PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 47

安全分析

Safety Analysis

產(chǎn)生機械能 [1]，再通過傳動裝置帶動同步交流發(fā)電機

旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出，給各用電負載提供

電源。

1.2 出廠試驗

柴油發(fā)電機組返修后的出廠試驗在專用試驗平臺

上進行，試驗內(nèi)容主要包括：磨合試驗、絕緣電阻測量、

保護裝置動作可靠性檢查、相序檢查、空載整定電壓

范圍檢查、電壓和頻率穩(wěn)態(tài)調(diào)整率測量、電壓和頻率

的瞬態(tài)調(diào)整率及恢復時間測量、電壓和頻率波動率測

量、線電壓波形正弦性畸變率測量、機組啟動及帶載

可靠性試驗、帶載性能試驗、試驗后檢查及平衡試驗。

本文重點對柴油機帶載性能試驗過程中出現(xiàn)的異常情

況進行詳細闡述。

1.3 帶載試驗

柴油發(fā)電機組的帶載試驗，要求按照試驗方案，

從 0%（空載）逐步加載 25%、50%、75%、90%，

在各工況分別運行對應的時長，直到提升至 100%

載荷（額定功率）[2]，并運行 6 h。帶載試驗進行至

100% 載荷時，前 5 h 的各項試驗數(shù)據(jù)均運行正常，

各汽缸平均爆發(fā)壓力為 15.3 MPa。第 6 h，發(fā)現(xiàn)各

汽缸平均爆發(fā)壓力降低至 14.8 MPa，不符合 15.5±

0.5 MPa 的驗收要求，試驗失敗。同時，排氣溫度平

均值從 451.2 ℃上升至 495.7 ℃，雖未達到 550 ℃的異

常報警值，但升溫明顯。各汽缸的異常試驗數(shù)據(jù)見表 1。

汽缸 爆壓 /MPa 排溫 /℃ 汽缸 爆壓 /MPa 排溫 /℃

A1 15.3 → 15.1 477 → 520 B1 15.5 → 14.8 465 → 506

A2 15.4 → 15.0 466 → 509 B2 15.4 → 14.8 451 → 494

A3 15.3 → 14.5 456 → 503 B3 15.3 → 15.0 447 → 496

A4 15.4 → 14.9 453 → 496 B4 15.5 → 14.7 471 → 514

A5 15.3 → 14.8 453 → 498 B5 15.3 → 14.7 451 → 499

A6 15.3 → 15.0 452 → 499 B6 15.4 → 14.8 447 → 490

A7 15.4 → 14.8 438 → 480 B7 15.3 → 14.6 451 → 500

A8 15.4 → 14.7 451 → 492 B8 15.3 → 14.7 426 → 474

A9 15.3 → 14.6 431 → 475 B9 15.3 → 14.8 435 → 477

表 1 帶載異常試驗數(shù)據(jù)（第 6 h 出現(xiàn)爆壓、排溫異常變化）

2 試驗分析

柴油機的噴油定時和進、排氣定時，可確保足量

燃油和壓縮空氣周期性有序進入各汽缸燃燒室。燃油

和壓縮空氣在此混合燃燒，燃燒到一定程度達到最高

爆發(fā)壓力。圍繞產(chǎn)生缸內(nèi)爆壓的關(guān)鍵路徑，本文從直

接相關(guān)的噴油定時、進排氣定時、汽缸密封結(jié)構(gòu)、燃

油量、噴油壓力以及進氣量 6 個要素進行故障分析。

2.1 噴油定時

柴油機噴油定時的正確性，是保證柴油機正常運

轉(zhuǎn)和在最佳工況下工作的關(guān)鍵因素。若噴油定時不準

確，會影響燃油和空氣的混合燃燒效果。如噴油過遲，

噴入汽缸的燃油來不及燃燒，活塞已經(jīng)越過上止點開

始下行，汽缸內(nèi)壓力溫度開始降低，后燃嚴重，可造

成缸內(nèi)爆壓下降。

該柴油機總裝時，按裝配工藝已完成噴油定時的

準確調(diào)整，噴油提前角等各項裝配數(shù)據(jù)完全正常。前

5 h 帶載試驗缸內(nèi)爆壓正常的試驗結(jié)果也可以佐證不存

在噴油過遲的情況。試驗后的拆解檢查，各部件亦未

發(fā)現(xiàn)異常磨損，不存在裝配錯誤或試驗過程中突發(fā)嚴

重磨損影響噴油定時的準確性，可排除這方面因素。

2.2 進、排氣定時

柴油機總裝時，按裝配工藝已完成進、排氣定時

的準確調(diào)整，各項裝配數(shù)據(jù)記錄完整，符合要求。通

過試驗后的拆解檢查，發(fā)現(xiàn)各汽缸的進、排氣間隙與

之前的檢查數(shù)據(jù)沒有發(fā)生任何變化，進、排氣控制符

合要求，也可排除這方面因素。

2.3 汽缸密封結(jié)構(gòu)

汽缸密封結(jié)構(gòu)破壞是指因拉缸而喪失密封性。拉

缸是由于各種原因，造成活塞環(huán)表面和缸套表面被劃

傷，嚴重時會發(fā)生串氣，導致缸壓下降，常伴隨異常

噪音。主要由裝配不當、燃燒室嚴重積碳引起爆震、

滑油嚴重不足、異物進入缸內(nèi)等因素造成。出廠試驗

前，該柴油機汽缸由經(jīng)驗豐富的專業(yè)工程師按照返修

工藝進行拆解、清理積碳、珩磨并更換了全新的活塞

環(huán)。然后按裝配工藝進行復裝和檢查，各項記錄完整，

裝配數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常。帶載試驗過程中，該柴油發(fā)電

機組運行平穩(wěn)，油濾和空濾已阻擋異物進入氣缸內(nèi)部，

各系統(tǒng)的潤滑油均處于正常狀態(tài)，檢查人員未發(fā)現(xiàn)拉

缸相關(guān)的金屬干磨刺耳噪音。試驗后，對 18 缸逐個進

行了試驗后拆解檢查，每個缸套表面的珩磨紋均處于

正常狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)拉缸、串氣等影響缸內(nèi)壓力的異常

現(xiàn)象。因此，可排除缸內(nèi)密封結(jié)構(gòu)破壞引起的爆發(fā)壓

力下降。

48 2022.04 設備監(jiān)理

安全分析

Safety Analysis

2.4 燃油量

帶載試驗過程中，每小時測得的燃油消耗率始終

維持在 205 ～ 207 g/（kW·h）范圍內(nèi)輕微波動，燃油

消耗量沒有發(fā)生明顯變化，因此，也不存在燃油量不

足的情形。

2.5 噴油壓力

液態(tài)燃油經(jīng)高壓油泵、高壓油管和噴油器，被噴

入燃燒室空間后，經(jīng)歷了破碎、霧化、蒸發(fā)和空氣的

卷吸等過程。如果噴油壓力下降，會影響燃油的霧化

效果，引起燃油與空氣混合不理想，導致燃燒不充分，

影響缸內(nèi)爆壓。帶載試驗后，檢查人員拆下 18 個噴油

器，逐個進行全面檢查，每個噴油器的啟噴壓力、噴

孔檢查、噴霧檢查、密封性試驗均合格，不存在噴油

壓力下降的情況。因此，可排除噴油壓力下降引起的

爆發(fā)壓力下降這一因素。

2.6 進氣量

自然狀態(tài)下的空氣通過帶有空氣過濾功能的渦輪

增壓器以及空冷器，最終進入汽缸，燃燒做功后，通

過缸蓋排氣閥排出。如果進氣量不足，不充分燃燒會

導致缸內(nèi)爆壓偏低。關(guān)于汽缸內(nèi)進氣量不足的原因，

分為 3 種情形：

1）海拔、氣象條件劇烈變化導致外界空氣密度明

顯下降；

2）增壓器故障，轉(zhuǎn)速明顯降低；

3）進、排氣管路堵塞或泄漏。

首先，帶載試驗在海拔固定的車間進行，當天的

氣象條件穩(wěn)定，不存在大氣壓力和溫度的大幅變化。

氣象條件的微小波動，不會導致空氣密度明顯下降。

因此可以排除海拔、氣象條件方面的因素。

其次，增壓器的轉(zhuǎn)速一直維持在28000 r/min左右，

運行比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速明顯降低，也可以排除增

壓器故障。

排除上述各種可能存在的故障后，導致汽缸爆發(fā)

壓力降低的原因，只能是由進、排氣管道堵塞或泄漏

導致的進氣量不足。檢查人員沿返修柴油發(fā)電機組的

進、排氣路徑進行反復檢查，最終發(fā)現(xiàn)渦輪增壓器前

端空氣過濾裝置進氣口的防塵濾布清潔度較差，可能

存在堵塞，影響進氣量。

與此同時，檢查人員詳細查閱過程記錄，發(fā)現(xiàn)第

6 h 通過渦輪增壓器加壓后到達空冷器進口處的進氣壓

力（2.36 MPa），相較于前 5 h 的空冷器正常進氣壓

力（2.60 MPa）明顯偏低，即渦輪增壓器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的

情況下沒有達到增壓效果，理論上存在一種可能，即

空氣過濾裝置進口存在堵塞現(xiàn)象，引起進入渦輪增壓

器的空氣量不足，因此增壓后到達空冷器進氣口的壓

力偏低，經(jīng)空冷器冷卻進入氣缸的空氣量也就不足，

缸內(nèi)缺氧燃燒不充分，最終導致汽缸內(nèi)爆發(fā)壓力降低[3]。

這可以為空氣過濾裝置進氣口防塵濾布清潔度較差的

試驗現(xiàn)象提供理論支撐。

3 試驗策劃與驗證

在得出上述理論分析之前，空氣過濾裝置進氣口

清潔度較差的舊濾布已被當垃圾拆除扔掉，無法找回。

因此，無法用新、舊濾布的對比試驗，來證實舊濾布

上的灰塵堵塞是導致汽缸內(nèi)爆發(fā)壓力降低等異常試驗

現(xiàn)象的根本原因。

為此，策劃新的試驗方案如下：1）更換全新的濾

布，重新進行帶載試驗，驗證更換濾布后的帶載試驗

是否可以順利通過；2）模擬濾布堵塞試驗，驗證所有

異常的試驗現(xiàn)象是否可以復現(xiàn)，確定根本原因。

3.1 更換濾布后的帶載試驗

空氣過濾裝置進氣口更換全新的濾布后（見

圖 1），按照試驗方案重新進行帶載試驗，各項試

驗數(shù)據(jù)符合性能要求（見表 2）?？梢钥闯觯?/p>

的 平 均 爆 發(fā) 壓 力 已 恢 復 正 常（15.5 MPa）， 符 合

15.5±0.5 MPa 的驗收要求，帶載試驗順利通過。同時，

排氣溫度升高的異常試驗現(xiàn)象也未再出現(xiàn)。

圖 1 更換全新濾布的空氣過濾裝置

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 49

安全分析

Safety Analysis

汽缸 爆壓 /MPa 排溫 /℃ 汽缸 爆壓 /MPa 排溫 /℃

A1 15.5 475 B1 15.4 463

A2 15.4 463 B2 15.5 451

A3 15.0 452 B3 15.5 446

A4 15.5 451 B4 15.2 468

A5 15.4 452 B5 15.3 453

A6 15.5 454 B6 15.6 443

A7 15.6 436 B7 15.5 453

A8 15.4 448 B8 15.5 424

A9 15.3 432 B9 15.7 434

表 2 更換濾布后的帶載試驗數(shù)據(jù)

