核工业用高压釜温度测试方法

余泽利， 房永强， 白新房,， 余 森， 张曙香， 段 管

(1. 西安汉唐分析检测有限公司， 陕西 西安 710201； 2. 西北有色金属研究院， 陕西 西安 710016)

高压釜[1]由本体、高压釜釜盖、加热器、安全爆破装置、冷却装置、电控柜、升降装置等部分组成，高压釜系气-液、液-液、液-固或气-液-固三相化工物料进行化学反应的搅拌反应装置，可使各种化工物料在较高的压力和温度下充分搅拌，以强化传质和传热过程。

在有色金属行业，高压釜主要用于腐蚀试验，广泛应用于核工业领域，核工业锆铪材腐蚀性能检测时，试验温度的准确性对检测结果具有很大影响，高压釜内为高压水或高压水蒸汽，需要在高压条件下确认高压釜内温度是否满足腐蚀试验要求，因此高压釜温度校准是腐蚀试验前重要的准备工作，是保障锆铪材腐蚀性能检测数据准确、可靠性的重要基础。

目前，国内尚无腐蚀试验用高压釜有效加热区校准方法的研究及报道，仅见高压釜检测方法相关研究[2-3]，目前高压釜校准主要是参照GB/T 9452—2012《热处理炉有效加热区测定方法》和HB 5425—2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》进行，存在测不了、测不全、测不准等诸多问题，为了保证锆铪材腐蚀试验用高压釜性能准确可靠，本文设计了一种在线校准装置，对高压釜温度均匀性[4-6]、轴向温度场、径向温度场进行了校准，确定了高压釜有效加热区[7-8]大小，分析了高压釜温度均匀性测量结果不确定度来源，确定了其不确定度评定方法，采用多家实验室比对法验证了校准结果的可靠性。

1 校准装置设计

本文设计的高压釜校准装置[9-10](见图1)，主要是通过在高压釜釜盖上设置测温孔和测温管，测温管的一端与测温孔连通，测温管的另一端伸入高压釜腔体内，测温管伸入高压釜腔体内的一端设置有密封板，密封板与测温管一体加工成型，密封板与高压釜腔体底部之间的距离为1～2 cm，相邻两个偏心测温孔与中心测温孔的孔距差值等于第一偏心测温孔与中心测温孔的孔距，相邻两个偏心测温孔的中心与中心测温孔的中心连线成90°夹角，通过设置中心测温孔和多个偏心测温孔(见图1(b))，实现高压釜轴向、径向全范围温度场的校准，操作简便，使用效果好。

图1 高压釜校准装置结构示意图

2 试验方案设计

2.1 试验条件

根据GB/T 33690—2017《煤炭液化反应性的高压釜试验方法》和ASTM G2/G2M-2019Standardtestmethodforcorrosiontestingofproductsofzirconium,hafnium,andtheiralloysinwaterat680℉(360℃)orinsteamat750℉(400℃)中对腐蚀介质的要求，选择A级水(pH为5.0～8.0，电阻系数不小于1.0 MΩ·cm)或氢氧化锂溶液作为试验介质，环境条件控制在(23±5) ℃，湿度≤85%RH，测量标准器选择铂电阻，测量范围-198～600 ℃，准确度等级不低于C级，多通道数据采集器不低于0.02级。

2.2 试验方法

2.2.1 校准点选择

根据客户使用要求选择实际的常用温度，也可以选择推荐的校准温度：335 ℃(水腐蚀)，360 ℃(水腐蚀或氢氧化锂溶液)，400 ℃ (蒸汽腐蚀)，500 ℃ (蒸汽腐蚀)。

2.2.2 校准点数量和位置

校准点的位置和数量根据高压釜炉膛尺寸确定，具体如图2所示。采用直插法进行测温时，轴向各层间隔L/4不超过100 mm，相邻铂电阻径向间隔D/8不超过50 mm。

图2 校准点数量和铂电阻位置

2.2.3 试验方法

选择腐蚀试验介质在空载条件下进行试验，采用直插法和截面法相结合，测量高压釜温度均匀性、轴向温度场、径向温度场、温度稳定度。

将铂电阻插入校准装置测温管底部，标记铂电阻初始位置，以常用的升温速度升温检测，当达到设定温度并稳定30 min后，每隔1 min记录1次，至少测量10 min，将各铂电阻标记的初始位置沿着炉膛轴向方向移动L/4，稳定5 min后，每隔1 min记录1次，至少测量10 min，直至移动到高压釜炉膛顶部为止。

