核工業用高壓釜溫度測試方法

余澤利， 房永強， 白新房,， 余 森， 張曙香， 段 管

(1. 西安漢唐分析檢測有限公司， 陜西 西安 710201； 2. 西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)

高壓釜[1]由本體、高壓釜釜蓋、加熱器、安全爆破裝置、冷卻裝置、電控柜、升降裝置等部分組成，高壓釜系氣-液、液-液、液-固或氣-液-固三相化工物料進行化學反應的攪拌反應裝置，可使各種化工物料在較高的壓力和溫度下充分攪拌，以強化傳質和傳熱過程。

在有色金屬行業，高壓釜主要用于腐蝕試驗，廣泛應用于核工業領域，核工業鋯鉿材腐蝕性能檢測時，試驗溫度的準確性對檢測結果具有很大影響，高壓釜內為高壓水或高壓水蒸汽，需要在高壓條件下確認高壓釜內溫度是否滿足腐蝕試驗要求，因此高壓釜溫度校準是腐蝕試驗前重要的準備工作，是保障鋯鉿材腐蝕性能檢測數據準確、可靠性的重要基礎。

目前，國內尚無腐蝕試驗用高壓釜有效加熱區校準方法的研究及報道，僅見高壓釜檢測方法相關研究[2-3]，目前高壓釜校準主要是參照GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區測定方法》和HB 5425—2012《航空制件熱處理爐有效加熱區測定方法》進行，存在測不了、測不全、測不準等諸多問題，為了保證鋯鉿材腐蝕試驗用高壓釜性能準確可靠，本文設計了一種在線校準裝置，對高壓釜溫度均勻性[4-6]、軸向溫度場、徑向溫度場進行了校準，確定了高壓釜有效加熱區[7-8]大小，分析了高壓釜溫度均勻性測量結果不確定度來源，確定了其不確定度評定方法，采用多家實驗室比對法驗證了校準結果的可靠性。

1 校準裝置設計

本文設計的高壓釜校準裝置[9-10](見圖1)，主要是通過在高壓釜釜蓋上設置測溫孔和測溫管，測溫管的一端與測溫孔連通，測溫管的另一端伸入高壓釜腔體內，測溫管伸入高壓釜腔體內的一端設置有密封板，密封板與測溫管一體加工成型，密封板與高壓釜腔體底部之間的距離為1～2 cm，相鄰兩個偏心測溫孔與中心測溫孔的孔距差值等于第一偏心測溫孔與中心測溫孔的孔距，相鄰兩個偏心測溫孔的中心與中心測溫孔的中心連線成90°夾角，通過設置中心測溫孔和多個偏心測溫孔(見圖1(b))，實現高壓釜軸向、徑向全范圍溫度場的校準，操作簡便，使用效果好。

圖1 高壓釜校準裝置結構示意圖

2 試驗方案設計

2.1 試驗條件

根據GB/T 33690—2017《煤炭液化反應性的高壓釜試驗方法》和ASTM G2/G2M-2019Standardtestmethodforcorrosiontestingofproductsofzirconium,hafnium,andtheiralloysinwaterat680℉(360℃)orinsteamat750℉(400℃)中對腐蝕介質的要求，選擇A級水(pH為5.0～8.0，電阻系數不小于1.0 MΩ·cm)或氫氧化鋰溶液作為試驗介質，環境條件控制在(23±5) ℃，濕度≤85%RH，測量標準器選擇鉑電阻，測量范圍-198～600 ℃，準確度等級不低于C級，多通道數據采集器不低于0.02級。

2.2 試驗方法

2.2.1 校準點選擇

根據客戶使用要求選擇實際的常用溫度，也可以選擇推薦的校準溫度：335 ℃(水腐蝕)，360 ℃(水腐蝕或氫氧化鋰溶液)，400 ℃ (蒸汽腐蝕)，500 ℃ (蒸汽腐蝕)。

2.2.2 校準點數量和位置

校準點的位置和數量根據高壓釜爐膛尺寸確定，具體如圖2所示。采用直插法進行測溫時，軸向各層間隔L/4不超過100 mm，相鄰鉑電阻徑向間隔D/8不超過50 mm。

圖2 校準點數量和鉑電阻位置

2.2.3 試驗方法

選擇腐蝕試驗介質在空載條件下進行試驗，采用直插法和截面法相結合，測量高壓釜溫度均勻性、軸向溫度場、徑向溫度場、溫度穩定度。

將鉑電阻插入校準裝置測溫管底部，標記鉑電阻初始位置，以常用的升溫速度升溫檢測，當達到設定溫度并穩定30 min后，每隔1 min記錄1次，至少測量10 min，將各鉑電阻標記的初始位置沿著爐膛軸向方向移動L/4，穩定5 min后，每隔1 min記錄1次，至少測量10 min，直至移動到高壓釜爐膛頂部為止。