3.2 模擬濾布堵塞試驗

為模擬空氣過濾裝置進氣口舊濾布的堵塞效果，

在新?lián)Q的濾布表面覆上透氣性較差的材料（見圖 2），

調(diào)整其數(shù)量和擺放位置，直至經(jīng)過渦輪增壓器后到達

空冷器進氣口的空氣壓力接近異常狀態(tài)下的進氣壓力

（2.36 MPa）。此時，通過外接壓力表測得 18 個汽缸

的爆發(fā)壓力平均值為 14.6 MPa（不合格），平均排氣

溫度也從 455 ℃升高至 495 ℃（明顯升高），之前的

異常試驗現(xiàn)象全部重現(xiàn)。各汽缸爆壓和排氣溫度見表3。

圖 2 全新濾布表面覆上透氣性較差的材料的

空氣過濾裝置（模擬舊濾布堵塞效果）

汽缸 爆壓 /MPa 排溫 /℃ 汽缸 爆壓 /MPa 排溫 /℃

A1 15.5 → 14.7 475 → 519 B1 15.4 → 14.6 463 → 505

A2 15.4 → 14.8 463 → 508 B2 15.5 → 14.7 451 → 495

A3 15.0 → 14.5 452 → 501 B3 15.5 → 14.8 446 → 495

A4 15.5 → 14.8 451 → 495 B4 15.2 → 14.3 468 → 512

A5 15.4 → 14.9 452 → 496 B5 15.3 → 14.2 453 → 501

A6 15.5 → 14.9 454 → 501 B6 15.6 → 14.7 443 → 486

A7 15.6 → 14.9 436 → 479 B7 15.5 → 14.3 453 → 499

A8 15.4 → 14.7 448 → 490 B8 15.5 → 14.5 424 → 473

A9 15.3 → 14.5 432 → 477 B9 15.7 → 14.8 434 → 478

表 3 模擬濾布堵塞試驗數(shù)據(jù)（復現(xiàn)爆壓和排溫的異常變化）

由此可見，空氣過濾裝置進氣口濾布的清潔程度

是影響空冷器進氣壓力的重要因素。若濾布出現(xiàn)堵塞，

會造成渦輪增壓器的進氣量不足，在增壓器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定

的情況下，增壓效果下降，到達空冷器進氣口的壓力

明顯降低，引起進入汽缸燃燒室的壓縮空氣量不足，

導致足量的燃油在燃燒室內(nèi)不能充分燃燒，在汽缸排

出廢氣時遇外界空氣繼續(xù)燃燒，所以排氣溫度明顯

升高。

3.3 試驗結(jié)論

通過更換空氣過濾裝置進氣口濾布，帶載試驗可

以順利通過。通過補充模擬濾布堵塞試驗，異常試驗

現(xiàn)象可以全部重現(xiàn)。因此得出如下試驗結(jié)論：柴油發(fā)

電機組的關(guān)鍵零部件并沒有損壞，只是空氣過濾裝置

進氣口濾布出現(xiàn)了堵塞，導致出廠試驗失?。桓鼡Q空

氣過濾裝置進氣口濾布即可解決爆壓偏低的問題。

4 結(jié)束語

綜上所述，帶載試驗曾經(jīng)出現(xiàn)的汽缸內(nèi)爆發(fā)壓力

降低以及排氣溫度升高的異常試驗現(xiàn)象，均已通過補

充模擬濾布堵塞試驗得以復現(xiàn)，而且這些異常試驗現(xiàn)

象也找到了相應的理論支撐，充分證實了此前原因分

析的正確性。通過更換空氣過濾裝置進氣口濾布，成

功解決了柴油發(fā)電機組汽缸內(nèi)爆發(fā)壓力降低的出廠試

驗問題。本文可為柴油發(fā)電機組的日常保養(yǎng)維護，提

供一定的參考。

參考文獻

[1] 姚良 .柴油機構(gòu)造及原理 [M].西安：西北工業(yè)大學

出版社，2017.

[2] 李德佳 . 核電站應急柴油發(fā)電機組的特點分析和調(diào)

試 [J].電力設備，2006,7(08):40-44.

[3] 黃開勝，張堯，劉剛 ,等. 進氣壓力對發(fā)動機性能

的影響研究 [J].內(nèi)燃機工程，2017,38(02):73-78.

50 2022.04 設備監(jiān)理

安全分析

Safety Analysis

高壓氣水罐層板和封頭連接焊縫裂紋

成因分析和處理對策

萬 軍 史紅兵

（安徽省特種設備檢測院 合肥 230051）

摘 要：某鋼廠 1 臺高壓氣水罐進行定期檢驗時，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)層板與下封頭連接焊縫存在裂紋缺陷。

本文結(jié)合設備的制造工藝和使用工況進行了裂紋成因分析：封頭和層板連接部位的線接觸層板表面是應力集

中部位，在交變的壓力載荷長期作用下，層板底部萌生疲勞裂紋，并擴展至層板外堆焊焊縫表面。通過去除

裂紋位置整圈層板母材而進行的重大修理可徹底清除裂紋缺陷，保證了設備的安全運行。

關(guān)鍵詞：高壓氣水罐 焊縫 裂紋 成因分析 處理對策

Cause Analysis and Treatment of Weld Cracks between Laminate and Head

of a High- pressure Gas and Water Tank

Wan Jun Shi Hongbing

(Anhui Special Equipment Inspection Institute Hefei 230051)

Abstract During the regular inspection of a high-pressure gas and water tank in a steel mill, the cracks were

found in the welding line between the laminate and the lower head through magnetic powder inspection. Combined

with the manufacturing process and service conditions of the equipment, the causes of the cracks are analyzed as

follows: the line contact laminate surface at the connection between the lower head and the laminate is the part with

concentrated stress; under the long-term action of alternating pressure load, fatigue cracks are initiated at the bottom

of the laminate and extend to the surfacing of the stack weld outside the laminate. Major repair by removing the base

metal of the whole circle of laminates at the crack position can completely remove the crack defects and ensure the

safe operation of the equipment.

Keywords High-pressure gas and water tank Welding line Crack Cause analysis Treatment

中圖分類號：TB496 文獻標志碼：B

文章編號：2095-2465(2022)08-0050-03 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.012

作者簡介：萬軍（1979 ～ )，男，本科，高級工程師，從事

壓力容器檢驗檢測工作。

通訊作者：萬軍，E-mail: wanj863@126.com。

（收稿日期：2022-04-07）

高壓氣水罐是鋼廠中厚板軋制裝置中的配套壓力

容器，利用罐內(nèi)的高壓水瞬間排放噴射水柱來除去鋼

板表面的氧化皮。因儲存介質(zhì)壓力高、蓄能大，一旦

發(fā)生失效事故會直接影響軋制裝置的安全運行，危害

工作人員的人身安全。特種設備檢驗機構(gòu)對某鋼廠 1

臺高壓氣水罐進行定期檢驗時，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)層板與

下封頭連接的焊縫存在裂紋缺陷。本文對裂紋缺陷進

行成因分析，并給出了處理對策，消除了安全隱患，

保證了設備的安全運行。

1 設備及裂紋缺陷情況

壓力容器類別為第 Ⅲ 類； 設 計 標 準 包 括 GB

150—1998《鋼制壓力容器》、HG 3129—1998《整體

多層夾緊式高壓容器》；設計壓力為 32 MPa；最高工

作壓力為 30 MPa；設計溫度為 60 ℃；最高工作溫度

為 50 ℃；容積為 2 m3

；介質(zhì)包括水、空氣；水重裝

系數(shù)為 0.15；內(nèi)筒、封頭、層板材質(zhì)為 16MnR；筒體

厚度為 104 mm(20 mm+12 mm×7)；球形封頭；封頭厚

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 51

安全分析

Safety Analysis

度為 80 mm；結(jié)構(gòu)型式為整體多層包扎；制造日期為

2006 年 2 月；投用日期為 2006 年 12 月。

在 2 年前對該設備定期檢驗時未發(fā)現(xiàn)超標缺

陷，再次定期檢驗時，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)層板與下封頭

連接焊縫存在 2 條縱向裂紋，見圖 1。裂紋長度約

30 mm，分布在第 5 層層板和下封頭連接部位的層板

母材上的堆焊焊縫表面上，使用電動砂輪片對裂紋進

行打磨，發(fā)現(xiàn)裂紋存在一定深度，貫穿整個第5層層板，

深度達到 9 mm，裂紋去除后底部露出封頭外壁，并可

見封頭外壁和第 5 層層板內(nèi)側(cè)之間存在一定斜角的間

隙空洞，見圖 2。

圖 1 高壓氣水罐層板和下封頭連接焊縫

????

圖 2 裂紋和間隙空洞形貌

??

????

