蔡宇宏 王田剛 李正清 劉筱文 何 丹 陳 聯(lián) 朱建炳

(1蘭州空間技術物理研究所 蘭州 730000)(2蘭州泓瑞航天機電裝備有限公司 蘭州 730000)(3蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理國家級重點實驗室 蘭州 730000)

一種新型低溫容器綜合性能檢測儀設計及應用

蔡宇宏1,2王田剛1,2李正清1,2劉筱文1,2何 丹1,2陳 聯(lián)3朱建炳3

(1蘭州空間技術物理研究所 蘭州 730000)(2蘭州泓瑞航天機電裝備有限公司 蘭州 730000)(3蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理國家級重點實驗室 蘭州 730000)

針對低溫容器性能檢測實際需求，介紹了一種新型低溫容器綜合性能檢測儀的設計計算方法及工藝流程，并從抽真空系統(tǒng)、測量分析系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及工藝流程方面重點闡述其設計方法，最后介紹了基于此設計完成的產品及實際應用情況。

低溫容器 真空絕熱 真空度 氣體成分分析 靜態(tài)蒸發(fā)率 測量儀器

1 引 言

低溫容器是指用于存儲液氧、液氮、液氬、液化天然氣等低溫液體的壓力容器。近年來，隨著低溫技術的不斷發(fā)展進步，低溫液體應用日趨廣泛，在航天、航空、機械、電子等領域對低溫液體的需求量逐年遞增[1-2]。低溫液體的沸點通常都很低，且汽化潛熱小，日常人們所處的環(huán)境溫度比低溫液體溫度高出很多，對其貯運過程中的熱量漏入非常敏感，這對于低溫液體的貯運是一個很大的障礙，為了保存和獲得低溫液體需要付出較大代價，因此低溫液體的有效貯運具有重要的經(jīng)濟價值[3]。低溫容器就是用于實現(xiàn)這一目的關鍵手段，良好的低溫容器的綜合性能是整個低溫液體貯運和廣泛應用的前提，因此低溫容器的綜合性能檢測也就成為這個行業(yè)不可或缺的重要部分。

低溫容器屬于特種設備，制造和使用過程中的監(jiān)管歸口于特種設備檢測機構。而中國國內的特種設備檢測機構早期更多從事壓力容器的檢測工作[4]，對于低溫容器中涉及的真空、低溫、絕熱等性能檢測手段缺乏，檢測人員需要在工作中不斷摸索、積累經(jīng)驗，在實際檢測工作開展中，需要人工將多種儀器和部件按照不同檢測項目連接被檢低溫容器，檢測過程的設備啟停、閥門開閉需人工操作，數(shù)據(jù)記錄和處理更多采用人工方式，工作量大、效率低，已不能適應低溫容器的發(fā)展，迫切需要一種檢測效率高、智能化程度高、檢測項目覆蓋全的檢測方法和裝置，多個文獻[5-8]也提及中國應加強低溫容器檢測技術或儀器的研究及應用，針對上述需要，設計了一種新型低溫容器綜合性能檢測儀。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

低溫容器綜合性能檢測儀的總體設計思想是在一個以機械泵和分子泵組合作為抽空系統(tǒng)的真空平臺上，集成真空計、質譜計、標準漏孔、流量計等測試計量器件及嵌入式工控機等各物理部件。由于被檢低溫容器有移動式和固定式，這就要求整套儀器具備一定的便攜性，進而要求整套系統(tǒng)自身具備較高的集成度。系統(tǒng)組成從總體上劃分為兩大部分：檢測平臺和控制平臺。前者主要由抽真空系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、測量分析系統(tǒng)、取樣分析室、閥門及管道等組成。后者主要由嵌入式工控機、人機交互界面、控制模塊及數(shù)據(jù)采集模塊等組成。系統(tǒng)組成及工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成及工作流程Fig.1 System composition and working process

該系統(tǒng)功能配置及工作原理如下：

(1)該系統(tǒng)將低溫容器的真空度測量、漏放氣速率測量、漏率測量、靜態(tài)蒸發(fā)率測量(流量計法)和殘余氣體成分分析集成于一整套測試儀器，使用時僅需將儀器預留的檢測接口連接被檢低溫容器即可；

(2)機械泵、分子泵和取樣分析室依次相連，機械泵為分子泵的前級泵，為分子泵啟動提供前級真空預抽，分子泵對取樣分析室進行抽空，使取樣分析室維持高真空環(huán)境，進而為系統(tǒng)的測量分析提供真空環(huán)境；

