余澤利， 房永強(qiáng)， 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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的攪拌反應(yīng)裝置，可使各種化工物料在較高的壓力和溫度下充分?jǐn)嚢?，以?qiáng)化傳質(zhì)和傳熱過程。

在有色金屬行業(yè)，高壓釜主要用于腐蝕試驗，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域，核工業(yè)鋯鉿材腐蝕性能檢測時，試驗溫度的準(zhǔn)確性對檢測結(jié)果具有很大影響，高壓釜內(nèi)為高壓水或高壓水蒸汽，需要在高壓條件下確認(rèn)高壓釜內(nèi)溫度是否滿足腐蝕試驗要求，因此高壓釜溫度校準(zhǔn)是腐蝕試驗前重要的準(zhǔn)備工作，是保障鋯鉿材腐蝕性能檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性的重要基礎(chǔ)。

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

1 校準(zhǔn)裝置設(shè)計

本文設(shè)計的高壓釜校準(zhǔn)裝置[9-10](見圖1)，主要是通過在高壓釜釜蓋上設(shè)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(nèi)，測溫管伸入高壓釜腔體內(nèi)的一端設(shè)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(shè)置中心測溫孔和多個偏心測溫孔(見圖1(b))，實(shí)現(xiàn)高壓釜軸向、徑向全范圍溫度場的校準(zhǔn)，操作簡便，使用效果好。

圖1 高壓釜校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗條件

根據(jù)GB/T 33690—2017《煤炭液化反應(yīng)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(zhì)的要求，選擇A級水(pH為5.0～8.0，電阻系數(shù)不小于1.0 MΩ·cm)或氫氧化鋰溶液作為試驗介質(zhì)，環(huán)境條件控制在(23±5) ℃，濕度≤85%RH，測量標(biāo)準(zhǔn)器選擇鉑電阻，測量范圍-198～600 ℃，準(zhǔn)確度等級不低于C級，多通道數(shù)據(jù)采集器不低于0.02級。

2.2 試驗方法

2.2.1 校準(zhǔn)點(diǎn)選擇

根據(jù)客戶使用要求選擇實(shí)際的常用溫度，也可以選擇推薦的校準(zhǔn)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(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和位置

校準(zhǔn)點(diǎn)的位置和數(shù)量根據(jù)高壓釜爐膛尺寸確定，具體如圖2所示。采用直插法進(jìn)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(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量和鉑電阻位置

2.2.3 試驗方法

選擇腐蝕試驗介質(zhì)在空載條件下進(jìn)行試驗，采用直插法和截面法相結(jié)合，測量高壓釜溫度均勻性、軸向溫度場、徑向溫度場、溫度穩(wěn)定度。

將鉑電阻插入校準(zhǔn)裝置測溫管底部，標(biāo)記鉑電阻初始位置，以常用的升溫速度升溫檢測，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定30 min后，每隔1 min記錄1次，至少測量10 min，將各鉑電阻標(biāo)記的初始位置沿著爐膛軸向方向移動L/4，穩(wěn)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(shù)據(jù)處理

2.3.1 溫度均勻性

高壓釜內(nèi)各層測溫點(diǎn)上測得的實(shí)際溫度按照公式(1) 計算，各測溫點(diǎn)每次測量的實(shí)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(diǎn)實(shí)際溫度，℃；tPm為測得各個測溫點(diǎn)第i次測量的實(shí)際溫度，℃；m為測量次數(shù)，次；tij為第j個測溫點(diǎn)的瞬時溫度值，℃；txj為鉑電阻在第j個測溫點(diǎn)的修正值，℃。

測溫區(qū)內(nèi)各測溫點(diǎn)上，測得的最高、最低實(shí)際溫度(讀數(shù)平均值+修正值)分別與高壓釜爐膛幾何中心點(diǎn)實(shí)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(diǎn)實(shí)際溫度的最大值，℃；tpmin為式(1)求得各層測溫點(diǎn)實(shí)際溫度的最小值，℃；tp為高壓釜設(shè)定的校準(zhǔn)溫度，℃。

2.3.2 軸向溫度場

按式(2)計算實(shí)際溫度，求得各鉑電阻在測溫區(qū)內(nèi)相鄰兩橫截面上同一軸線上任意兩點(diǎn)溫差絕對值的最大值作為軸向溫度場，按公式(5)進(jìn)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(shí)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(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃；tkn為鉑電阻k在橫截面n上m次測量的最高實(shí)際溫度或最低實(shí)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(shí)際溫度，求得各鉑電阻在測溫區(qū)內(nèi)同一截面沿著半徑方向上任意兩相鄰測溫點(diǎn)的溫差絕對值的最大值，按公式(6)進(jìn)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(shí)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(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃；tkn為鉑電阻k在橫截面n上m次測量的最高實(shí)際溫度或最低實(shí)際溫度，℃。