對層板裂紋處進行硬度測定，正常部位硬度值

為 125 ～ 135 HBW，裂紋位置硬度值為 135 ～ 150

HBW，裂紋處硬度略微升高，未見明顯異常。

對層板和堆焊層熔覆金屬進行化學成分分析，未

見明顯異常。

2 成因分析

該設備是整體多層包扎壓力容器，結(jié)合設備的制

造工藝和使用工況進行成因分析。

設備按照 HG 3129—1998[1] 進行制造，制造工序

如下：

1）卷制內(nèi)筒體，然后內(nèi)筒體和封頭焊接，焊縫磨

平后 100%RT（射線檢測），焊縫局部消應力熱處理。

2）包扎第1層層板，焊縫磨平后，縱縫100%UT（超

聲檢測），層板筒體和封頭連接焊縫（焊縫型式為對接）

100%MT（磁粉檢測）+100%UT。

3）包扎第 2 層到第 4 層層板，焊縫磨平后，縱縫

10%MT，層板筒體端部和封頭連接焊縫（焊縫型式為

對接）100%MT+100%UT。

4） 包扎第 5 層 層 板， 焊 縫 磨 平 后， 縱 縫

10%MT，層板筒體端部和封頭連接焊縫（焊縫型式為

搭接）100%MT。

5）包扎第 6 層層板，縱縫 10%MT，層板筒體端

部和第 5 層層板連接焊縫 100%MT。

6）包扎最外層層板，縱環(huán)縫 100%MT+100%UT，

層板筒體端部和第 6 層層板連接焊縫 100%MT。

層板包扎時需要注意每層層板包扎前，應將上層

層板上的焊縫磨平，使用專用設備將層板箍緊再焊接，

焊縫錯邊量棱角度盡量小，應保證層板下無超標松動

面積。該設備的裂紋缺陷部位正位于第 5 層層板和下

封頭連接焊縫處，分析裂紋形成主要受以下 2 種因素

影響：

1）第 5 層層板端部存在應力集中部位。第 5 層層

板和封頭連接焊縫屬于搭接焊縫，因為鋼板存在厚度

允許偏差，同時封頭和內(nèi)筒體組裝時存在不均勻錯邊

量。第 4 層層板和封頭焊后打磨消除焊縫余高后，會

發(fā)現(xiàn)第 4 層層板和封頭端部存在一定的平面度超差，

層板端部低于封頭端部。第 5 層包扎后目視檢查發(fā)現(xiàn)

層板端部和封頭貼合，但實際上第 5 層層板下卻存在

一定傾角的間隙空洞，局部封頭外壁和層板間接觸方

式由面接觸變成了線接觸，如圖3所示，應力集中明顯，

焊接拘束應力比較大。另外，筒體（含層板）和封頭

的材料膨脹比不同，封頭膨脹比大于筒體。層板底部

受較高的切應力、拉應力和彎曲應力三向應力共同作

用，其中拉應力為主應力，應力值最高。

2）交變的壓力載荷長期作用。高壓氣水罐為立式

壓力容器，設備底部裝有不超過 0.3 m3 的水 , 設備上部

為空氣。蓄能準備時，容器的工作壓力為 30 MPa。工作

排放時，底部的水瞬間被空氣擠出，工作壓力也瞬間降

為 15 ～20 MPa，每天設備升壓降壓往復工作 20 ～30

次。按投用時間 15 a，每年工作 300 d，計算循環(huán)次數(shù)為

90 000 ～135 000 次。設備壓力波動超過 20% 最高工作

壓力，且循環(huán)往復，存在交變的壓力載荷長期作用 [2]。

52 2022.04 設備監(jiān)理

安全分析

Safety Analysis

?????

圖 3 層板與封頭焊接接頭示意圖

綜上所述，分析裂紋的成因為：因設備存在壓力

交變載荷，封頭和層板連接部位的線接觸層板表面是

應力集中部位，在交變的壓力載荷長期作用下，層板

底部萌生微小的疲勞裂紋，裂紋擴展到一定長度時，

裂紋尖端的應力集中和應變集中會顯著增加，結(jié)果裂

紋會沿著主應力垂直方向擴展至整個層板截面，直至

層板外堆焊焊縫表面。

3 處理對策

在該設備處于高周疲勞時，裂紋大部分壽命消耗

在裂紋萌生階段及微裂紋的成長過程中，而宏觀裂紋

的成長過程在裂紋壽命中所占的比例較小 [3]。因前一

次定期檢驗未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，而此次定期檢驗發(fā)現(xiàn) 2

處裂紋，且位置和特征高度一致，可以推測第 5 層層

板和層板外堆焊層中，極有可能還會存在類似宏觀裂

紋，如設備繼續(xù)使用，宏觀裂紋會迅速擴展，設備安

全無法保證。

因設備已經(jīng)使用了 15 a，達到預期使用壽命，建

議更換。但是設備需要重新采購，且制造更換時間比

較長，所以對設備進行了修理，按照 TSG 21—2016《固

定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4] 制定維修方案，

修理方式如下：

1）因設備層板屬于主要受壓元件，層板的挖補過

程屬于壓力容器的重大修理，修理單位應具有相應資

質(zhì)的壓力容器制造許可證。

2）重大修理施工方案應經(jīng)過原設計單位或具有相

應能力的設計單位書面同意。

3）設備重大修理前，修理單位應向使用地的特種

設備安全監(jiān)管部門書面告知。

4）修理過程應經(jīng)過具有相應資質(zhì)的特種設備檢驗

機構(gòu)的監(jiān)督檢驗。

5）因裂紋萌生于層板下表面，使用相控陣超聲檢

測方法檢查第 5 層層板和封頭連接焊縫是否存在宏觀

裂紋缺陷。經(jīng)檢測又發(fā)現(xiàn) 1 處裂紋，考慮相控陣超聲

檢測方法存在漏檢率，擔心會有宏觀或微疲勞裂紋漏

檢，使用碳弧氣刨刨去裂紋位置整圈層板母材，徹底

露出封頭母材并消除所有間隙空洞，氣刨層板底部凹

槽寬度≥ 8 mm。去除整圈層板母材后，打磨修整成便

于焊接的平底凹槽，凹槽表面經(jīng)磁粉檢測確認裂紋清

除干凈 , 凹槽下封頭表面也未發(fā)現(xiàn)裂紋。最后選用合

適的焊接工藝進行補焊處理，補焊 24 h 后，對補焊部

位進行相控陣超聲檢測和表面磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)新生

裂紋缺陷。

6）重大修理合格后，該設備可監(jiān)控使用 0.5 年。

4 結(jié)束語

1）高壓氣水罐定期檢驗時，應將層板和封頭連接

焊縫處納入重點檢驗部位，建議使用磁粉檢測和相控

陣超聲檢測方法檢查是否存在疲勞裂紋。

2）高壓氣水罐制造時，封頭平齊的層板和封頭連

接焊縫為搭接焊縫時，應檢查層板端部和封頭端部的

平面度是否超差。當封頭高于層板時，應將封頭側(cè)打

磨和層板端部平齊，保證外層層板包扎后無超標空洞

間隙。

3）使用單位在新設備采購時，應向設計單位反映

該設備使用過程中出現(xiàn)的裂紋情況，商定層板和封頭

連接部位的焊接結(jié)構(gòu)，優(yōu)先選用對接焊接結(jié)構(gòu)（如圖

4 所示），避免選用搭接焊接結(jié)構(gòu)。

????

圖 4 第 5 層層板與封頭對接焊接結(jié)構(gòu)

（下轉(zhuǎn)第 70 頁）

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 53

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

從認證角度分析 AGV 產(chǎn)品的安全

施 擎 韓志雄

（通標標準技術(shù)服務（上海）有限公司 上海 201319）

摘 要：AGV 產(chǎn)品在工業(yè)自動化的應用越來越廣泛，尤其在倉儲、搬運等方面的應用更是突出，隨著應用

場景的復雜化，對其產(chǎn)品的安全要求也逐步提升，尤其需要對接國際化的認可。本文從專業(yè)安全認證的角度，

分析了 AGV 產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、機械、電氣及其安全控制功能方面的認證要求，并對如何滿足這些要求的安全措施

提出了具體的方式和解釋，以提高 AGV 產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

關(guān)鍵詞：AGV 安全要求 功能安全

Analysis on Safety of AGV Products from the Certification

Shi Qing Han Zhixiong

(SGS-CSTC Standards Technical Services (Shanghai) Co., Ltd. Shanghai 201319)

Abstract AGV products are widely used in industrial automation, especially in storage, handling, and other

aspects. With the complex application scenarios, the safety requirements of these products are gradually improved,

especially in docking international recognition. From the perspective of professional safety certification, this paper

analyzes the certification requirements of AGV products from the aspects of structure, machinery, electricity and safety

control functions, and puts forward specific ways and explanations on how to meet these safety measures, so as to

improve the quality and safety of AGV products.

Keywords AGV Safety requirement Functional safety

中圖分類號：TB497 文獻標志碼：B

文章編號：2095-2465(2022)08-0053-07 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.013

作者簡介：施擎（1973 ～ )，男，本科，高級工程師，從事

SGS 中國檢驗認證工作。

通訊作者：施擎，E-mail: Mesen.shi@sgs.com。

（收稿日期：2022-05-11）

1 AGV 產(chǎn)品的背景、意義和應用

中國在近幾十年的發(fā)展過程中，除了傳統(tǒng)技術(shù)的提

升外，在很多方面也走在了前沿，在新的第四次工業(yè)革

命的理論和技術(shù)帶領(lǐng)下，很多只存在科幻電影和小說中

的事物，逐步現(xiàn)實化?；诠I(yè)自動化的制造集成和智

能化的發(fā)展快速鋪展，比如車輛自動泊車、自主物流配送、

無人駕駛等，已經(jīng)出現(xiàn)在人們的生活和工作中。

AGV(Automated Guided Vehicle，簡稱 AGV，通常

稱為AGV小車)最早可以追溯到20世紀60～70年代[1]，

雖然有被應用，但無論數(shù)量和應用領(lǐng)域都因為自身的

特點被限制發(fā)展。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，AGV 已發(fā)展

為具有靈活、小巧、多功能的集合體，突破了時空限制，

同時又適合當下的需求。

這些應用是一個復雜的系統(tǒng)集合體，規(guī)模性的應

用需要做很多探索，于是隨之產(chǎn)生的需求就是如何形

成應用廣、樣式多、效率高、可控性強、安全可靠且

限制少以及最大限度發(fā)揮系統(tǒng)的自主特性來推進落地

的應用。在中國快速發(fā)展的過程中，為了滿足快速增

加的供需關(guān)系，倉儲和物流這個基礎(chǔ)行業(yè)被推到了最

前端，因此為解決供需效率問題，AGV/AMR（自主

移動機器人）作為一個可被應用的典型產(chǎn)品在該行業(yè)

中最先使用起來，同時對這類產(chǎn)品的安全關(guān)注也提到

了一個新的高度。本文將從安全認證的角度分析并給

出應對的安全策略。

目前，市面上的 AGV 種類很多，衍生的產(chǎn)品已經(jīng)不

限于在倉儲物流上使用，可以根據(jù)不同的應用場景來定

制，AGV 產(chǎn)品示例見圖 1，定制 AGV 示例見圖 2。

AGV 機器人應用領(lǐng)域已經(jīng)率先從汽車、倉儲物流、

54 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

電商倉儲、電子等傳統(tǒng)領(lǐng)域 [2], 逐漸向新能源、環(huán)保設

備、高端裝備、半導體等新興領(lǐng)域發(fā)展。同時，各地

的 AGV 機器人企業(yè)解決方案，也將從傳統(tǒng)汽車及 3C

（國家強制性產(chǎn)品認證）制造向新場景和新行業(yè)延伸。

圖 1 AGV 產(chǎn)品一覽 [2]

圖 2 定制 AGV 示例

2 AGV 的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和安全要求

AGV 產(chǎn)品具有自主運行、自主承載等功能，所

以設計時需要對其進行風險評估。風險評估需要考慮

AGV 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、構(gòu)成和應用。本章節(jié)先從 AGV 的系

統(tǒng)到 AGV 的本體，再從 AGV 系統(tǒng)的安全到 AGV 本

體的安全方面做出分析。

2.1 AGV 系統(tǒng)的構(gòu)成

早期的 AGV 控制系統(tǒng)需解決的主要問題包括

AGV 的導航（Navigation）、AGV 的路徑規(guī)劃（Layout

Designing）、AGV 的 導 引 控 制（Guidance）3 個 主

要技術(shù)。為了能夠解決好這些問題，AGV 系統(tǒng)的

構(gòu)成也必然復雜。

隨著技術(shù)的發(fā)展，AGV 系統(tǒng)有了更多的特性，在

制造業(yè)中可以同步到制造執(zhí)行系統(tǒng) MES(Manufacturing

Execution System)，如圖 3 所示。

??2

??2 ??3

??

