关于SY/T 6163—2018中试块抗压强度测试方法探讨

李东传，荆立英，陈奕君，郭金荣

1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工艺研究院（黑龙江 大庆 163453）

2.石油工业油气田射孔器材质量监督检验中心（黑龙江 大庆 163853）

0 引言

CNAS-CL01：2018《检测和校准实验室能力认可准则》[1]多处提及不确定度，如对非标准方法、实验室制定的方法、超出预定范围使用的标准方法或其他修改的标准方法进行确认，需要评定不确定度等。RB/T 214—2017《检验检测机构资质认定能力评价检验检测机构通用要求》第4.5.15规定：检验检测机构应建立和保持应用评定测量不确定度的程序，检验检测机构应建立相应的数据模型，给出检验检测能力评定测量不确定度相应案例[2]。检验检测机构可在检验检测出现临界值、内部质量控制或客户有要求时，报告测量不确定度。随着国内外对实验室要求的提高，各检测实验室对测量结果的不确定度评定越来越重视[3-7]。

为了控制混凝土性能，技术人员从不同方面开展了大量的抗压强度测试和不确定评定工作[8-12]。由于混凝土试块抗压强度测试是一种破坏性试验，不可重复，并且样品本身有一定的不均一性，影响测量不确定度评定的因素较多。李翠玲[13]、王飞[14]、龙文武[15]、崔莹[16]和孔楠楠[17]等均开展过此类不确定度评定，郑继[18]、何娟[19]还分析了混凝土立方体试件不确定度大小的主要影响因素，但以上研究侧重于边长100 或150 mm 工程用试块，均未涉及按约定处理试块边长、剔除波动大的试验数据等数据处理方法。

射孔器地面条件下混凝土靶射孔试验是国内外使用最广泛的射孔器穿孔性能试验方法[20-21]，其给出的混凝土靶抗压强度的试块抗压强度数据处理方法有别于其他同类试验。本文利用不确定度评定的方法，分析了SY/T 6163—2018《油气井用聚能射孔器材通用技术条件及性能试验方法》[22]中边长50 mm试块测试过程中各因素对不确定度的影响贡献，并探讨了减小不确定度分散性的方法。

1 抗压强度测试及结果处理

1.1 SY/T 6163—2018标准中的相关规定

SY/T 6163—2018 要求制作柱状混凝土靶，养护至少28 d。靶抗压强度用一个边长50 mm的立方体试块进行评价，利用混凝土试块制作模具制作试块，模具内相对侧面距离（50.0±0.13）mm、侧面平面度≤0.05°、高度49.62～50.25 mm，如图1 所示。如果测量样块边长与规定的50 mm 相比，尺寸偏差超过1.5 mm，就用实际面积来计算抗压强度。在测试计算6 块试块的抗压强度时，不考虑那些有明显缺陷的样块，每两个样块测试结果的差值不允许超过平均值的8.7%；如果超过这个范围，则去掉差值最大的结果，再检查剩下样块的差值范围，重复该步骤直到所有的结果都符合最大允许差值范围。有效测试的样块数最少为3 块，应计算所有合格样块抗压强度的平均值，且精确到0.1 MPa。混凝土靶、试块制作、养护时的环境温度在0℃以上。

图1 与混凝土靶共同养护的试块

1.2 测量仪器

试块抗压强度试验使用的计量器具、设备有压力试验机和游标卡尺。HCT106A 型压力试验机精度等级为0.5级（图2），游标卡尺精度为0.02 mm，试块振动用振动台，振动频率精度1%。

图2 压力试验机

1.3 试验结果处理

试块抗压强度计算公式为：

式中：P为抗压强度，MPa；F为试块破坏时的最大荷载，kN；S为试块受压面积，mm2。

抗压强度测试及数据处理结果见表1。当单个数据波动≥8.7%时，剔除。抗压强度值由1、3、4和5号试块计算获得。其中，破坏压力波动大的主要原因是部分试块测面不绝对平行，先承压部分先破碎，导致抗压强度值偏低，体现在测试后的试块上为残留部分不规则（图3、图4）。

表1 抗压强度测量结果

图3 承压面不平行试块破坏

图4 清理破碎带后残留试块

2 不确定度的计算

2.1 测量不确定度的来源

测量不确定度的主要来源有以下几个方面：

1）A类不确定度。试验重复性引入的不确定度。

2）B 类不确定度。包括：①压力试验机的测量误差引入的不确定度；②卡尺引入的不确定度；③受压面积变动引入的不确定度；④制靶配料质量测量引入的不确定度；⑤水泥振动设备引入的不确定度；⑥中国A 级油井水泥对API A 级水泥的代用引入的不确定度。

2.2 A类不确定度的分析评定

按SY/T 6163—2018 要求进行混凝土试块抗压强度试验，每组6 个试块，共进行了10 组试验。利用贝塞尔公式计算标准偏差：

合成样本标准差：

式中：S为标准偏差，%；n为试样总数；Xi为第i个试样测量数据；Xˉ为n个试样平均值；Si为第i组试样测量数据标准差。试块抗压强度重复试验结果见表2。

表2 试块抗压强度重复试验结果MPa

则A类不确定度uc,A为：

A类不确定度的相对不确定度为：

利用公式（4）、（5）计算10组试验的A类不确定度为0.40 MPa、相对不确定度为0.85%。

2.3 B类不确定度的分析评定

B类不确定度的相对不确定度为：

式中：urel为B类不确定度的相对不确定度，%；a为置信区间；k为包含因子。

1）压力试验机的标准不确定度。压力试验机的精度等级为0.5 级，服从均匀分布，选包含因子k=，利用公式（6）计算压力试验机引入相对不确定度urel,f=0.5%/=0.29%。