(3)真空規(guī)和質譜計分別與取樣分析室連接，實現(xiàn)取樣分析室的真空度監(jiān)測和取樣氣體的成分分析；

(4)標準漏孔和另一支真空規(guī)通過閥門與被檢低溫容器連接，并通過閥門與取樣分析室連通，用于實現(xiàn)真空度和漏率測量；

(5)流量計和加熱器相連，并通過閥門與被檢低溫容器相連，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)蒸發(fā)率測量；

(6)嵌入式工控機與控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制和數(shù)據(jù)處理，同時與人機界面和數(shù)據(jù)庫連接實現(xiàn)整機的人機交互和后臺數(shù)據(jù)調用；

(7)大氣壓力計和環(huán)境溫度計分別與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊連接，用于低溫容器檢測時獲取實地氣溫和氣壓數(shù)據(jù)。

3 方案設計計算及工藝流程

3.1 抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)是檢測儀功能實現(xiàn)的前提，用于提供系統(tǒng)測量分析的真空環(huán)境。主要由機械泵、分子泵、閥門及管道組成。低溫容器性能檢測時真空機組的極限真空度至少應高于被檢件封口真空度一個數(shù)量級，不同絕熱結構和深冷介質的被檢件，其測量管路的真空度應符合表1的要求[9]。

基于以上要求及產品運行穩(wěn)定可靠性，同時考慮檢測儀的檢測對象覆蓋面，系統(tǒng)的極限壓力要達到1×10-4Pa， 目前使用單個真空泵很難滿足該指標要求，因此采用前級泵和主泵組合形式， 前級泵為主泵提供前級真空預抽，為了減少油污對測量的影響和滿足輕量化的要求，前級泵選用隔膜泵。主泵可選用分子泵，但要求分子泵的極限壓力必須優(yōu)于1×10-4Pa，同時分子泵啟動壓力即出口最大壓力也不小于前級泵的極限壓力。另外，考慮檢測儀的快速啟動，設計時在前級泵和主泵之間接入自動控制閥門。完成一次檢測后，在關閉前級泵之前先關閉閥門，從而避免系統(tǒng)內真空部件的污染和縮短下一次檢測時真空管道抽空時間。

表1 測量管路真空度要求[9]Table 1 Measuring tube vacuum degree requirements[9]

3.2 測量分析系統(tǒng)

測量分析系統(tǒng)是檢測儀實現(xiàn)檢測項目測量的核心模塊，其功能是完成被檢低溫容器的真空度測量、漏率測量、靜態(tài)蒸發(fā)率測量和殘余氣體成分分析。主要由取樣分析室、質譜計、標準漏孔、流量計、加熱器、真空規(guī)、閥門及管道組成。

在考慮系統(tǒng)集成化、小型化基礎上，取樣分析室采用圓柱形設計，連通結構為5通形式。與分子泵通過ISO-K法蘭連接，并采用4個M8卡鉗提供鎖緊預緊力，與質譜計通過CF型法蘭連接，另外3個接口均為KF接口，分別與真空規(guī)和閥門連接，材料為選用304不銹鋼，如圖2所示。

圖2 取樣分析室設計模型圖Fig.2 Sampling and analysis chamber design model

設計時需根據(jù)使用條件對壁厚進行校核計算，由于連接接口均采用ISO-K、CF和KF真空標準件，因此僅需對圓柱筒體的厚度進行核算。圓柱筒體壁面厚度按照公式(1)設計計算：

(1)

式中：p為許用外壓力，MPa，要求不小于101 325 Pa；B為外壓應力系數(shù)，MPa，取B=110 MPa；Do為圓筒外直徑，mm，設計Do=78 mm；δe為圓筒的有效厚度，mm，設計δe=2 mm；帶入?yún)?shù)求得[p]=2.821 MPa，滿足設計要求。

圓柱筒體頂蓋厚度按照式(2)設計計算：

(2)

式中：δp為圓形平蓋的厚度，mm；Dc為平蓋計算直徑，mm，設計Dc=74 mm；K為結構特征系數(shù)，取K=0.5；pc為容器外壓壓力，MPa，要求不小于101 325 Pa；[σ]t為許用應力，MPa，取[σ]t=114 MPa；φ為焊縫系數(shù)，取φ=0.85；帶入?yún)?shù)求得δp≥1.692 mm，考慮設計余量，也選用2 mm厚的板材即可滿足要求。