??

??3

????

???? ????

????

????

????

????

???? ????

????

??

?OPC???

????

?OPC???

AGV???? AGV????

MES

Station RCS

AGV AGV AGV

Warehouse

??

??

圖 3 AGV 與 MES 系統(tǒng)對接示意圖 [3]

Station- 工作站；OPC- 用于過程控制的 OLE；Warehouse- 倉庫

AGV 系統(tǒng)主要由機器人控制系統(tǒng)（Robot Control

System，簡稱 RCS）、平臺系統(tǒng)和多臺AGV小車本體組成，

上層 RCS 平臺作為小車搬運系統(tǒng)的大腦，主要負責AGV

小車的任務分配及調(diào)度，而 AGV小車則作為任務的執(zhí)

行者，直接和系統(tǒng)中的機臺對接，自動完成搬運任務 [4]。

當系統(tǒng)需要將機臺 A 的貨物接送到機臺 B 時，

首先由 MES 生成相應的任務發(fā)送至 RCS，RCS 根

據(jù)智能算法選取滿足需求的最近的 AGV，行進至機

臺 A，到位后，上層執(zhí)行機構(gòu)進行動作，執(zhí)行機構(gòu)

完成動作后，AGV 再移動至機臺 B。為了保證動作

的可靠性及 AGV 整體的安全性，在 AGV 移動過程

中，上層執(zhí)行機構(gòu)不進行動作。而當上層執(zhí)行機構(gòu)

動作時，AGV 底盤保證自身位置固定，通知執(zhí)行機

構(gòu)完成相應的任務 [5]。

在生產(chǎn)、物料與運輸之間無縫對接，輔助提高

了生產(chǎn)自動化，有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可追溯

性。同時也可以基于倉儲管理系統(tǒng) WMS(Warehouse

Management System) 和企業(yè)資源計劃 ERP（Enterprise

Resource Planning）等軟件實現(xiàn)對倉儲和生產(chǎn)的匹配性

關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)和狀態(tài)的交互，如圖 4 所示。與

此同時，其既可以實時被監(jiān)控也可以將數(shù)據(jù)同步到云

平臺，如圖 5 所示。

圖 4 系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的互相關(guān)聯(lián)

ERP

MES

??

WMS

?? ????? ????? ???? ??????

???

?????

???? ??????

??????

PWS-450 PWS-450 PWS-770

??? ???

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 55

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

圖 5 數(shù)據(jù)的平臺化

????

????

????

????

????

????

????

?????

????

CNC?????? ????? ??CCD?? ??CCD?? ?????

????????????????

???? ????

???????

?MDI?

????

????

????

????

????

PLM

???

???

APS

??

??

MES

???

???

PCT

???

???

VIF

???

???

WMS

???

???

AGV

???

??

…

24??

??

CAPP

???

????

????RFID RGV AGV ????? ?????

CNC- 數(shù)控機床；RGV- 軌道移動車輛；CCD- 圖像傳感器；

RFID- 射頻識別（電子標簽）

可以將這些積累的數(shù)據(jù)用于更大的平臺，做數(shù)據(jù)

分析并精準做到生產(chǎn)投入、產(chǎn)品投放等類似定制化

服務。因此，一個完整的 AGV 是一個復雜的系統(tǒng)，

涉及的安全從整體方面來講包含數(shù)據(jù)安全（信息安

全）和控制系統(tǒng)安全。數(shù)據(jù)安全的核心將涉及信息

安全的特點，由于其涉及具體應用的范疇，對于信

息安全本文暫不做分析，只基于 AGV 本體的安全展

開論述。

2.2 AGV 本體的結(jié)構(gòu)

AGV 本體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，會根據(jù)不同類

型的 AGV 調(diào)整相關(guān)配件，其基本結(jié)構(gòu)由硬件和軟件

組成 [6]。

基礎(chǔ)的硬件系統(tǒng)包含 4 類模塊：

1) 第一類模塊：車架、主要承載相關(guān)的配置。

2) 第二類驅(qū)動模塊：電機及其配套、傳感器、驅(qū)

動器、控制器、電器保護器件。

3) 第三類動力模塊：電池、外置電池充電器。

4) 其他類輔助模塊：接插件、無線天線控制

器、I/O 數(shù)據(jù)模塊、控制域網(wǎng) CAN（Controller Area

Network）線，其他線類，接口類，外圍的裝置設施以

及輔助器件。

基礎(chǔ)的軟件系統(tǒng)包括以下 3 個系統(tǒng)：

1) 交互系統(tǒng)，如人機界面 HMI（Human Machine

Interface）、WIFI 等；

2) 控制系統(tǒng)，如 AGV 的任務控制、安全控制等；

3) 調(diào)度系統(tǒng)，如 RCS 平臺等。

2.3 AGV 的安全要求

AGV 本體安全特性也圍繞著上述系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的

特點 [7]，在預定的應用場景和適用路徑上，其安全特

性主要體現(xiàn)在 3 個方面，即機械安全、電氣安全以及

功能安全。這些安全的判定依據(jù)主要來源于 2 類標

準體系即歐標和美標，歐標的體系相對比較完善，

包含 ISO 3691-4: 2 020《工業(yè)卡車—安全要求和驗

證 第 4 部分：無人駕駛的工業(yè)卡車及其系統(tǒng)》[8]，EN

1175: 2020《工業(yè)卡車的安全—電氣 / 電子要求》，

EN 60204-1: 2018《機械安全—電氣通用要求》，EN

12895: 2015《工業(yè)車輛—電磁兼容要求》。美標 UL

3100：2021《自主移動平臺》的要求主要集中在 AGV

部件和 AGV 本體，沒有系統(tǒng)性對整車做出要求，因此

本文也只從歐標入手分析安全要求。

● 2.3.1 材質(zhì)的通用安全要求

歐標以及美標要求 AGV上用到的非金屬材料、部

件甚至輔材等需要具有阻燃性，其阻燃最低要求是V-2。

● 2.3.2 AGV 的機械安全要求

機械安全的要求主要是針對車架和外圍的防護體，

也包含其部件以及應用條件下的分析：

1）設計方面對于可接觸的結(jié)構(gòu)體都需要避免鋒利

的邊緣和角，對于有護罩的部位，需要注意其裝配以

及開孔的間隙不能造成可伸入的危險。這里的可接觸

是指在 AGV 整個生命周期內(nèi)，對 AGV 進行操作、維

修維護以及拆分，更換部件等過程可以接觸的。

2）用于結(jié)構(gòu)上帶有蓄能的組件，例如蓄能器、

彈簧，針對這些部件需要在接觸前采用恰當?shù)姆绞叫狗?/p>

其能量。

3）對于車體的結(jié)構(gòu)強度，需要設計承受大于 1.3

倍額定負載以上的強度，并推薦使用 ANSYS 軟件進

行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4）車架在優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，需要結(jié)合應用對整車的穩(wěn)

定性進行分析，穩(wěn)定性常見的分析包含側(cè)翻與側(cè)滑，

其反映了 AGV 在不同負載和不同速度狀態(tài)下的行駛

特點。作為標準性的要求，通常需要分析在最惡劣情

況下，分別在任何方向發(fā)生側(cè)翻和側(cè)滑的可能性，尤

其是在允許斜面使用的情況下，需要施加任何方向的

受力后進行判定。

5）對于外殼的安全性要求，因為除需要具有一定

的強度外，還需要經(jīng)受外部碰撞的沖擊，尤其是非金

屬外殼，需要結(jié)合應用場景，還需要滿足抗 UV（紫

外線）、抗老化等特性。

56 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

● 2.3.3 AGV 的電氣安全要求

1) 動力源。AGV 本體是由電池提供動力源，其

供電特性根據(jù)不同種類的 AGV 會有區(qū)別，按照目前

的應用（不含 DC/AC），大致可以分為 4 個區(qū)段，

見表 1。

電池供電電壓 /V 電池供電電壓 /V

Un ≤ 48 96<Un ≤ 240

48<Un ≤ 96 240<Un ≤ 550

表 1 AGV 本體的電池供電特性

此外，目前均使用鋰電池作為主要電池選型，有

分體式電池，也有一體式電池，電池本身的安全需要

得到充分的驗證，包含：

（1）運輸許可；

（2）電池電芯的安全要求需要滿足 IEC

62619: 2017《工業(yè)用含有堿性或其他非酸性電解質(zhì)的

二次電池和電池組—二次鋰電池和電池組的安全要求

和測試方法》；

（3）電池組的安全要求需要滿足 IEC 62619:

2017；

（4）電池的 BMS（電池管理系統(tǒng)）需要按照冗

余保護設計。

其電流分為充電電流以及輸出電流，對于 AGV

本體來講，與電流相匹配的是電器件的選型和設計，

其主要包含：

（1）充電插接頭的選型；

（2）充電電線的選型；

（3）輸出電路的電線選型；

（4）充電電路的保護器件選型；

（5）輸出電路的保護器件選型；

（6）BMS 的設計；

（7）接觸器的選型或者設計；

（8）電流測試儀器的選型。

需要注意的是，充電端的器件選型應該以允許最

大充電電流為依據(jù)，輸出端需要按照可能承受的最大

短路電流進行選型，因為可以同時考慮線路的耐受性

和電氣特性。

2) 基礎(chǔ)電氣要求。基本電氣要求需要遵循 EN

1175: 2020 與 IEC 60204-1: 2016《機械安全—電氣通

用要求》，不同類型的 AGV 需要滿足的基本要求有

區(qū)別，主要概括要求見表 2。

EN 1175-1:1998 +A1: 2010 EN 1175-2:1998 +A1:2010 EN 1175-3:1998 +A1:2010 IEC 60204-1: 2016

通用要求（供電） 5.7，5.8，5.10，5.11，5.12， 5.13，5.14，5.15，

6.1，6.2，6.3，6.4，6.5，6.1.2，6.1.3 5.1，5.2，5.4，5.5 5.1，5.2，5.3，5.5，5.6

適用于除如下章節(jié)外的條款：4.3.2，4.4.5，

5.3.5，6.2.5，6.2.6，6.3.3，7.2.2，9.1.1，

9.4.3.1.2，9.4.3.1.4，9.4.3.1.5，11.5，18.2.4

啟動 5.9.3，5.9.5，5.9.8，5.12.1 5.3.1 5.4.1，5.4.2，5.4.3 7.3.1，7.5，9.2.3.2，9.3.1

停止 5.13，6.2.2，6.4 5.3.4 5.4.4 不適用

供電失效 5.6，5.9.1，5.9.11 5.3.1，5.3.6 5.4.5 5.4，7.5

機械維護 7.1，7.2，7.3 6.1，6.2 6.1，6.2 不適用

能源隔離 5.1.3，5.2，5.5，5.7，5.13，6.2，6.4 5.1.3 5.1，5.2，5.5 5.3，10.8

電池 5.1 ( 整節(jié) )，5.2，5.12，5.15.3，6.1，6.2，6.5.3 5.1，5.3.1 不適用 不適用

防火 5.2，5.4，5.5，5.8 5.2，5.4 ( 整節(jié) ) 5.3，5.5.2，5.5.4，5.5.5 不適用

表 2 AGV 涉及的電氣要求 [8]