2）游标卡尺的标准不确定度。立方体试块的横截面用游标卡尺测量，游标卡尺引入的公差为0.02 mm。面积相对变化量公式：

式中：△S0为测量公差；S0为试块的横截面面积，mm2。

利用公式（7）计算游标卡尺引入的面积相对变化量为：

服从匀分布，选包含因子k=，利用公式（6）计算游标卡尺引入的相对不确定度：

3）横截面（计算方面引入）的标准不确定度。立方体的横截面用游标卡尺测量，游标卡尺引入误差为0.02 mm。SY/T 6163—2018 中规定，边长在（50.0±1.5）mm内，试块边长公差为3.0 mm，远大于游标卡尺（计量器具）公差。

利用公式（7）计算试块最大边长51.5 mm 与最小边长48.5 mm 间的面积差引入的相对变化量为0.11。服从匀分布，选包含因子k=，利用公式（6）计算横截面引入的相对不确定度：

4）制靶配料质量测量的标准不确定度。由于试块与混凝土靶同时制作，混凝土靶体积直径2 m、高1.4 m，需要材料量巨大，水泥、压裂砂和清水的质量测量均按标准规定的质量偏差1%计算，服从均匀分布，选包含因子k= 3 ，利用公式（6）计算制靶配料质量测量引入的相对不确定度：

5）混凝土振动设备的标准不确定度。试块振动用振动台，振动频率精度±1%，按均匀分布考虑，选包含因子k=，利用公式（6）计算混凝土振动设备引入的相对不确定度：

6）其他因素引入的标准不确定度。试验中还包含A级油井水泥、压裂砂、清水引入的不确定度，以及试块养护条件引入的不确定度，由于对同一批试块影响较小，在此不作考虑。

7）合成不确定度。B类相对合成标准不确定度urel,（uC,B）为：

则B类合成不确定度uc,B为：

利用公式（8）、（9）计算B 类相对合成不确定度为6.4%、B类合成不确定度为3.01 MPa。

2.4 合成不确定度及扩展不确定度

合成不确定度uc为:

利用公式（9）计算合成不确定度uc为3.04 MPa，在置信水平95%下,选包含因子k=2,则该混凝土试块的扩展不确定度U为:

利用公式（11）计算扩展不确定度U为6.1 MPa。测量结果报告：（47.0±6.1）MPa。

3 各因素生产的不确定度占比分析及降低方法

3.1 各因素生产的不确定度所占比重分析

射孔试验中试块抗压强度的测量不确定度中A类不确定度为0.40 MPa，B 类不确定度为3.01 MPa。而B类不确定度中压力试验机的测量误差引入的相对不确定度均为0.29%，制靶配料质量和混凝土振动设备引入的相对不确定度均为0.58%，受压面积处理引入的相对不确定度为6.4%。可见，受压面积处理引入的不确定度占很大比重。

如能降低各分量引入的不确定度，即可减小试块抗压强度的测量不确定度。抗压强度重复试验中剔除了24 个数据，表明试块强度波动较大，需要改进制作工艺或进行承压面平整（磨平等）；制靶材料质量大，进一步提高控制精度有一定难度；受压面积可采用实测面积易实施。

3.2 改进测试方法对不确定度的影响

3.2.1 试块数量对不确定的影响

对10组试验、每组6个试块的总数据按不同数量重新建组，按标准要求分别计算6、8、10 和12 个试块的抗压强度，以分析试块数量对抗压强度的影响。数据结果分别见表3、表4。以表3 中第1（1-6号数据）、2 组（7-12 号数据）数据为例，计算了6、8、10 和12 个试块的抗压强度，对应表4 中6、8、10、12个试块行中的第一组。第1 组和第2 组组成表4 中的第一组数据波动不明显，第2～5 组数据波动稍大。表明每组6 个试块得到的结果代表性不强，每组12个试块计算结果较接近，稳定性更好。12个试块行的平均值、标准差分别为45.4、0.80 MPa。

表3 第1组、第2组数据处理

表4 5组样品不同数量试块对应的处理结果

3.2.2 受压面积对不确定度的影响

使用改变试块受压面积的数据处理方法，即将“如果测量样块边长与规定的50 mm相比，尺寸偏差超过1.5 mm，就用实际面积来计算抗压强度”改为“用实际面积来计算抗压强度”。此时，消除了横截面的（计算方面引入）标准不确定度，受压面积方面仅有游标卡尺引入的不确定度。

重新计算B类相对合成标准不确定度：

利用公式（12）计算B类相对合成标准不确定度为0.87%，5 组12 个试块产生的B 类合成不确定度uc,B为0.38 MPa。

3.2.3 合成不确定度及扩展不确定度

5组样品、每组6个试块产生的合成不确定度uc为0.69 MPa，在置信水平95%下,选包含因子k=2。则该混凝土试块的扩展不确定度为1.4 MPa，测量结果报告：（44.2±1.4）MPa（k=2）。

由表4可见，5组样品、每组8、10及12个试块产生的合成不确定度没有降低，表明试块间个体结果间的波动无法通过简单的增加试验数量的方法来降低。

4 结论与建议

1）现有标准SY/T 6163—2018 条件下射孔试验中试块抗压强度测量结果为（47.0±6.1）MPa（k=2），不确定度较大。试抗压强度波动较大，标准给出的试块抗压强度测试、数据处理方法需要改进。

2）使用试块实测边长、每组6 个试块的方法来测试射孔试验中试块抗压强度，结果为（44.2±1.4）MPa（k=2），B类不确定度明显减小。

3）现有试验条件下通过简单的增加试验数量的方式无法降低A类不确定度。

建议使用试块实测面积计算抗压强度，同时进一步提高试块几何结构的一致性。如测试前对不平行的测试面进行磨平等处理，以减小不确定度，使结果更科学合理。