質譜計在該系統(tǒng)中的主要功能是進行殘余氣體成分分析和漏率測量。質譜計選型設計中要滿足測量分子量范圍，該設計選用測量氣體范圍1—100 amu。若有特殊用途分子量不滿足要求，可選用1—200 amu甚至1—300 amu。質譜計通過CF法蘭與取樣分析室連接，因此質譜計的最大工作壓力必須大于抽真空系統(tǒng)提供的真空度。另外，在漏率測量中，質譜計和標準漏孔須配合工作，該設計中，綜合考慮儀器的測試精度和成本，選用漏率為5×10-8Pa·m3/s的標準漏孔。

流量計的功能是在靜態(tài)蒸發(fā)率測量中記錄氣體的蒸發(fā)量。一般情況，流量計的入口低溫許用溫度有限，因此在設計時一方面選用入口低溫溫度較低的流量計，另一方面應在入口處配合加熱器使用，從而確保蒸發(fā)介質進入流量計的溫度在流量計的許用溫度范圍內。另外，真空規(guī)由于是重要計量部件之一，選用時需綜合考慮精度、測量范圍、復現(xiàn)誤差、工作可靠性和成本等因素。

3.3 環(huán)境檢測系統(tǒng)

環(huán)境檢測系統(tǒng)主要功能是采集和記錄測試時的實地氣溫和氣壓數(shù)據(jù)。主要包括環(huán)境溫度計和大氣壓力計。由于低溫容器真空度測量和靜態(tài)蒸發(fā)率測量中，環(huán)境溫度和實地氣壓對測量結果有較大影響，其數(shù)據(jù)計算處理中須獲得實地溫度和氣壓數(shù)據(jù)。目前，環(huán)境溫度計和大氣壓力計的生產廠商較多，技術也較為成熟，在選型設計時中僅需考慮精度、使用范圍和品質等因素滿足實際使用要求即可，不再展開討論其選型設計過程。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是檢測儀實現(xiàn)自動化的前提，是保證性能測試正常進行的關鍵?？刂葡到y(tǒng)一方面要對系統(tǒng)內各部件實施控制信號，根據(jù)測試項目的不同完成工藝流程的自動化實現(xiàn)。另一方面，要對內部部件的狀態(tài)進行監(jiān)測并采集測量相關信號輸出?？刂葡到y(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Principle block diagram of control system

控制系統(tǒng)的軟件是依據(jù)檢測項目的工藝流程進行設計，人機界面基于WinCE編寫，負責控制工控機工作、監(jiān)測工作狀態(tài)及記錄采集測量數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測實際需要和主要功能，人機界面的結構設計如圖4所示。

圖4 人機界面結構圖Fig.4 Man-machine interface structure

3.5 工藝流程

低溫容器綜合性能檢測儀以抽真空系統(tǒng)提供的真空平臺上，實現(xiàn)被檢低溫容器的綜合性能檢測，檢測項目廣、自動化程度高，圖5為系統(tǒng)工藝流程圖。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Process flow diagram

系統(tǒng)上電后首先進入儀器自檢工藝流程，自檢工藝流程主要功能是確定儀器和系統(tǒng)的連接是否可靠，是否滿足測試環(huán)境要求。首先啟動機械泵、真空規(guī)及相關閥門，由機械泵進行粗真空抽空，機械泵運行5分鐘后進行真空度數(shù)值判斷，如未達到分子泵啟動壓力要求，需進行系統(tǒng)檢查。首先關閉連接被檢件閥門繼續(xù)運行2分鐘，如還未達到要求則停機檢查儀器真空管路接口，排查處理后重新啟動。如2分鐘后能夠到達啟動壓力要求，則進行被檢件管路檢查，如連接不可靠須停機進行排查處理后重新啟動。如連接可靠此時可返回主工藝流程進入下一步啟動分子泵進行高真空抽空。啟動分子泵后的30分鐘內判斷真空度是否達到測試要求(不大于1.0×10-3Pa，)如未達到要求，須進行系統(tǒng)檢查，首先關閉連接被檢件閥門繼續(xù)運行5分鐘，如還未達到要求則要求停機處理儀器真空管路后重新啟動。如能夠到達測試要求范圍，則進行被檢件真空管路連接檢查，連接不可靠需重新安裝后啟動，連接可靠則開啟連接被檢件閥門進入檢測項目的測量。在人機交互界面選擇檢測項目，儀器自動完成被檢件檢測項目測量，給出測量結果，檢測完畢后關機結束。