通常布線也是影響安全的因素之一，線路的合理

布局和器件的分布密不可分，主要遵循以下 10 個方面

要求：

（1）不同電壓的線路需要分離，通訊線和供電線

需要分離 ;

（2）線和器件都需要有編號；

（3）1 個端子只能接 1 根線；

（4）導線盡量端子到端子；

（5）需要防止線穿孔割傷絕緣層；

（6）運動部件處布線需要固定且與運動部件保持

一定距離；

（7）器件需要滿足 IP2X（防護等級）；

（8）線需要滿足兩類絕緣特性；

（9）不能存在直接接觸的帶電體；

（10）避免在散熱體附近布局。

3）電磁兼容要求。另外一部分的電磁安全要求是

體現(xiàn)在電磁兼容方面，大部分 AGV 采用無線傳輸，

因此 , 其耐受干擾和自身的干擾問題也是需要面對的

安全要求之一，電磁兼容的要求主要參考 EN 12895:

2015《工業(yè)車輛—電磁兼容》進行測試和驗證。

● 2.3.4 AGV 的安全功能要求

作為 AGV 能夠應用于多場景的保障，安全功能

是其必須具有的屬性，需要遵循的常見的安全功能主

要依據(jù)是 ISO 3691-4: 2020，該安全功能的實現(xiàn)需要

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 57

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

依據(jù) EN ISO 13849-1: 2015《機械安全控制系統(tǒng)有關(guān)

安全部件 第 1 部分：設計基本原則》做設計和驗證，

疊加實際應用場景會使安全功能有所擴展 [9]。主要安

全功能的安全需求見表 3。

安全功能 最低安全需求等級 (EN ISO 13849-1：2015）

剎車系統(tǒng) d

速度控制 c-d

自動充電 b

負載舉升 b

穩(wěn)定性 c

急停 d

人員保護裝置 d

模式選擇 d

報警 a

限定區(qū)域 d

復合型安全功能 不低于原有安全功能等級需求或依據(jù)風險評定

來判定的安全需求

表 3 最低安全功能的安全需求等級

這些技術(shù)和功能上的安全要求，對 AGV 單體系

統(tǒng)形成了基本規(guī)范，使 AGV 系統(tǒng)的安全從根本上得

到了有效保障。

3 應對安全要求的方法和策略

上述 AGV 的安全要求的實現(xiàn)，對于制造商，既

需要考慮成本因素也需要考慮市場因素。從認證角度

來看，需要滿足基本安全原則，即在滿足相關(guān)標準要

求的前提下，優(yōu)化認證方案，滿足企業(yè)對于產(chǎn)品基本

市場競爭面的需求，同時也可以輔助企業(yè)減少成本。

3.1 解決機械安全的策略

解決機械方面安全需要從設計入手，針對車架，

需要同時考慮強度、穩(wěn)定性、抗沖擊性、抗振動等問題。

從應用角度需要考慮重量、空間、外形、體積、精度、

運載能力、效率、裝配等情形。一個符合應用需求的

AGV 結(jié)構(gòu)具有多屬性的特征，所以可以應用模塊化的

設計方案，即結(jié)合相關(guān)安全間隙因素，建立三維模型；

然后用 ANSYS 對模型的關(guān)鍵部件進行靜力學校核、

模態(tài)分析和優(yōu)化分析；再基于拉格朗日方法動力學方

程，對整體進行運動學分析和動力學分析；結(jié)合動力

學的模型，用 ADAMS 仿真結(jié)果驗證分析的正確性。

通過該設計流程，可以滿足大部分的結(jié)構(gòu)主體和

應用需求。同時也可以在設計過程中完善相關(guān)的認證

支撐文件，對于企業(yè)，在認證過程中不需要做重復性

的工作。

3.2 解決電氣安全的策略

對于電氣安全，需要從控制邏輯和標準強制要求

入手?？刂七壿嫲骷约安牧系淖R別、采購和

應用，因此，需要關(guān)注以下兩方面：

1）器件需要具有符合國際性認證的報告或者證

書，常見的是 UL/UR（美國標準）或者 CE（歐盟強

制認證），報告類一般是 IEC（國際電氣標準）的測

試報告；

2）材料的采購需要考慮應用特性，AGV 內(nèi)外用

的材料需要單獨分別考慮，主要包含強度、阻燃性、

絕緣性、耐熱性和抗老化性。

標準強制要求是對標準硬性要求的轉(zhuǎn)化，可以通

過管理手段將標準要求落實到操作、裝配以及出廠檢

查等方式上。

3.3 解決功能安全的策略

對于安全功能應對策略，著重于考慮本質(zhì)。目前

從安全要求入手，可以分為固定的成本因素和可改善

的成本因素 2 類。固定的成本因素是指硬性成本，如

車架 / 車體、外殼、電池、人員保護裝置、輔助裝置。

可改善的成本因素可以分為可優(yōu)化部分和非可優(yōu)化部

分，非可優(yōu)化部分如按鈕開關(guān)、保險絲、接觸器、電

機、齒輪箱、無線天線、無線模塊、蜂鳴器、燈等；

可優(yōu)化部分主要集中在控制側(cè)。不同公司的主控都有

其各自的特點，如傳感器、控制器、驅(qū)動器等，因此，

主要在此做相關(guān)的改進。

應對安全功能的初步方案是市面上曾經(jīng)推出的基

于安全 PLC（可編程控制器）的一站式解決方案，如

圖 6 所示。

圖 6 AGV 安全解決策略圖示（摘自 SICK）

AGV????

AGV驅(qū)動

反饋??

????

?? ????

?? ??I/0

SSM/SDI

/SLS

CPU3

S3000 Remote S300 Mini Remote

SSM/SDI/SLS- 安 全 速 度 監(jiān) 控；Remote- 遠 距 離 型；

Mini remote- 微型遠距離型

58 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

該方案在認證開始時，通過標準的安全組件，可

以很快地滿足標準 EN 1525: 1997《車輛安全要求 -

無人駕駛車輛及其系統(tǒng)》中對于安全功能的要求。隨

著不同的應用要求，該套方案逐漸無法滿足小空間、

低成本的需求，并且該套方案也不能完整地解決需要

主控器參與的安全控制邏輯。與此同時，由于產(chǎn)品對

應標準更新為 EN ISO 3691-4: 2020 以 及 EN 1175:

2020，對于其安全回路的要求有了進一步的改善要求，

越來越多的制造商選擇自主研發(fā)的控制器替代之前的

安全解決方案中的安全 PLC，自主核心的安全控制器

可以更適用于自身系統(tǒng)，同時成本最低。

解決自主研發(fā)部件的安全功能一般包含如下

步驟：

1）風險評估，對機器人生命周期相關(guān)階段內(nèi)的風

險進行識別，并做評估和評價，導出安全需求；

2）依據(jù)風險評估結(jié)果，對于需要電氣控制措施參

與的降低風險的解決方式，提出預計的安全思路，確

認安全功能需求；或者如果有針對該產(chǎn)品的標準要求，

需要直接參考標準要求的安全需求；

3）應用安全需求的架構(gòu)設計（輸入單元、邏輯單

元、輸出單元）(Cat)，查找或計算各單元器件的失效

率或者平均無故障時間（MTTFd）、診斷覆蓋率 (DC)

以及影響架構(gòu)因素的共因失效等關(guān)鍵因素；

4）評估性能等級 PL 是否滿足性能需求 PLr

。一

旦確定 3) 中提及的 4 類參數(shù)，可通過計算確定結(jié)果。

如果結(jié)果滿足 PL ≥ PLr

，則該設計符合安全需求。

如上因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖 7 和表 4。

圖 7 PL 等級和 3 個因素的關(guān)系 [9]

PL

MTTFd=Low

MTTFd=Medium

MTTFd=High a

b

c

d

e

Cat.B

DCavg none

Cat.1

DCavg none

Cat.2

DCavg low

Cat.2 DCavg medium

Cat.3

DCavg low

Cat.3 DCavg medium

Cat.4

DCavg high

5）如果該過程涉及自行開發(fā)的軟件，則需要按照

V 模型對軟件進行開發(fā)驗證，如圖 8 所示。

如果按照EN ISO 13849-1：2015進行軟件的開發(fā)，

軟件的文件應包括 3 個方面：

PL 的關(guān)鍵參數(shù) 評估準則

形式上的架構(gòu)

標準給出的類別：規(guī)定 SRP/CS（控制系統(tǒng)有

關(guān)安全部件）可實現(xiàn)的構(gòu)架，包含輸入、邏輯以

及輸出單元。

1 類是通過選擇和應用合適的元件來保障安全

回路；

2 類是通過對器件進行一定周期的檢查保障安

全回路；

3 類是通過冗余設計保障發(fā)生單一故障時不會

導致安全回路失效；

4 類是通過冗余設計避免累計發(fā)生故障的可

能性

1；2；3；4

（4 類架構(gòu)）

部件的可靠性

平均危險失效時間 MTTFd 或者 PFHd；

安全部件的可靠性 MTTFd，B10d，nop 等，

MTTF B

n d

10d

op 0.1   ；

系統(tǒng)的可靠性： 1

MTTF MTTF i

i

N

d d

=1

1  

高；中；低

（3 種）

故障的診斷能力

平均診斷覆蓋率 DCavg：

部件的診斷覆蓋率 DC;

系統(tǒng)的診斷覆蓋率

DC

DC

MTTF

DC

MTTF

DC

MTTF

MTTF MTTF MT

N

N

avg

d1 d2 d

d1 d2

1 2

1 1 1

?

? TFdN

無；低；中；高

（4 種）

設計的可靠性 共因失效 6 項基本原則

高于 65 分，架構(gòu)

符合；低于 65 分，

需重新考慮架構(gòu)

（2 種結(jié)果）

表 4 關(guān)鍵因素要求展示 [10]

注：PFHd- 每小時發(fā)生的危險失效的概率；B10d- 知道有

10% 的原件發(fā)生危險失效時的平均周期數(shù)；nop- 年平均操作次數(shù)

圖 8 軟件開發(fā)流程 [9]

????????