2.3 數據處理

2.3.1 溫度均勻性

高壓釜內各層測溫點上測得的實際溫度按照公式(1) 計算，各測溫點每次測量的實際溫度按照公式(2) 計算。

(1)

tPm=tij+txj

(2)

式中：tPn為測得各個測溫點實際溫度，℃；tPm為測得各個測溫點第i次測量的實際溫度，℃；m為測量次數，次；tij為第j個測溫點的瞬時溫度值，℃；txj為鉑電阻在第j個測溫點的修正值，℃。

測溫區內各測溫點上，測得的最高、最低實際溫度(讀數平均值+修正值)分別與高壓釜爐膛幾何中心點實際溫度之差為溫度均勻性，按公式(3)、(4)計算。

Δθ+=tpmax-tp

(3)

Δθ-=tpmin-tp

(4)

式中：Δθ+，Δθ-為高壓釜溫度均勻性，℃；tpmax為式(1)求得各層測溫點實際溫度的最大值，℃；tpmin為式(1)求得各層測溫點實際溫度的最小值，℃；tp為高壓釜設定的校準溫度，℃。

2.3.2 軸向溫度場

按式(2)計算實際溫度，求得各鉑電阻在測溫區內相鄰兩橫截面上同一軸線上任意兩點溫差絕對值的最大值作為軸向溫度場，按公式(5)進行計算。

Δ軸向=max{tk(n+1)-tkn}

(5)

式中：Δ軸向為鉑電阻k在橫截面n和橫截面n+1上m次測量的實際溫度最大差值，℃；tk(n+1)為鉑電阻k在橫截面n+1上m次測量的最高實際溫度或最低實際溫度，℃；tkn為鉑電阻k在橫截面n上m次測量的最高實際溫度或最低實際溫度，℃；k為鉑電阻編號，k= 1，2，3，4……。

2.3.3 徑向溫度場

按式(2)計算實際溫度，求得各鉑電阻在測溫區內同一截面沿著半徑方向上任意兩相鄰測溫點的溫差絕對值的最大值，按公式(6)進行計算。

Δ徑向=max{t(k+1)n-tkn}

(6)

式中：Δ徑向為鉑電阻k和鉑電阻k+1在橫截面n上m次測量的實際溫度最大差值，℃；t(k+1)n為鉑電阻k+1在橫截面n上m次測量的最高實際溫度或最低實際溫度，℃；tkn為鉑電阻k在橫截面n上m次測量的最高實際溫度或最低實際溫度，℃。

2.3.4 溫度穩定度

測溫儀器在高壓釜爐膛幾何中心點測得的最高實際溫度和最低實際溫度(讀數+修正值)之差作為溫度穩定度，按公式(7)進行計算。

δ=t0,max-t0,min

(7)

式中：δ為高壓釜溫度穩定度，℃；t0,max為鉑電阻在爐膛幾何中心點測得的最高實際溫度，℃；t0,min為鉑電阻在爐膛幾何中心點測得的最低實際溫度，℃。

3 試驗

3.1 試驗準備

選擇一臺鋯鉿材腐蝕試驗用高壓釜，爐膛直徑φ200 mm，爐膛高度450 mm，精度為±6 ℃，校準裝置各測溫管距高壓釜腔體底部20 mm，以A級水作為試驗介質，試驗在空載條件下進行，校準點選擇 400 ℃，軸向各層間隔為100 mm，相鄰鉑電阻徑向間隔為25 mm。

測溫儀器選擇FLUKE型號為1586A多通道數據采集器，準確度等級為0.02級，傳感器選擇PT100鉑電阻，測量范圍0～600 ℃，準確度等級為B級，數量5根。

3.2 試驗結果

根據2.2小節對高壓釜進行校準，由2.3節中公式(1)和公式(2)計算各層各個測溫點實際溫度和各個測溫點第i次測量的實際溫度，并篩選出各個測溫點m次測量的最高實際溫度和最低實際溫度，試驗結果見表1。

表1 高壓釜試驗結果(℃)

表3 高壓釜徑向溫度場計算結果(℃)

4 溫度均勻性測量結果不確定度分析

4.1 數學模型

被校高壓釜溫度均勻性的數學模型如公式(3)和(4)所示，由于輸入量各分量彼此之間相互獨立不相關，則被校高壓釜示值誤差的合成標準不確定度為：

uc2(Δθ+)=c12u2(tpmax)+c22u2(tp)

(8)

uc2(Δθ-)=c32u2(tpmin)+c42u2(tp)

(9)

