析了2次標定數據之間的相對誤差tP1,2、tV1,2和總誤差t1,2（t1,2=tV1,2-tP1,2）。對實測數據平均值按四舍五入法[10]進行了取值（P′和V′），并與校準瓶原有標定數據進行比較，分析了實測容積彈性膨脹量取值和原有標定數據的相對誤差t。分析和比較結果如表3。

表3 實測數據和原有標定數據的分析和比較

從表3各項數據中可以看出：

（1）兩次標定數據中實測容積彈性膨脹量都在原有標定數據的允差±1%范圍內，且最大誤差只有0.34%；

（2）兩次標定數據中實測容積彈性膨脹量的總誤差t1,2都小于0.2%，滿足標定方法[10]中±0.5%的重復性和穩定性要求。

（3）壓力的控制誤差tP1、tP2滿足壓力精度0.1級的要求，且最大偏離未超過2 psi； 從tP1,2、tV1,2的數據可以看出系統壓力控制的穩定性也非常好。

（4）對實測數據平均值按四舍五入法[10]取值后的標定數據與原有標定數據的最大誤差為 0.31%，也在允差±1%范圍內。

用1只由某公司生產的校準瓶對標定系統進行了實際應用。待校準瓶主要參數如表4。

表4 待校準瓶主要參數

按照標定方法[10]在溫度為 19 ℃條件下對校準瓶各壓力點進行標定，每個壓力點進行3次有效標定。標定數據如表5。

表5 待校準瓶標定數據

通過驗證和實際應用標定數據tP、tV可以看出標定系統壓力控制精度和容積彈性膨脹量的重復性誤差都保持了很高的精度。

綜上，研制的標定系統達到了預定目標，通過了專家驗證，能夠完全滿足校準瓶標定的要求。

5 結 語

所開發的校準瓶標定系統，具有壓力范圍大、壓力調整與膨脹水計量準確、壓力調整方便等特點，標定系統能夠滿足國內氣瓶行業校準瓶標定的需求，能夠為法規、標準的順利實施提供技術保障，能夠為校準瓶制造廠和氣瓶檢驗站提供可靠的質量保證，進而提高國內同行業的國際競爭力。

[1]GB9251-2011，氣瓶水壓試驗方法[S].

[2]TSG R0006-2014，氣瓶安全技術監察規程[S].

[3]CGA C-1-2009，Methods For Pressure Testing Compressed Gas Cylinders[S].

[4]陽再山, 李衛成, 鄭林. 標準鋼瓶標定試驗及全變形值計算探討[J].礦業安全與環保, 2005 (1): 40-41.

[5]奚曉明. 基于計算機控制的氣瓶水壓試驗裝置的研制[D]. 上海:華東理工大學, 2006.

[6]趙志剛. 氣瓶水壓試驗測控系統的構建與研究[D]. 上海: 華東理工大學, 2008.

[7]王震, 史定國. 氣瓶外測法水壓試驗裝置的研制[J]. 壓力容器, 2005(1): 51-53.

[8]聞邦椿. 機械設計手冊（第五版）[M]. 北京: 機械工業出版社 , 2010.

[9]周一卉, 由宏新, 劉潤杰, 等. 微機測控高壓氣瓶疲勞試驗裝置研制[J]. 壓力容器, 2005 (02): 45-47.

[10]Q/DGJ02-2015，氣瓶外測法水壓試驗用校準瓶標定方法 [S].