????

??????

????

??

??

??Outputs

Verification??

????

????

??????

?????????

??????

????

????

（1）明確無誤的技術(shù)規(guī)范，并規(guī)定軟件需要達到

的安全性能；

（2）軟件的設計能達到所需性能等級的證據(jù)；

（3）用于證明達到了所需性能等級的試驗細節(jié)（尤

其是實驗報告）。

涉及確認的文件類別 [11] 見表 5。

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 59

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

文件要求

與類別相關(guān)的所需的文件

1 2 3 4

基本安全原則 X X X X

預期操作力 X X X X

被加工材料的影響 X X X X

受其他相關(guān)外部影響時的性能 X X X X

經(jīng)驗證的元件 X — — —

經(jīng)驗證的安全原則 X X X X

各通道平均危險失效時間 X X X X

安全功能的檢查程序 — X — —

執(zhí)行的診斷措施，包含故障反應 — X X X

檢查間隔（若有規(guī)定） — X X X

診斷覆蓋率（DC） — X X X

設計時考慮的可預見單一故障

和采用的檢測方式— X X X

已識別的共因失效以及預防方法 — X X X

可預見的單一故障排除 — — X X

待檢測的故障 — X X X

每種故障條件下如何保持安全功能 — — X X

每種組合故障條件下如何保持安全功能 — — — X

防止系統(tǒng)性故障的措施 X X X X

防止軟件故障的措施 — X X X

表 5 與性能等級有關(guān)的文件要求 [11]

注：X—需要的文件；— —不需要的文件

依據(jù)標準開發(fā)的控制系統(tǒng)能夠在保持所需安全屬

性不變的前提下，最大限度地貼合自身的產(chǎn)品，從軟硬

件保障安全的可靠性，同時也降低了核心部件的成本。

4 結(jié)束語

近年來，AGV 的迅猛發(fā)展以及其在市場變化的需

求，推動了市場對 AGV 安全的重新審視。隨著 AGV

技術(shù)被應用于多場景，安全問題顯得尤為重要，需要

從基礎(chǔ)的關(guān)注點加速展開相關(guān)的安全認證的規(guī)范性和

一致性，既可以提高相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全，在國際

市場上形成競爭力，也可以切實保障人身安全和財產(chǎn)

安全。

參考文獻

[1] 楊文華 . 我國倉儲物流機器人發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨

勢 [J]. 物流技術(shù)與應用，2017,22(09):100-102.

[2] 杭州?？禉C器人技術(shù)有限公司.海康智能倉儲機器

人系統(tǒng)助力用戶實現(xiàn)智慧物流 [J].自動化博覽，2017，

(07):44-47.

[3] 高凈凈.基于 MES 與 AGV互聯(lián)的智能倉儲系統(tǒng)設計

[J].機電工程技術(shù)，2021,50(07) ：72-74.

[4] 楊帆，李昆 .AGV 調(diào)度系統(tǒng)設計 [J].汽車工藝與材料，

2021,(12) ：16-23.

[5] 戴志存.AGV調(diào)度系統(tǒng)的設計[J].物流技術(shù)與應用，

2015，20(09) ：149-152.

[6] 賈新鵬，袁鋒偉，黃貞普.自動導引小車（AGV）

車架 結(jié) 構(gòu)設計與仿真分 析 [J]. 機電工 程 技 術(shù)，

2022,51(03):192-196.

[7] 李明儒 .AGV系統(tǒng)的安全設計研究 [J].物流技術(shù)和

應用，2018,23（09）：148-150.

[8] ISO 3691-4:2020 I n d u st ria l t ru cks— Safety

requirements and verification—Part 4 ：Driverless industrial

trucks and their systems[S].

[9] ISO 13849-1：2015 Safety of machinery—Safetyrelated parts of control systems—Part 1：General

principles for design[S].

[10] 楊學志 .淺析機器人功能安全 [J]. 機器人產(chǎn)業(yè)，

2019，(03):74-80.

[11] ISO 13849-2：2012 Safety of machinery—Safetyrelated parts of control systems—Part 2: Validation[S].

2）提升產(chǎn)能需要科學評估原有裝置的適用性，科

學分析原設備失效原因，為技改設備提供經(jīng)驗反饋。

3）技改設備制造應充分了解原設備失效原因，在

設計、制造、運行等方面給予改進，避免同類問題的

重復發(fā)生。

參考文獻

[1] 趙月東 , 趙宗珂 , 施勇 ,等.甲醇 羰基化制醋

酸產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵影響因素探討 [J].化工生產(chǎn)與技

術(shù) ,2012,19(06):55-56+58+10.

[2] 曹有章 .甲醇低壓羰基合成法制醋酸合成工序生產(chǎn)

工藝分析及改造優(yōu)化 [J].化工管理 ,2020,(17):210-211.

[3] 高希, 徐航 ,宋菲菲 .醋酸生產(chǎn)精餾工藝研究 [J].

上?；?,2017,42(06):27-29.

[4] 張斌 ,閆海軍 , 王文全 .醋酸裝置 C276 脫水塔冷

凝器泄漏原因分析 [J].設備監(jiān)理 ,2022,(01):40-44.

（上接第 45 頁）

60 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

地鐵電動客車蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究

譚康柏 張振江

（北京城市軌道交通咨詢有限公司 北京 100068）

摘 要：為適應現(xiàn)代軌道交通智能運維和全自動無人駕駛技術(shù)發(fā)展需求，地鐵電動客車蓄電池作為軌道

車輛重要設備，研發(fā)其在線監(jiān)測系統(tǒng)十分重要。本文介紹了蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成，對其實時狀態(tài)監(jiān)測、

故障預測及報警、數(shù)據(jù)存儲及通信、數(shù)據(jù)分析及應用等功能進行說明，通過建立完善的計算模型、試驗驗證，

并對計算模型和相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，確保電池監(jiān)測系統(tǒng)測試精度和應用效果，為研究開發(fā)該類系統(tǒng)提供了借

鑒和參考。

關(guān)鍵詞：蓄電池 在線監(jiān)測 狀態(tài)監(jiān)測 蓄電池內(nèi)阻

Research on On-line Monitoring System Technology

of Metro Electric Bus Battery

Tan Kangbai Zhang Zhenjiang

(Beijing Urban Rail Transit Consulting Co., Ltd Beijing 100068)

Abstract In order to meet the development needs of modern rail transit intelligent operation and maintenance

and FAM technology, as an important equipment of rail vehicles, it is imperative to develop its online monitoring

system. This paper introduces the composition of the battery on-line monitoring system, and explains the functions of

real-time state monitoring, fault prediction and alarm, data storage and communication, data analysis and application.

By establishing a perfect calculation model, experimental verification, and optimizing the calculation model and related

parameters, the test accuracy and application effect of the battery monitoring system can be ensured, which provides a

reference for the research and development of this kind of system.

Keywords Storage battery On-line detection Condition monitoring Internal resistance of storage battery

中圖分類號：TB497 文獻標志碼：B

文章編號：2095-2465(2022)08-0060-05 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.014

作者簡介：譚康柏（1968 ～ )，男，碩士，高級工程師，從

事地鐵車輛技術(shù)咨詢和監(jiān)造工作。

通訊作者：譚康柏，E-mail: bjtankb@163.com。

（收稿日期：2022-05-16）

1 列車蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著科技進步，新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)在地鐵

車輛的應用越來越多。地鐵電動客車的牽引系統(tǒng)、制

動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等技術(shù)獲得長足發(fā)展。空調(diào)、車門、

牽引、制動等車輛子系統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)相繼研發(fā)成

功，提升了車輛檢修效率，優(yōu)化運維管理模式，取得

了良好成效。相較于上述車輛子系統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)

的研發(fā)和應用，蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)起步較晚，加上

其在線監(jiān)測技術(shù)難度高，開發(fā)高性能系統(tǒng)的工作量大，

研發(fā)和制造成本高等原因，導致目前應用不成熟，亟

須進一步研究提高。

研究蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)必須妥善解決以下問題：

1）蓄電池在不同條件下，釋放的電量不同，因

此測試條件改變時，其容量測試的結(jié)果會有變化。蓄

電池精確容量是在試驗室嚴格按照國家標準測出的，

而在線監(jiān)測的測試條件是隨機的，無法和試驗室條

件匹配，因此簡單的檢測系統(tǒng)很難精確給出蓄電池

容量（SOC）。

2）不同類型蓄電池具有不同的物理特性，一個成

熟的檢測系統(tǒng)，只能適用于某一特定規(guī)格蓄電池，每

個不同型號規(guī)格的蓄電池必須有 1 套與其匹配的監(jiān)測

系統(tǒng)。

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 61

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

3）蓄電池在地鐵電動客車上由數(shù)量很多的單體串

聯(lián)而成，如堿性電池的數(shù)量在 80 塊左右，參數(shù)檢測點

多，系統(tǒng)硬件龐大，參數(shù)統(tǒng)計計算復雜，開發(fā)制造成

本較高。

隨著軌道交通智能運維技術(shù)發(fā)展，尤其是全自動

無人駕駛的需求，對城市軌道交通的關(guān)鍵系統(tǒng)和部件

進行實時在線監(jiān)測變得越來越重要。蓄電池在線監(jiān)測

系統(tǒng)是連接電池和列車的重要橋梁，通過在線監(jiān)測可

以防止使用過程中蓄電池過充過放，避免電池在過高

或過低的溫度下工作，而且可利用數(shù)據(jù)處理和通訊功

能完成故障預警、報警和智能運維的功能。研究開發(fā)

集成度高、兼容性強、功能全面的蓄電池在線監(jiān)測系

統(tǒng)勢在必行。

2 列車蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)功能

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時檢測車載電池的剩

余容量，監(jiān)測蓄電池狀態(tài)，其主要功能有 4 個方面。

2.1 實時狀態(tài)監(jiān)測功能

通過傳感器，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)可直接檢測單體電

池工作電壓、工作電流和溫度等參數(shù)；同時配合軟件

算法，可計算蓄電池的內(nèi)阻、實時剩余容量等。系統(tǒng)

根據(jù)這些參數(shù)，綜合蓄電池的特性來判斷電池工作狀態(tài)。

2.2 故障預測及報警功能

各種型號規(guī)格的蓄電池都有其自身特性參數(shù)。在

線監(jiān)測系統(tǒng)將采集到的工作參數(shù)和蓄電池固有特性參

數(shù)進行對比分析，蓄電池工作參數(shù)在正常范圍的時候

顯示正常，在亞健康范圍進行故障預測并給出提示，

超出故障閾值時報警。系統(tǒng)實時監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，對電

池故障做出預測和報警，防止過充電或過放電，避免

對蓄電池造成損傷，從而提高蓄電池系統(tǒng)可靠性及其

使用壽命 [1]。

2.3 數(shù)據(jù)存儲及通信功能

系統(tǒng)設置大容量的存儲硬件來存儲數(shù)據(jù)，其容量

可以根據(jù)用戶的維護需求進行調(diào)整，目前典型的系統(tǒng)