2.3.4 溫度穩(wěn)定度

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

δ=t0,max-t0,min

(7)

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

3 試驗

3.1 試驗準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhì)，試驗在空載條件下進(jìn)行，校準(zhǔn)點(diǎn)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(shù)據(jù)采集器，準(zhǔn)確度等級為0.02級，傳感器選擇PT100鉑電阻，測量范圍0～600 ℃，準(zhǔn)確度等級為B級，數(shù)量5根。

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)2.2小節(jié)對高壓釜進(jìn)行校準(zhǔn)，由2.3節(jié)中公式(1)和公式(2)計算各層各個測溫點(diǎn)實(shí)際溫度和各個測溫點(diǎn)第i次測量的實(shí)際溫度，并篩選出各個測溫點(diǎn)m次測量的最高實(shí)際溫度和最低實(shí)際溫度，試驗結(jié)果見表1。

表1 高壓釜試驗結(jié)果(℃)

表3 高壓釜徑向溫度場計算結(jié)果(℃)

4 溫度均勻性測量結(jié)果不確定度分析

4.1 數(shù)學(xué)模型

被校高壓釜溫度均勻性的數(shù)學(xué)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(dú)立不相關(guān)，則被校高壓釜示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)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(shù)：

4.2 不確定度來源分析

高壓釜爐溫均勻性測量結(jié)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(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；②Pt100鉑電阻修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；③多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。

4.2.1 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

高壓釜校準(zhǔn)溫度為400 ℃，由表1可知，測溫區(qū)內(nèi)實(shí)際溫度的最大值在1層002號鉑電阻位置取得，測溫區(qū)內(nèi)實(shí)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(diǎn)各重復(fù)測量10次，用貝塞爾公式求得最高測溫點(diǎn)試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s1=0.32 ℃，最低測溫點(diǎn)試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s2=0.10 ℃，實(shí)際測量中，取10次平均值作為測量結(jié)果，則最高測溫點(diǎn)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

最低測溫點(diǎn)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.2.2 Pt100鉑電阻修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

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

4.2.3 多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

由校準(zhǔn)證書可知，多通道數(shù)據(jù)采集器擴(kuò)展不確定度U=0.03 ℃，k=2，則多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.4 輸入量tpmax引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

輸入量tpmax引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包含最高測溫點(diǎn)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、002號鉑電阻修正值引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，由于輸入量各分量彼此之間相互獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播規(guī)律可知，輸入量tpmax引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.5 輸入量tpmin引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

輸入量tpmin引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包含最低測溫點(diǎn)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、005號鉑電阻修正值引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量、多通道數(shù)據(jù)采集器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，由于輸入量各分量彼此之間相互獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播規(guī)律可知，輸入量tpmin引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

4.2.6 輸入量tp引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

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

4.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

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

表4 Δθ+標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

表5 Δθ-標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

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

4.5 擴(kuò)展不確定度和結(jié)果的表達(dá)

取包含因子k=2，則被校高壓釜爐溫度均勻性的擴(kuò)展不確定度為：

U=k×uc(Δ)

因此400 ℃高壓釜溫度均勻性結(jié)果表達(dá)式為：

Δθ+=1.9 ℃，U=0.6 ℃，k=2；

Δθ-=-2.8 ℃，U=0.7 ℃，k=2

5 試驗結(jié)果驗證

采用多家實(shí)驗室比對法對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證[13]，邀請2家同等級的技術(shù)機(jī)構(gòu)，用相同的測試方法對同一臺高壓釜進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)溫度為400 ℃，校準(zhǔn)結(jié)果見表6。

表6 3家技術(shù)機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)JJF 1033—2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中比對法的要求，選擇算術(shù)平均值作為參考值，則校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)滿足公式(10)的要求。

(10)

6 結(jié)論

本文針對高壓釜校準(zhǔn)存在測不了、測不全、測不準(zhǔn)的問題，設(shè)計了一種高壓釜校準(zhǔn)裝置，通過現(xiàn)場試驗和其他同等級技術(shù)機(jī)構(gòu)比對，得出以下結(jié)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(zhǔn)時無法保證密封性的難題，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓下溫度在線校準(zhǔn)，本裝置設(shè)計合理、實(shí)用性強(qiáng)。

2) 采用比對法進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果驗證，比對結(jié)果為滿意，說明本文設(shè)計的試驗方案合理可行，不確定度評定方法準(zhǔn)確可靠，滿足生產(chǎn)需求，可為高壓釜在線校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。

3) 高壓釜400 ℃溫度均勻性測試結(jié)果為：

Δθ+=(1.9±0.6)℃，k=2；

Δθ-=(-2.8±0.7)℃，k=2