2.3 数据处理

2.3.1 温度均匀性

高压釜内各层测温点上测得的实际温度按照公式(1) 计算，各测温点每次测量的实际温度按照公式(2) 计算。

(1)

tPm=tij+txj

(2)

式中：tPn为测得各个测温点实际温度，℃；tPm为测得各个测温点第i次测量的实际温度，℃；m为测量次数，次；tij为第j个测温点的瞬时温度值，℃；txj为铂电阻在第j个测温点的修正值，℃。

测温区内各测温点上，测得的最高、最低实际温度(读数平均值+修正值)分别与高压釜炉膛几何中心点实际温度之差为温度均匀性，按公式(3)、(4)计算。

Δθ+=tpmax-tp

(3)

Δθ-=tpmin-tp

(4)

式中：Δθ+，Δθ-为高压釜温度均匀性，℃；tpmax为式(1)求得各层测温点实际温度的最大值，℃；tpmin为式(1)求得各层测温点实际温度的最小值，℃；tp为高压釜设定的校准温度，℃。

2.3.2 轴向温度场

按式(2)计算实际温度，求得各铂电阻在测温区内相邻两横截面上同一轴线上任意两点温差绝对值的最大值作为轴向温度场，按公式(5)进行计算。

Δ轴向=max{tk(n+1)-tkn}

(5)

式中：Δ轴向为铂电阻k在横截面n和横截面n+1上m次测量的实际温度最大差值，℃；tk(n+1)为铂电阻k在横截面n+1上m次测量的最高实际温度或最低实际温度，℃；tkn为铂电阻k在横截面n上m次测量的最高实际温度或最低实际温度，℃；k为铂电阻编号，k= 1，2，3，4……。

2.3.3 径向温度场

按式(2)计算实际温度，求得各铂电阻在测温区内同一截面沿着半径方向上任意两相邻测温点的温差绝对值的最大值，按公式(6)进行计算。

Δ径向=max{t(k+1)n-tkn}

(6)

式中：Δ径向为铂电阻k和铂电阻k+1在横截面n上m次测量的实际温度最大差值，℃；t(k+1)n为铂电阻k+1在横截面n上m次测量的最高实际温度或最低实际温度，℃；tkn为铂电阻k在横截面n上m次测量的最高实际温度或最低实际温度，℃。

2.3.4 温度稳定度

测温仪器在高压釜炉膛几何中心点测得的最高实际温度和最低实际温度(读数+修正值)之差作为温度稳定度，按公式(7)进行计算。

δ=t0,max-t0,min

(7)

式中：δ为高压釜温度稳定度，℃；t0,max为铂电阻在炉膛几何中心点测得的最高实际温度，℃；t0,min为铂电阻在炉膛几何中心点测得的最低实际温度，℃。

3 试验

3.1 试验准备

选择一台锆铪材腐蚀试验用高压釜，炉膛直径φ200 mm，炉膛高度450 mm，精度为±6 ℃，校准装置各测温管距高压釜腔体底部20 mm，以A级水作为试验介质，试验在空载条件下进行，校准点选择 400 ℃，轴向各层间隔为100 mm，相邻铂电阻径向间隔为25 mm。

测温仪器选择FLUKE型号为1586A多通道数据采集器，准确度等级为0.02级，传感器选择PT100铂电阻，测量范围0～600 ℃，准确度等级为B级，数量5根。

3.2 试验结果

根据2.2小节对高压釜进行校准，由2.3节中公式(1)和公式(2)计算各层各个测温点实际温度和各个测温点第i次测量的实际温度，并筛选出各个测温点m次测量的最高实际温度和最低实际温度，试验结果见表1。

表1 高压釜试验结果(℃)

表3 高压釜径向温度场计算结果(℃)

4 温度均匀性测量结果不确定度分析

4.1 数学模型

被校高压釜温度均匀性的数学模型如公式(3)和(4)所示，由于输入量各分量彼此之间相互独立不相关，则被校高压釜示值误差的合成标准不确定度为：

uc2(Δθ+)=c12u2(tpmax)+c22u2(tp)

(8)

uc2(Δθ-)=c32u2(tpmin)+c42u2(tp)

(9)