可確保存儲至少 6 個月的過程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)配置以太網(wǎng)、

MVB（多功能數(shù)據(jù)總線）等通信接口來適配車輛總

線需求，實現(xiàn)在線上傳系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)功能；同時配置

RS232、USB 等串行接口，用于現(xiàn)場維護的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 數(shù)據(jù)分析及應用功能

數(shù)據(jù)分析及應用功能具有以下 3 種：

1）系統(tǒng)以故障發(fā)生時間點為基準，進行故障數(shù)據(jù)

分析。分析故障前一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)來查找故障原因；

分析故障后一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以判斷故障所帶來

的損傷和后果。

2）通過對下載數(shù)據(jù)分析，便于了解蓄電池的車載

充放電情況和性能狀態(tài)，及時掌握蓄電池的使用維護

情況，提醒維護管理人員及時處理，避免事故的發(fā)生，

極大地提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3）通過對不同類型的蓄電池的數(shù)據(jù)對比分析，比

較各自的優(yōu)劣和適用特性，為不同條件的用戶挑選最

優(yōu)產(chǎn)品提供依據(jù)。

3 列車蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

車輛蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬

件包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊及通信接口等，提供

數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和邏輯控制的硬件條件，并且為

數(shù)據(jù)傳輸提供通路。軟件包括通用部分、數(shù)據(jù)處理模塊、

狀態(tài)判定模塊、故障診斷模塊以及通信模塊等。

3.1 硬件系統(tǒng)

● 3.1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)

可以降低布線難度，提高系統(tǒng)可維護性。監(jiān)測系統(tǒng)由

主控器、采樣盒、傳感器和通信接口等組成?？傮w的

方案拓撲架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)拓撲架構(gòu)圖

?????10?

?????

?????10?

?????

???1

???2

????

????

???

???

???

?BMU?

BMS??????

????

????

??110V

??

PTU

????

???

??

???

??

MVB TCMS

USB

???

BMS- 蓄電池在線管理系統(tǒng)；TCMS- 列車控制及監(jiān)視系統(tǒng)；

PTU- 便攜式測試單元

● 3.1.2 數(shù)據(jù)采集和存儲

蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)通過采樣盒以及主控器上的

電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器可采集下列數(shù)

據(jù)信息：

62 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

1) 蓄電池組電壓檢測：系統(tǒng)在每個單體蓄電池上

安裝電壓傳感器，可以采集所有單體蓄電池的電壓。

通過單體電壓累加，進而得到整個蓄電池組的總電壓。

2) 蓄電池組電流檢測：蓄電池是串聯(lián)工作的，所

有蓄電池的工作電流是相等的，因此，蓄電池組僅需

安裝1個LEM（萊姆）電流霍爾傳感器。由主控器供電，

將其套裝在蓄電池主回路電纜上，主控器將采集的電

流模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，獲取蓄電池組的充放電電流。

3) 蓄電池溫度檢測：溫度檢測包括蓄電池箱體內(nèi)

環(huán)境溫度檢測和蓄電池單體溫度檢測。在蓄電池箱體

內(nèi)安裝 1 個溫度傳感器可采集蓄電池的環(huán)境溫度。每

個蓄電池單體均配置 1 個溫度傳感器檢測其溫度。

4) 模組蓄電池內(nèi)阻：每個采樣盒可采集最多 10

路的蓄電池內(nèi)阻，當蓄電池組由浮充狀態(tài)轉(zhuǎn)為應急放

電時，檢測電池上的電壓差，使用直流內(nèi)阻算法可計

算每個單體蓄電池的直流內(nèi)阻值，可以用來檢驗電池

老化程度以及電池間連接銅片的可靠性。

5) 數(shù)據(jù)傳輸、存儲和處理：整個蓄電池組可以配

置多個采樣盒，安裝在電池箱內(nèi)。每個電池配置 1 個

采樣盒，每個采樣盒可采集最多 10 個單體蓄電池的所

有參數(shù)，采樣盒通過通信總線與主控器進行數(shù)據(jù)交互。

每個采樣盒可采集最多 10 個模組電壓、溫度及內(nèi)阻數(shù)

據(jù)；整個系統(tǒng)通過配置多個采樣盒，可采集所有模組

電池的電壓、溫度、內(nèi)阻信息。采樣盒將所采集信息

傳輸?shù)街骺仄?，由主控器完成整個系統(tǒng)的邏輯控制、

數(shù)據(jù)分析、電池狀態(tài)估算。

6) 數(shù)據(jù)通信接口：分為 MVB 總線通信接口、以

太網(wǎng) M12 通信接口、串行通信接口。

(1) MVB 總線通信接口：車輛 TCMS 系統(tǒng) MVB

總線和主控器之間通信接口。

(2) 以太網(wǎng) M12 通信接口：車輛 TCMS 系統(tǒng)以太

維護網(wǎng)和主控器之間通信接口。

(3) 串行通信接口：PTU 和在線監(jiān)測系統(tǒng)主控器

之間通信接口。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件包括通用部分、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)判定模塊、

故障診斷模塊以及通信模塊等。

● 3.2.1 通用部分

完成系統(tǒng)復位、啟動、自檢和系統(tǒng)管理等功能。

● 3.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

電流、電壓、溫度傳感器將信號傳遞到采樣盒，

采樣盒將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過檢測系統(tǒng)

內(nèi)部通道傳到控制器?？刂破鲗⒉杉臄?shù)字信號，經(jīng)

過數(shù)字濾波后，變成可用數(shù)據(jù)。經(jīng)過濾波處理的數(shù)據(jù)

電流信號、環(huán)境溫度信號、單體蓄電池的電壓信號

可以直接獲取。總電壓、蓄電池內(nèi)阻、單體蓄電池電解

液溫度、蓄電池實時容量等信號需要經(jīng)過計算獲取。

1) 蓄電池電壓監(jiān)測

監(jiān)測單體電壓是為了防止出現(xiàn)過充、過放，同時

和蓄電池容量（SOC）相關(guān)。單體蓄電池的電壓信號

可以直接由傳感器檢測。監(jiān)測總電壓可防止蓄電池組

過壓、欠壓?？傠妷簽樗写?lián)的單節(jié)蓄電池電壓的

累加值。計算式見式（1) ：

U U U U (1) 總 = +1 2+ + ? n

式中：

U 總——總電壓，V；

U1，U2，Un——單體蓄電池電壓，V；

n——蓄電池單體總數(shù) , 個。

2) 溫度監(jiān)測

監(jiān)測溫度是為了防止蓄電池在過高或過低的溫度

下工作，同時和蓄電池容量（SOC）相關(guān)。監(jiān)測環(huán)境

溫度信號、單體蓄電池電解液溫度。單體蓄電池電解

液溫度不能直接測量，通過監(jiān)測蓄電池，根據(jù)電解液

和電極溫度差進行擬合，得出溫度精確值。

3) 蓄電池內(nèi)阻

蓄電池內(nèi)阻和蓄電池的容量與老化程度密切相關(guān)。

電池老化和失效后突出地表現(xiàn)為內(nèi)阻增大，測試電池

內(nèi)阻可以快速判斷電池的老化程度。蓄電池的容量越

大，內(nèi)阻就越小，因此，可以根據(jù)內(nèi)阻大小粗略判斷

電池容量 [2]。

在線監(jiān)測系統(tǒng)采用直流內(nèi)阻算法來測算蓄電池內(nèi)

阻，見式（2）：

R U = / ? ?I (2)

式中：

R ——蓄電池內(nèi)阻；

ΔU ——電壓差；

ΔI ——電流差。

具體方法為：當蓄電池組由浮充狀態(tài)轉(zhuǎn)為應急放

電時，檢測電池上的電壓差和電流差，使用直流內(nèi)阻

算法可測算每節(jié)蓄電池的直流內(nèi)阻值。

4) 蓄電池容量（SOC）測算

SOC 是電池的荷電狀態(tài)，用來反映電池的剩余容

量。在一定溫度條件和充放電倍率下，由電池的剩余

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 63

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

容量與電池的額定容量的比值來表示，SOC 的表達

式見式（3）：

SOC Q= Q 100 (3) S N / % ×

式中：

QN ——電池的額定容量，表示電池處于滿充狀態(tài)

時的最大安時數(shù)，Ah；

QS ——電池的剩余容量，表示在當前時刻電池的

安時數(shù)，Ah。

準確、可靠地測量電池的 SOC 是電池監(jiān)測系統(tǒng)中

最基本和最重要的功能。沒有傳感器能直接測量電池

的 SOC，必須通過一定的算法測算得出電池的 SOC。

電池組監(jiān)測系統(tǒng)通過精確測量電池組中每節(jié)電池的電

壓、溫度和充放電電流，采用合適的算法對電池的

SOC 進行實時估計，以此判斷電池組的剩余電量，保

證電動列車合理應用。精確地估算電池剩余電量值是

電池監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但是在實際使用過程中時，某

些因素會干擾 SOC 估算的精度，例如放電倍率、溫度、

自放電、循環(huán)次數(shù)、模組電池一致性等。如果估算時

不考慮這些因素，將會造成比較大的偏差。

為了提高 SOC 的精確度，在采集大量電池不同溫

度、倍率的充放電數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立等效電池模型，

通過模型及安時積分法進行最優(yōu)估算，該算法是一種

基于模型的 SOC 估算。

具體容量估算的過程如下：

（1）電池監(jiān)測系統(tǒng)正常上電后，通過監(jiān)測電池電

壓值、充電電流或者放電電流、溫度，并將這些參數(shù)

導入主控器所搭載的電池模型，獲取初值 SOC0，通過

電池模型計算 SOC0 可校正安時積分法以及在庫負載

放電（在庫時蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)無法進行實時監(jiān)測）所

產(chǎn)生的誤差 [3]。

（2）基于上一時刻的 SOC 值或 SOC0 值，利用安

時積分來計算此刻（t+1時刻）的SOC預估值，見式(4)、

式 (5)。

SOC SOC (4) K i t

C   0 ?

 d

N

SOC SOC (5) K

C

I t t t 1  ? 