4 優(yōu)點及應用

低溫容器綜合性能檢測儀通過對低溫容器綜合性能的檢測，可檢驗出低溫容器實際的綜合性能情況，確保低溫容器的使用安全。具有以下優(yōu)點：

(1)可對被檢低溫容器進行真空度測量、漏率測量、漏放氣速率測量、殘余氣體成分分析和靜態(tài)蒸發(fā)率測量，檢測內容豐富、全面；

(2)將智能化控制模塊嵌入儀器的整體系統(tǒng)流程中，實現(xiàn)檢測項目的自動連鎖響應，智能化程度高；

(3)將傳統(tǒng)方法需要一系列專業(yè)、復雜的測試設備完成的測試工作進行有效整合，壓縮現(xiàn)場測試設備，優(yōu)化測試流程，采用一體化設計，集成由一臺專用測試儀器完成，集成度高、人機功效合理；

(4)產品性能經(jīng)國家低溫容器質量監(jiān)督檢驗中心測試，且主要測試部件經(jīng)國防科技工業(yè)真空一級計量站鑒定校準，從而確保了儀器測量誤差及性能指標符合GB/T18443等標準的要求；

(5)與傳統(tǒng)方法操作過程中需要根據(jù)計量部件數(shù)據(jù)對儀器進行進一步操作相比，檢測儀的操作由系統(tǒng)嵌入的工藝流程實時對測試數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并作出動作響應，實現(xiàn)了檢測實時化。

低溫容器綜合性能檢測儀可對低溫容器的夾層真空度、漏率、漏放氣速率和殘余氣體成分分析。目前，該檢測儀已作為國家低溫容器質檢中心的應用測試設備，已實現(xiàn)甘肅、山東和山西等地的產品銷售，并為多地低溫容器生產單位提供了產品評價測試服務。2015年1月29日，該檢測儀產品通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會移動式壓力容器分技術委員會在無錫市召開的產品鑒定會，專家組給出的產品鑒定結果為：產品測試性能和精度符合國內相關標準的要求，綜合性能達到國內領先水平。該檢測儀可用于低溫容器行業(yè)中所使用到的各種低溫容器，包括固定式和移動式低溫絕熱壓力貯罐、低溫絕熱氣瓶、低溫絕熱管道等在使用過程中的性能檢測，確保此類產品使用過程的產品安全和人身安全。此外，還可用于低溫容器生產過程中的批量檢驗工作，從生產源頭提高產品質量，保證產品安全。

5 結 論

設計的一種新型低溫容器綜合性能檢測儀實現(xiàn)了對低溫容器的的夾層真空度、漏率、漏放氣速率靜態(tài)蒸發(fā)率測量(流量計法)和殘余氣體成分分析，解決了低溫容器實際檢測困難，降低了檢測工作強度，節(jié)省了人力和時間，提高了檢測效率。在低溫容器性能檢測方面，相比傳統(tǒng)方法具有一定的優(yōu)勢。

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Design and application of a new comprehensive performance surveymeter for cryogenic vessels

Cai Yuhong1,2Wang Tiangang1,2Li Zhengqing1,2Liu Xiaowen1,2He Dan1,2Chen Lian3Zhu Jianbing3

(1Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)(2Lanzhou Hongrui Aerospace Mechanical And Electrical Equipment Co.Ltd,Lanzhou 730000,China)(3Science and Technology on Vacuum&Cryogenics Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

In view of the actual performance testing demand of the cryogenic vessels, a new comprehensive performance survey meter was designed. The calculation method and process design were introduced, focusing on the vacuum pumping system, measurement and analysis system, environmental monitoring system and control system. Besides, the application of the product originated from this design was presented.

cryogenic vessels；vacuum insulation；vacuum degree；gas composition analysis；static evaporation rate；measuring instrument

2015-04-28；

2016-01-05

2013年度中國航天科技集團公司五院航天技術應用產業(yè)產品孵化項目：“便攜式低溫容器真空性能綜合測試儀”、2014年度甘肅省工業(yè)和信息化發(fā)展專項資金項目：“真空絕熱容器綜合性能在線檢測儀”。

蔡宇宏，男，32歲，碩士、工程師。

TB658

A

1000-6516(2016)02-0032-06