求得灵敏系数：

4.2 不确定度来源分析

高压釜炉温均匀性测量结果不确定度主要来源于[11-12]：①被校高压釜的示值测量重复性引入的标准不确定度分量；②Pt100铂电阻修正值引入的标准不确定度分量；③多通道数据采集器引入的标准不确定度分量。

4.2.1 测量重复性引入的标准不确定度分量

高压釜校准温度为400 ℃，由表1可知，测温区内实际温度的最大值在1层002号铂电阻位置取得，测温区内实际温度的最小值在5层005号铂电阻位置取得，对这两个测温点各重复测量10次，用贝塞尔公式求得最高测温点试验标准偏差s1=0.32 ℃，最低测温点试验标准偏差s2=0.10 ℃，实际测量中，取10次平均值作为测量结果，则最高测温点测量重复性引入的标准不确定度为：

最低测温点测量重复性引入的标准不确定度为：

4.2.2 Pt100铂电阻修正值引入的标准不确定度分量

由校准证书可知，温度为400 ℃时，002号铂电阻修正值扩展不确定度U=0.6 ℃，k=2; 005号铂电阻修正值扩展不确定度U=0.7 ℃，k=2;，则Pt100铂电阻修正值引入的标准不确定度分量为：

4.2.3 多通道数据采集器引入的标准不确定度分量

由校准证书可知，多通道数据采集器扩展不确定度U=0.03 ℃，k=2，则多通道数据采集器引入的标准不确定度分量为：

4.2.4 输入量tpmax引入的标准不确定度分量

输入量tpmax引入的标准不确定度主要包含最高测温点测量重复性引入的标准不确定度分量、002号铂电阻修正值引入标准不确定度分量、多通道数据采集器引入的标准不确定度分量，由于输入量各分量彼此之间相互独立不相关，根据不确定度传播规律可知，输入量tpmax引入的标准不确定度分量为：

4.2.5 输入量tpmin引入的标准不确定度分量

输入量tpmin引入的标准不确定度主要包含最低测温点测量重复性引入的标准不确定度分量、005号铂电阻修正值引入标准不确定度分量、多通道数据采集器引入的标准不确定度分量，由于输入量各分量彼此之间相互独立不相关，根据不确定度传播规律可知，输入量tpmin引入的标准不确定度分量为：

4.2.6 输入量tp引入的标准不确定度分量

由公式(3)和公式(4)可知，tp为高压釜设定的校准温度，为固定不变值，故输入量tp引入的标准不确定度分量u(tp)=0 ℃。

4.3 标准不确定度汇总

高压釜温度均匀性Δθ+中各输入量标准不确定度分量汇总见表4，Δθ-中各输入量标准不确定度分量汇总见表5。

表4 Δθ+标准不确定度分量汇总

表5 Δθ-标准不确定度分量汇总

4.4 合成标准不确定度

由于输入量各分量彼此之间相互独立不相关，将表4和表5中的数据代入公式(8)和公式(9)可得：

4.5 扩展不确定度和结果的表达

取包含因子k=2，则被校高压釜炉温度均匀性的扩展不确定度为：

U=k×uc(Δ)

因此400 ℃高压釜温度均匀性结果表达式为：

Δθ+=1.9 ℃，U=0.6 ℃，k=2；

Δθ-=-2.8 ℃，U=0.7 ℃，k=2

5 试验结果验证

采用多家实验室比对法对试验结果进行验证[13]，邀请2家同等级的技术机构，用相同的测试方法对同一台高压釜进行校准，校准温度为400 ℃，校准结果见表6。

表6 3家技术机构的校准结果

根据JJF 1033—2016《计量标准考核规范》中比对法的要求，选择算术平均值作为参考值，则校准结果应满足公式(10)的要求。

(10)

6 结论

本文针对高压釜校准存在测不了、测不全、测不准的问题，设计了一种高压釜校准装置，通过现场试验和其他同等级技术机构比对，得出以下结论：

1) 该装置由高压釜釜盖、测温管、测温孔等组成，解决了高压釜校准时无法保证密封性的难题，实现了高温高压下温度在线校准，本装置设计合理、实用性强。

2) 采用比对法进行校准结果验证，比对结果为满意，说明本文设计的试验方案合理可行，不确定度评定方法准确可靠，满足生产需求，可为高压釜在线校准提供技术支撑。

3) 高压釜400 ℃温度均匀性测试结果为：

Δθ+=(1.9±0.6)℃，k=2；

Δθ-=(-2.8±0.7)℃，k=2