摘要：文中分析了國內(nèi)焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率檢測儀器存在的問題，開發(fā)能在工況條件下無需介質(zhì)置換、排放，能高效、精準(zhǔn)地進(jìn)行蒸發(fā)率自動(dòng)檢測的系統(tǒng)。根據(jù)檢測條件、環(huán)境和判定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)輸出被檢低溫深冷設(shè)備的靜態(tài)蒸發(fā)率測試值，并實(shí)現(xiàn)可追溯功能。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng);靜態(tài)蒸發(fā)率檢測

Research and Development of the Static Evaporation Rate Automatic Detection System for Cryogenic Equipment

JIANG Yang-Chun

（Fujian Boiler and Pressure Vessel Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

Abstract： This paper analyzes the existing problems of the static evaporation rate detection instrument for welded insulated gas cylinders in China， and develops a system that can automatically detect the evaporation rate efficiently and accurately without medium replacement and emission under working conditions. According to the detection conditions， environment and judgment standards， the static evaporation rate test value of the inspected cryogenic equipment is output in real time， and the traceability function is realized.

Key Words： Evaporation rate automatic detection system; Static evaporation rate detection

1目前國內(nèi)靜態(tài)蒸發(fā)率檢測儀器存在的問題

低溫深冷設(shè)備[1]是用來存儲(chǔ)臨界溫度低于-50℃，且存儲(chǔ)時(shí)物理狀態(tài)為液態(tài)的各種工業(yè)氣體，如氧、氮、氬、CNG等。該類設(shè)備的安全性能極大程度取決于絕熱性能是否良好，而衡量絕熱性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)為靜態(tài)蒸發(fā)率。因此對低溫深冷設(shè)備靜態(tài)蒸發(fā)率的檢測[2]成為安全評價(jià)的重要手段。此類設(shè)備靜態(tài)蒸發(fā)率的檢測在國內(nèi)處于起步階段，國外沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。目前我國沒有相對完善的檢驗(yàn)方法、手段和設(shè)備。以焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測試為代表的檢測設(shè)備自動(dòng)化水平低，目前仍停留在單純采用體積流量計(jì)或質(zhì)量流量計(jì)人工記錄參數(shù)，計(jì)算結(jié)果階段。國內(nèi)一些廠商參考了筆者所在的項(xiàng)目組2015年研發(fā)的科研項(xiàng)目——《車載LNG焊接絕熱氣瓶安全性能檢驗(yàn)與評定方法》[3]成果雛形（見圖1），先后開發(fā)功能簡單的蒸發(fā)率測試儀，測試介質(zhì)只為單一的液氮，測試狀態(tài)只能為常壓，且存在以下幾個(gè)問題：

（1）能檢測的介質(zhì)單一，無法滿足實(shí)際檢測需求;

（2）與介質(zhì)接觸的儀器無防爆措施，檢測參數(shù)采用分立式元件采集數(shù)據(jù)，設(shè)備連線復(fù)雜，集成度差;

（3）測試時(shí)需將瓶內(nèi)氣壓排放至常壓，瓶內(nèi)外形成開放狀態(tài)，造成環(huán)境污染和較大浪費(fèi)。另外排放過程還帶來安全隱患;

（4）前期檢驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長，工作效率低，給企業(yè)帶來較大經(jīng)濟(jì)損失;

（5）分時(shí)數(shù)據(jù)采集、靜態(tài)蒸發(fā)率計(jì)算等均為手工方式，方法落后效率低，且可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等人為失誤造成檢測差錯(cuò);

（6）檢測過程無法實(shí)時(shí)監(jiān)測、追溯等，對檢測過程的狀態(tài)無法獲悉，可能引起盲判或誤判;

（7）測試過程算法失控，最終結(jié)果偏差極大，結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)嚴(yán)重不符。

2靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的低溫深冷設(shè)備靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)至少應(yīng)滿足工況條件下（指不同使用介質(zhì)、工作壓力）無需介質(zhì)置換、排放可進(jìn)行測試;測試過程高效、精準(zhǔn)，能進(jìn)行自動(dòng)檢測;能根據(jù)檢測條件、環(huán)境和判定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)輸出被檢低溫深冷設(shè)備的靜態(tài)蒸發(fā)率測試值;實(shí)現(xiàn)可追溯功能。結(jié)合實(shí)際檢驗(yàn)需要，自動(dòng)檢測系統(tǒng)分模塊化功能設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助設(shè)計(jì)四部分以期達(dá)到如下功能：

（1）具備壓力、溫度、流量、氣壓等高度集成的數(shù)據(jù)采集單元;

（2）可利用工況低溫介質(zhì)液態(tài)氧、氮、氬、LNG等自動(dòng)、高效、精準(zhǔn)完成靜態(tài)蒸發(fā)率檢測;

（3）可檢測多種形式的大、中、小型低溫深冷設(shè)備，如立式低溫焊接絕熱氣瓶，臥式低溫焊接絕熱氣瓶，車載焊接絕熱氣瓶，大、中、小型低溫深冷容器等;

（4）具備傳感器自檢，計(jì)量元器件超期自動(dòng)預(yù)警功能;

（5）人機(jī)交互友好，實(shí)現(xiàn)在工況條件下，自動(dòng)完成檢測操作。工況狀態(tài)蒸發(fā)率測試實(shí)驗(yàn)結(jié)束，容器、氣瓶等設(shè)備無需增壓、倒罐、置換，可直接投用，車載焊接絕熱氣瓶的汽車可直接投入運(yùn)行;

（6）檢測過程實(shí)時(shí)在線顯示。并能通過App軟件實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查看檢驗(yàn)情況、預(yù)警信息和歷史檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息;

（7）具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析、計(jì)算、輸出、追溯功能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)全流程自動(dòng)記錄、運(yùn)算，并可以通過App或遠(yuǎn)程云端隨時(shí)隨地查看;

（8）檢測過程實(shí)時(shí)顯示，并可輸出蒸發(fā)率曲線，靜態(tài)蒸發(fā)率曲線，測試蒸發(fā)率/靜態(tài)蒸發(fā)率時(shí)間二維合格判定圖（同一界面），最后形成絕熱性能直觀快速判定圖;

（9）可自動(dòng)生成靜態(tài)蒸發(fā)率測試報(bào)告;

（10）可燃?xì)怏w自動(dòng)報(bào)警功能，防止檢測過程可燃?xì)怏w泄漏發(fā)生爆炸。

3靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)模塊化功能設(shè)計(jì)

靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)按模塊化功能進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮滿足工況條件自動(dòng)完成檢測，測試結(jié)束無需增壓、倒罐、置換可直接投用，分三大功能系統(tǒng)來研發(fā)，分別為控制顯示系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。

控制顯示系統(tǒng)可采用電源模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、PLC控制模塊組成，完成裝置供電，數(shù)據(jù)采集、分析、執(zhí)行、控制、顯示等功能。

測量系統(tǒng)由氣路、接頭、閥門元件、管路元件、壓力控制元件、流量測量元件、壓力采集元件、溫度采集元件等元器件構(gòu)成。完成模塊測試的通道選擇，壓力、溫度、流量的采集。

輔助系統(tǒng)由氣壓測量裝置、環(huán)境溫度、濕度測量裝置、燃?xì)鈭?bào)警儀、測試用金屬軟管、安全閥、測試氣體排放口、測試專用接頭、無線通訊模塊、阿里云等組成。完成檢測環(huán)境的測量、系統(tǒng)的超壓保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控及檢測輔助配置等。

4靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)是整個(gè)低溫深冷設(shè)備靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為核心部分。綜合考慮需要滿足各種工況條件進(jìn)行檢測，且兼容多種類低溫介質(zhì)如液態(tài)氧、氮、氬、LNG等。在流程設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮常壓開放狀態(tài)檢測，又要考慮各種工作壓力下能開展檢測，因此將氣路設(shè)計(jì)成可根據(jù)輸入的檢測條件進(jìn)行回路的選擇，見圖2中F4和Kp回路設(shè)置。Kp壓力控制閥能根據(jù)傳感器P1檢測到系統(tǒng)內(nèi)不同的壓力值實(shí)現(xiàn)精確無級調(diào)壓。

靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)要能滿足自動(dòng)、高效、精準(zhǔn)完成靜態(tài)蒸發(fā)率檢測，可設(shè)置A1、A2二位三通電磁閥來執(zhí)行選擇的程序。A1可接收來自pad中央處理系統(tǒng)指令，實(shí)現(xiàn)檢測流程的選擇，A2實(shí)現(xiàn)檢測步驟有序開展。F2、F3安全閥實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)，避免檢測過程因各種誤操作或待檢設(shè)備內(nèi)壓力感應(yīng)器失靈或失效引發(fā)數(shù)值偏差未能發(fā)現(xiàn)造成超壓爆炸事故。m質(zhì)量流量計(jì)可根據(jù)P1待測設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)壓力、T1流量計(jì)前介質(zhì)溫度、T2環(huán)境溫度檢測到的參數(shù)結(jié)合自身測得的流量值結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下質(zhì)量流量值并傳送給pad。pad中央處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指令的傳輸和對到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并通過X觸屏式顯示器顯示結(jié)果。X觸屏式顯示器可接收來自系統(tǒng)各檢測參數(shù)和檢測人員輸入的檢測要求通過pad中央處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和檢測結(jié)果的輸出。靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)見圖2。

5靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)在工作時(shí)，因流經(jīng)管路內(nèi)的介質(zhì)為低溫氣體氣化而成，溫度較環(huán)境溫度低，容易在管路外表面形成凝結(jié)水。另外在特殊檢測工序也會(huì)因管內(nèi)瞬間的流量較大，在管道通路外側(cè)因汽化潛熱及溫度形成較大量的凝結(jié)水。凝結(jié)水若滴落或飛濺在電路版上易造成故障造成檢測中斷。其次，檢測系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，較高的溫度可能影響到電子元件工作的穩(wěn)定性，所以散熱也是需要解決的問題。同時(shí)還應(yīng)考慮方便開機(jī)前的檢漏及平時(shí)的檢修、維護(hù)工作。因此在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)更加充分考慮以上因素，避免不良事件發(fā)生。

所以架構(gòu)的設(shè)計(jì)上可考慮采用立式箱體，內(nèi)部采用“雙層三縱”結(jié)構(gòu)（見圖3、圖4）。上層為電控顯示系統(tǒng)，下層為工藝管路和執(zhí)行元件系統(tǒng)。上層的電控系統(tǒng)采用柔性密封，保證了下層的氣體既不進(jìn)入電氣層，也能很好地防止雨水進(jìn)入電控系統(tǒng)造成短路。兩層的結(jié)構(gòu)保證了氣體和電控兩部分的絕緣。下層氣路的設(shè)計(jì)采用底部進(jìn)氣的主動(dòng)通風(fēng)方式，保證了下層的雨水不會(huì)進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，同時(shí)氣流很好地遵循“低進(jìn)高出”的原則，使箱體內(nèi)溫度得到有效控制。同時(shí)如果有氣體泄漏也能快速被空氣帶走，避免聚積引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。俯視方向分三縱設(shè)計(jì)，一縱布置電磁閥管路;二縱布置流量計(jì)、壓力控制閥及管路;三縱布置壓力泄放裝置及管路。當(dāng)有冷凝水生成時(shí)，三縱的分布能阻止水滴到電路設(shè)備上，滿足防水、防爆功能，同時(shí)能滿足檢修的便利性。檢測時(shí)內(nèi)部空間架構(gòu)氣、電分離，有適宜的檢漏空間，整體穩(wěn)定、牢固、可靠，能承受運(yùn)輸?shù)牡皖l振動(dòng)，便于移動(dòng)和抬舉且滿足整體的穩(wěn)定性。

