在用民用膜式燃气表安全性与计量性能分析

孙俊芳 陈婷婷 王勋 柴家凤 田斯赟

（北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035）

0 引言

民用膜式表是目前国内外燃气行业普遍使用的表型，是列入国家强制检定计量器具目录的产品。由于燃气表是一种机械仪表，采用体积式的计量原理，因此燃气表测量单元的材质、移动部件的机械磨损很可能受其使用期限的影响，继而影响燃气表的计量性能。按照膜式燃气表检定规程JJG 577—2012《膜式燃气表》要求，最大流量小于或等于10 m3/h 的燃气膜式表只作首次强制检定，限期使用，到期更换，同时要求以天然气为介质的燃气膜式表使用期限一般不超过10年。

伴随着燃气业务的快速扩张，对民用膜式表的需求大规模增加，北京地区在用的民用膜式表和以民用膜式表为基表的各式智能燃气表总数已超过650 多万台。“以天然气为介质的燃气表使用期限一般不超过10 年”的规定最早见于JJG 577—94《膜式燃气表检定规程》，至今已过20 多年，在此期间，制造技术水平和材料性能得到了质的提升，国内燃气表寿命得到了较大延长，根据 GB/T 6968—2019《膜式燃气表》产品标准中的有关规定，膜式燃气表的耐久性已经由原来的2 000 h 提高到5 000 h，按膜式燃气表的0.2 倍的最大流量1.2 m3/h 计算，燃气表理论使用量可以达到6 000 m3，按照普通居民家庭的每户每年的使用量为300 m3天然气，燃气表的设计使用寿命可达20 年以上。

这意味着即使到达轮换周期后，仍然有大量在用燃气表质量性能完好。这种“一刀切”式的更换规定，增加了旧表拆卸处理、新表购置安装等一系列繁重的工作，不仅人力、物力成本巨大，也不利于节能降耗。因此，民用膜式表在满足首次检定的计量性能要求后，仍有必要探讨民用膜式表在长达20 年的使用过程中，不同使用年限内是否都能满足检定规程对其计量性能的要求，尤其是对于使用超过10 年以上的民用膜式表在其计量性能和安全性能方面的研究。

目前能查阅到的相关文献资料，大多数都是针对使用年限在10 年以内民用膜式燃气表的计量性能的研究[1-3]。本文将通过对在用民用膜式表的抽样检测，并且重点抽取使用年限在10 年以上的民用膜式燃气表，研究分析在用民用膜式表技术状态的变化趋势，尤其是计量性能的变化趋势，以期确定民用膜式表的最佳工作年限，同时对北京地区超过10 年使用期限的在用民用膜式表的技术状态有一个全面的掌握，为在用民用膜式表的技改周期提供技术决策支持。

1 在用民用膜式燃气表样本的抽样

本研究以北京地区在用民用膜式燃气表为抽样对象，经过调研和筛选，针对不同使用年限的G4 型在用民用膜式燃气表进行了简单随机抽样，抽取不同使用年限的膜式燃气表样本总数共计1 625 台。不同使用年限的膜式燃气表抽样数量见表1。

表1 不同使用年限G4型膜式燃气表样本分布

2 在用民用膜式燃气表的测试流程

本研究采用音速喷嘴流量测量标准装置对所有膜式燃气表进行测试，测试设备为1 台海盐美捷测试仪器公司制造的12 工位音速喷嘴燃气表专用检测台，该检测台系统不确定度为0.5。具体测试流程如图1。

图1 在用民用膜式燃气表检测流程图

具体测试流程为：首先，从居民用户家中拆下在用表，运输到指定地点，按类型和品牌分类放置。然后，逐一依次对每台样本表进行吹扫、置换燃气后，严格按照JJG 577—2012《膜式燃气表检定规程》的相关要求，依次进行外观检验、密封性检验。最后，对前两项检验合格的表通过检测台进行流量点检验，每只燃气表在3 个流量点(qmin、0.2qmax、qmax)下分别进行3 次检验，并以3 次测量示值误差的算术平均数作为燃气表示值误差统计分析的依据。

由于测试的样本表是在用表，表内容易残留杂质，因此在检验过程中需要定期对测试装置进行维护。

3 在用民用膜式燃气表测试结果统计与分析

依据JJG577—2012《膜式燃气表检定规程》规定的在用膜式燃气表合格率判断条件[4-5]，本研究分别从3 个流量点(qmin、0.2qmax、qmax)下的示值误差、外观、密封性3 个方面判断在用膜式燃气表技术状态，并按照GB/T 6968—2019《膜式燃气表》和JJG 577—2012《膜式燃气表检定规程》，根据使用中的B 级膜式燃气表的流量q 在qmin≤q ＜0.1qmax时其最大允许相对误差为±6%，在0.1qmax≤q ≤qmax时其最大允许相对误差为±3%，来判定在用民用膜式表的计量示值误差的合格率。