求得靈敏系數：

4.2 不確定度來源分析

高壓釜爐溫均勻性測量結果不確定度主要來源于[11-12]：①被校高壓釜的示值測量重復性引入的標準不確定度分量；②Pt100鉑電阻修正值引入的標準不確定度分量；③多通道數據采集器引入的標準不確定度分量。

4.2.1 測量重復性引入的標準不確定度分量

高壓釜校準溫度為400 ℃，由表1可知，測溫區內實際溫度的最大值在1層002號鉑電阻位置取得，測溫區內實際溫度的最小值在5層005號鉑電阻位置取得，對這兩個測溫點各重復測量10次，用貝塞爾公式求得最高測溫點試驗標準偏差s1=0.32 ℃，最低測溫點試驗標準偏差s2=0.10 ℃，實際測量中，取10次平均值作為測量結果，則最高測溫點測量重復性引入的標準不確定度為：

最低測溫點測量重復性引入的標準不確定度為：

4.2.2 Pt100鉑電阻修正值引入的標準不確定度分量

由校準證書可知，溫度為400 ℃時，002號鉑電阻修正值擴展不確定度U=0.6 ℃，k=2; 005號鉑電阻修正值擴展不確定度U=0.7 ℃，k=2;，則Pt100鉑電阻修正值引入的標準不確定度分量為：

4.2.3 多通道數據采集器引入的標準不確定度分量

由校準證書可知，多通道數據采集器擴展不確定度U=0.03 ℃，k=2，則多通道數據采集器引入的標準不確定度分量為：

4.2.4 輸入量tpmax引入的標準不確定度分量

輸入量tpmax引入的標準不確定度主要包含最高測溫點測量重復性引入的標準不確定度分量、002號鉑電阻修正值引入標準不確定度分量、多通道數據采集器引入的標準不確定度分量，由于輸入量各分量彼此之間相互獨立不相關，根據不確定度傳播規律可知，輸入量tpmax引入的標準不確定度分量為：

4.2.5 輸入量tpmin引入的標準不確定度分量

輸入量tpmin引入的標準不確定度主要包含最低測溫點測量重復性引入的標準不確定度分量、005號鉑電阻修正值引入標準不確定度分量、多通道數據采集器引入的標準不確定度分量，由于輸入量各分量彼此之間相互獨立不相關，根據不確定度傳播規律可知，輸入量tpmin引入的標準不確定度分量為：

4.2.6 輸入量tp引入的標準不確定度分量

由公式(3)和公式(4)可知，tp為高壓釜設定的校準溫度，為固定不變值，故輸入量tp引入的標準不確定度分量u(tp)=0 ℃。

4.3 標準不確定度匯總

高壓釜溫度均勻性Δθ+中各輸入量標準不確定度分量匯總見表4，Δθ-中各輸入量標準不確定度分量匯總見表5。

表4 Δθ+標準不確定度分量匯總

表5 Δθ-標準不確定度分量匯總

4.4 合成標準不確定度

由于輸入量各分量彼此之間相互獨立不相關，將表4和表5中的數據代入公式(8)和公式(9)可得：

4.5 擴展不確定度和結果的表達

取包含因子k=2，則被校高壓釜爐溫度均勻性的擴展不確定度為：

U=k×uc(Δ)

因此400 ℃高壓釜溫度均勻性結果表達式為：

Δθ+=1.9 ℃，U=0.6 ℃，k=2；

Δθ-=-2.8 ℃，U=0.7 ℃，k=2

5 試驗結果驗證

采用多家實驗室比對法對試驗結果進行驗證[13]，邀請2家同等級的技術機構，用相同的測試方法對同一臺高壓釜進行校準，校準溫度為400 ℃，校準結果見表6。

表6 3家技術機構的校準結果

根據JJF 1033—2016《計量標準考核規范》中比對法的要求，選擇算術平均值作為參考值，則校準結果應滿足公式(10)的要求。

(10)

6 結論

本文針對高壓釜校準存在測不了、測不全、測不準的問題，設計了一種高壓釜校準裝置，通過現場試驗和其他同等級技術機構比對，得出以下結論：

1) 該裝置由高壓釜釜蓋、測溫管、測溫孔等組成，解決了高壓釜校準時無法保證密封性的難題，實現了高溫高壓下溫度在線校準，本裝置設計合理、實用性強。

2) 采用比對法進行校準結果驗證，比對結果為滿意，說明本文設計的試驗方案合理可行，不確定度評定方法準確可靠，滿足生產需求，可為高壓釜在線校準提供技術支撐。

3) 高壓釜400 ℃溫度均勻性測試結果為：

Δθ+=(1.9±0.6)℃，k=2；

Δθ-=(-2.8±0.7)℃，k=2