6 靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)

要達(dá)到高效、精準(zhǔn)完成自動(dòng)檢測，除了完備的模塊化功能設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒淘O(shè)計(jì)與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)當(dāng)配上便捷的外接系統(tǒng)提高檢測效率，合適的管路規(guī)格以輕量化系統(tǒng)，可靠的安全防護(hù)系統(tǒng)保證檢測安全。

因此在做外接系統(tǒng)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)（如圖5所示），設(shè)備提供的安裝接口拆卸應(yīng)快速便捷，在中層的氣路左側(cè)進(jìn)氣口處可以設(shè)置一帶端面密封的金屬快裝接頭，便于被測氣瓶的快速接入和保證嚴(yán)密性。

在做管路系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，檢測氣體根據(jù)受檢設(shè)備的規(guī)格可采用10mm左右的銅管引入，銅管既保證了良好耐低溫性、耐壓性，又比較輕便。

安全防護(hù)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)時(shí)做以下考慮，從快插接頭引入的氣體一個(gè)分支引入氣體壓力傳感器，以適時(shí)檢測設(shè)備中的氣壓，并由壓力傳感器適時(shí)將氣壓數(shù)據(jù)引入控制系統(tǒng)的PLC中，由PLC處理后壓力值實(shí)時(shí)顯示于觸屏顯示器。另一分支進(jìn)入常閉型電磁閥1中，常閉型電磁閥1作為總氣路的控制，同時(shí)受PLC控制，當(dāng)壓力傳感器1的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過預(yù)定值時(shí)由PLC將常閉型電磁閥1自動(dòng)關(guān)閉，無法打開保證內(nèi)部其他原件不會(huì)因超壓損壞。同時(shí)在進(jìn)氣路上設(shè)置安全閥保證在氣體超壓時(shí)安全閥可靠動(dòng)作卸荷，同時(shí)PLC根據(jù)壓力傳感器的超壓信號啟動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。溫度傳感器和燃?xì)鈭?bào)警器將溫度信號和燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)時(shí)的信號傳給PLC，如超溫或易燃?xì)怏w超濃度時(shí)，PLC控制并切斷常閉型電磁閥1，并產(chǎn)生報(bào)警，通過短信的形式發(fā)給檢驗(yàn)員手機(jī)或App進(jìn)行提醒。

7結(jié)語

按文中理念設(shè)計(jì)的低溫深冷設(shè)備靜態(tài)蒸發(fā)率自動(dòng)檢測系統(tǒng)所有與介質(zhì)接觸的元件具備防爆功能?？刂葡到y(tǒng)和可編程控制器PLC高度集成，避免采用分立式元件采集數(shù)據(jù)，設(shè)備連線清晰邏輯有序。產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)上氣下管。上氣的電控系統(tǒng)采用柔性密封，下層的氣體不允許進(jìn)入電氣層，雨水也不能進(jìn)入電控系統(tǒng)造成短路。上下層的結(jié)構(gòu)保證了氣體和電控兩部分絕緣，下層氣路的設(shè)計(jì)采用底部進(jìn)氣的主動(dòng)通風(fēng)，保證下層的雨水也不會(huì)進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部，滿足戶外使用的要求。同時(shí)氣流很好地遵循“低進(jìn)高出”原則，使箱體內(nèi)溫度得到有效控制，一旦發(fā)生氣體泄漏也能快速被流動(dòng)氣體帶走，避免聚積引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，可很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、工況狀態(tài)檢測操作。測試結(jié)束，容器、氣瓶無需增壓、倒罐、置換，可直接投用，車載焊接絕熱氣瓶的汽車可直接投入運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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