在测试过程中，通过对每一块样本表依次进行吹扫燃气置换、外观检验、密封性检验、流量点检验等测试后发现，有密封性不严产生漏气、过气不走字等情况。

根据以上情况，本文将民用膜式表分为三类，分别是可测试表（正常可以上线测试的表）、漏气表、不走字表。具体数量分布如表2。

表2 不同类型表不同使用年限具体数量分布汇总

根据表2 可以看出，不走字的表为20 台，其中60%都是使用年限在20 年以上的。同时，通过密封性检验，还发现密封性不严产生漏气的表为137 台。最后可测试表的样本表为1 468 台。

3.1 在用民用膜式燃气表的安全性能

本研究发现的漏气表，是指在实验室测试台上进行密封性实验时存在漏气情况，而被拆之前在用户家中并未发现漏气，通过对漏气的原因进行分析，认为这部分表应该是在拆卸、搬运过程中造成了密封性损坏。

从图2 中可以看出，使用年限15 到20 年的漏气表占比30%，使用20 年以上的漏气表占比为55%，两者合计占比85%。虽然拆表前在用户家没有发现漏气，但是拆后使用15 年以上的表漏气现象占比较多，说明使用年限超过15 年以上的膜式燃气表，其安全性仍需要进一步检验。

图2 漏气表随使用年限的占比

3.2 在用民用膜式燃气表的合格率

根据数理统计中的伯努利大数定律，当抽样样本数量足够大时，可用事件的频率近似代替事件出现的概率[6]。因此，在对1 625 只膜式燃气表进行大样本随机抽样检验的情况下，可认为抽样样本中膜式燃气表的合格率（即检验合格的燃气表的数量与相应样本总数之比）近似等于相应情况下所有在用膜式燃气表的合格率。

经过统计分析，得到相应情况下在用民用膜式燃气表的3 个流量点的合格率。其中，使用时间分别为10 年以内、10 年（含10 年）到15 年、15 年（含15 年）到20 年、20 年（含20 年）以上的膜式燃气表的合格率如表3 所示。

表3 在用民用膜式表三个流量点的合格率统计分析

从图3 可以发现，随着燃气膜式表的使用年限的增加，其qmax、0.2qmax、qmin流量点的合格率呈现逐渐降低。膜式燃气表在使用10 年内，其各流量点的合格率都在90%以上。膜式燃气表在使用15 年后，其qmax、0.2qmax流量点的合格率降幅很大，其中qmax流量点的合格率由88.54%降到44.05%；0.2qmax流量点的合格率由89.32%降到65.68%。qmin流量点的合格率降幅不明显。

经过统计分析，得到不同使用年限下在用民用膜式燃气表3 个流量点全部合格的整体合格率如表4所示。

表4 在用民用膜式表不同使用年限的整体合格率

从图4 可以看出，随着使用年限的增加，在用民用膜式燃气表各使用年限段的整体抽样合格率在降低。当使用年限超过15 年，合格率急剧下降。合格率由80.21%降低到35.41%。

图4 在用民用膜式燃气表不同使用年限的整体合格率折线图

3.3 在用民用膜式燃气表表底数与平均示值误差的关系

表底数为本次检测的膜式燃气表各自的累积流量，E 平均是指本次检测各表所有检测点示值误差的算术平均值。膜式燃气表E 平均随表底数变化关系如图5 所示。

图5 膜式燃气表E 平均随表底数的变化规律

从图5 可以看出，膜式燃气表的表底数主要集中6 000 m3以内，膜式燃气表E 平均主要集中在-6%到+6%之间。膜式燃气表在表底数8 000 m3以内，随表底数的增加，E 平均拟合曲线基本维持在0 轴上。

3.4 在用民用膜式燃气表相对示值误差的数学期望和标准差

通过计算在用民用膜式燃气表相对示值误差的数学期望和标准差[3,6],得到不同使用年限的膜式燃气表3 个流量点的相对示值误差的数学期望和标准差的最佳估值如表5 所示。

表5 不同使用时间的膜式燃气表相对示值误差的数学期望和标准差的最佳估值

从表5 可以看出，随着燃气膜式表的使用年限的增加，其相对示值误差的数学期望和标准差的最佳估值的绝对值都在增大，尤其是15 年到20 年区间的燃气膜式表，其qmin流量点的σest 值到了41.94%，说明其离散化很大了。其0.2qmax和qmax流量点的μest 值都超出了JJG 577—2012《膜式燃气表检定规程》规定的0.1qmax≤q ≤qmax时其最大允许相对误差为±3%。

4 结论及建议

1）北京地区燃气居民家庭使用的膜式燃气表，经过抽样检验试验，使用10 年内的膜式燃气表，其检定合格率基本都在90%以上；膜式燃气表在使用10到15 年之内，其检定合格率基本都在80%以上，由此说明80%的在用膜式表性能符合国家计量检定规程的要求，可以继续使用，如果全部更换，势必造成极大浪费。在用膜式燃气表在使用15 年以后，其检定合格率下降幅度较大，接近70%的在用膜式表不符合国家计量检定规程的要求，需要更换。

2）根据北京地区目前使用的膜式燃气表的质量水平及使用状况，建议通过科学的抽样统计方法，并结合居民用户整体报修率及漏气率，对表具进行安全性评估，适当延长膜式燃气表的轮换周期，合理节约社会资源，为实现我国“碳达峰”目标做贡献。