N

式中：

η——充放電效率對 SOC 值的影響系數(shù)；

K——各個影響因素（電流、溫度等）的系數(shù)；

SOC ——蓄電池容量，Ah；

SOC0 ——蓄電池初始容量，Ah；

SOCt ——蓄電池 t 時刻容量，Ah；

SOCt+1 ——蓄電池 t+1 時刻容量，Ah；

i ——瞬間充放電電流，A；

t ——時間，s；

CN——額定容量，Ah；

I ——瞬間充放電電流，A；

?t ——采樣計算時間間隔，s。

（3）基于 t+1 時刻電池模型“參數(shù)－ SOC 關(guān)系”

（代入實際電壓、電流、溫度、老化系數(shù)），輸出

模型所得的 SOC 值，與預估的 SOC 值相比較獲得誤

差值。

（4）由誤差值及蓄電池工作狀態(tài)來修正 SOC 預

估值，從而獲取最終的 SOC 值并輸出，系統(tǒng)進入下一

時刻，循環(huán)第（2）步～第（4）步。

這種 SOC 估算方法是一種閉環(huán)反饋的方法，通過

不斷地修正 SOC 估算值，在多次迭代后能準確地計算

出 SOC 值。

● 3.2.3 故障診斷模塊

根據(jù)廠家提供的技術(shù)參數(shù)和使用經(jīng)驗，將參數(shù)分

區(qū)段進行健康管理，一般將它們分為健康、亞健康和

故障。參數(shù)處于正常范圍為健康；偏離正常范圍但暫

時不影響使用功能，報亞健康，作故障預警；偏離正

常范圍但暫時影響使用功能，根據(jù)報警閾值和故障級

別進行故障報警。主要報警功能如下：

1) 箱內(nèi)溫度過高報警；

2) 單體蓄電池電壓過壓報警；

3) 單體蓄電池電壓欠壓報警；

4) 單體蓄電池溫度過高報警；

5) 蓄電池組總電壓過壓報警；

6) 蓄電池組總電壓欠壓報警；

7) 充電電流超限報警；

8) 放電電流超限報警；

9) 剩余容量過低報警；

10) 初始化失敗報警。

● 3.2.4 通信模塊

系統(tǒng)可以通過MVB、以太網(wǎng)與車輛進行實時通信，

實現(xiàn)參數(shù)實時顯示、故障記錄報警和查詢、歷史數(shù)據(jù)

的下載分析等功能。數(shù)據(jù)傳輸格式、內(nèi)容和方式，在

設備之間通信協(xié)議定義好。主要傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)類型

有以下 4 個方面：

64 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

1) 時間數(shù)據(jù)：年、月、日、時、分、秒。

2) 狀態(tài)數(shù)據(jù)：環(huán)境溫度、蓄電池溫度、電壓等參

數(shù)的實時值。

3) 故障數(shù)據(jù)：故障發(fā)生前和發(fā)生后的規(guī)定時間內(nèi)

的相關(guān)參數(shù)。

4) 歷史數(shù)據(jù)：存儲在系統(tǒng)中的運行參數(shù)。

4 方案、參數(shù)的獲取和優(yōu)化

系統(tǒng)基于功能全面、監(jiān)測充分的方案設計原則，

電壓和溫度監(jiān)測覆蓋所有單體蓄電池，明顯優(yōu)于目前

一些蓄電池在線監(jiān)測方案。采用分布式結(jié)構(gòu)，降低布

線難度，提高系統(tǒng)可維護性。通信及可擴展數(shù)量最多

達 100 個采樣盒，可采集最多 1 000 個模組電池電壓，

硬件設計方案適用于多種系統(tǒng)。采用大容量存儲空

間（8G），數(shù)據(jù)存儲時間達 6 個月（超過時間自動覆

蓋更新）。

充 分 考 慮 電 壓、 電 流、 溫 度、 內(nèi) 阻 等 多 種 因

素，建立完善的計算模型測算監(jiān)測參數(shù)。基于 GB/T

32960.3—2016《電動汽車遠程服務與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)

范 第 3 部分：通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式》定義的數(shù)據(jù)計算

SOC。基于公式推導，由于實際充電過程極少存在從

放空至充滿的情況，因此取充電起始和充電截止的差

值（ΔSOC），通過積分得到充電容量，關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)換

為對充電起始和充電截止 SOC 的識別。

針對不同品牌和型號的電池產(chǎn)品，結(jié)合產(chǎn)品特性

參數(shù)，對電池監(jiān)測系統(tǒng)進行全方位試驗，驗證計算模

型和相關(guān)參數(shù)。在不同的條件下進行大量的試驗和測

試，挑選出最精確的經(jīng)驗參數(shù)，在滿足合格標準前提下，

不斷地優(yōu)化系統(tǒng)的性能。通過不斷的試驗優(yōu)化，各種

溫度下 SOC 測試精度均應優(yōu)于標準要求的 5%。

5 結(jié)束語

本文提出了一種功能全面、檢測充分、靈活適用

的軟硬件設計方案?；谛铍姵厝萘颗c電壓、電流、

溫度、內(nèi)阻等多種因素關(guān)系，建立完善的計算模型測

算監(jiān)測參數(shù) [4]。通過試驗驗證，對計算模型和相關(guān)參

數(shù)進行優(yōu)化，確保電池監(jiān)測系統(tǒng)的測試精度。

參考文獻

[1] 謝佳佳 .蓄電池管理系統(tǒng)技術(shù)介紹 [J]. 中國戰(zhàn)略新

興產(chǎn)業(yè)（理論版），2019，（03）：117.

[2] 陳傳彪，王麗梅 .電池內(nèi)阻檢測解決方案 [J]. 科

技風，2015，(10):16.

[3] 侯大志，王良勇，熊定超 .蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)

在軌道交通行業(yè)的應用研究 [J].交通世界 ,2019，

(33):150-153.

[4] IEC 60896-21—2004 固定式鉛酸蓄電池組 第 21

部分 ：閥調(diào)整型 試驗方法 [S].

（上接第 40 頁）

從而降低應力的復雜性，給合攏縫的焊接提供更好的

施焊條件。

3.5 風載因素的控制措施

風載引起的應力也是無法徹底消除的，會伴隨著

整個施工過程，但可對合攏縫局部區(qū)域進行一定的防

護。在合攏縫區(qū)域設置足夠高的防風擋板，減小局部

區(qū)域的風載影響，同時也能夠提供更好的施焊環(huán)境，

從而保證焊接質(zhì)量。

制造方在充分考慮上述措施后，重新升版了整改

方案，嚴格按照整改方案進行質(zhì)量問題修復。設備監(jiān)

理師在此過程中也加強了監(jiān)造管理，制造企業(yè)嚴格按

照整改方案進行質(zhì)量問題修復。最終，在多方努力下，

該合攏縫一次返修合格，保證了洗滌塔的質(zhì)量和安全。

4 結(jié)束語

本文以洗滌塔為例，對洗滌塔在空中合攏焊接時

出現(xiàn)的質(zhì)量問題進行了分析，并重點對整改措施進行

了闡述，旨在最大可能地避免大型塔器在現(xiàn)場立式施

工時出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，提高塔器設備的現(xiàn)場制造質(zhì)

量。同時對于設備監(jiān)理師來說，需要加強對這些質(zhì)量

問題的反思，在每一次監(jiān)造檢驗中進行知識和經(jīng)驗的

歸納、積累，從而更好更快地提高監(jiān)造水平，給業(yè)主

提供更專業(yè)的技術(shù)服務。

參考文獻

[1] NB/T 47015—2011 壓力容器焊接規(guī)程 [S].

[2] GB/T 150—2011 壓力容器 [S].

[3] GB/T 30583—2014 承壓設備焊后熱處理規(guī)程 [S].

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 65

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

氣相反應器空置狀態(tài)配風流場模擬研究

陳志敏

( 中國石化工程建設有限公司 北京 100101)

摘 要：為研究氣相反應器空置狀態(tài)配風流場特征，采用 RNG k-ε 湍流模型對其進行數(shù)值模擬。針對氣

相反應器流場的復雜性和局部多邊形的特點，利用 FLUENT 的前處理軟件 GAMBIT 來生成網(wǎng)格。對網(wǎng)格進行了

網(wǎng)格無關(guān)性考核，確定了比較合理的網(wǎng)格數(shù)。實驗結(jié)果展示了流場速度分布特征、流場湍流結(jié)構(gòu)和壓力場分

布特征。經(jīng)過對比反應器的靜壓分布規(guī)律數(shù)值模擬值與理論值，證實了所選的湍流模型是可靠的。本研究結(jié)

果為氣相反應器的設計與制造提供了參考。

關(guān)鍵詞：氣相反應器 數(shù)值模擬 RNG k-ε 模型 氣相分布板

Simulation Study on Air Distribution Flow Field

of Gas Phase Reactor in Empty State

Chen Zhimin

(Sinopec Engineering Incorporation Beijing 100101)

Abstract In order to study the characteristics of air distribution flow field of gas phase reactor in empty state,

the turbulence model of RNG K-ε is used for numerical simulation. According to the complexity of flow field and the

characteristics of local polygons in gas-phase reactor, the grid is generated by using FLUENT’s preprocessing software

GAMBIT. The grid independence is checked and a reasonable number of grids is determined. The experimental results

show the characteristics of velocity distribution, turbulent structure and pressure distribution. By comparing the static

pressure distribution law of the reactor, the numerical simulation value and theoretical value confirm that the selected

turbulence model is reliable. This research result can provide reference for the design and manufacture of gas phase

reactor.

Keywords Gas phase reactor Numerical simulation RNG k-ε model Gas distribution plate

中圖分類號：TB497 文獻標志碼：B

文章編號：2095-2465(2022)08-0065-06 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.015

作者簡介：陳志敏（1976 ～ )，男，本科，高級工程師，從

事石油化工行業(yè)壓力容器設計及項目管理工作。

通訊作者：陳志敏，E-mail: chenzm@sei.com.cn。

（收稿日期：2022-04-27）

氣相反應器廣泛應用于石油、化工等領(lǐng)域。由于

氣相反應器流場的復雜性，在設計階段，使用數(shù)值模

擬方法可以為結(jié)構(gòu)設計和參數(shù)優(yōu)化提供有效參考。

目前，在氣相反應器的數(shù)值模擬方面有很多研究

成果。劉柱彬等 [1] 為了研究氣相臥式攪拌釜聚丙烯反

應器，建立了更符合實際且適用于穩(wěn)定性的非等溫模

型，對反應器進行了多穩(wěn)態(tài)分析。何澤玉等 [2] 在研究

氣相氧化反應器模型內(nèi)的濃度場和速度場時，使用了

物理模擬和數(shù)值模擬。寧靖衛(wèi)等 [3] 對多重射流燃燒反

應器內(nèi)的流動及燃燒狀況進行了三維全尺寸數(shù)值模擬。

吳鋼良等 [4] 建立了多區(qū)循環(huán)反應器中丙烯氣相聚合的

過程模型。

本文所研究的氣相反應器屬于流化型反應器，工

作過程為烴類循環(huán)氣（H2 和丙烯混合物）從氣相反

應器底部切向進入，通過氣相分布板小孔獲得均勻分

布的氣流，然后進入反應器內(nèi)部，使聚合物與共聚單

體充分接觸進行混合反應。氣相反應器的壓力控制在

1.3 ～ 1.5 MPa，溫度在 75 ℃左右?；?FLUENT 軟件，

采用 RNG k-ε 模型進行數(shù)值模擬。RNG k-ε 模型已

經(jīng)在很多研究中證明了其優(yōu)越性 [5-8]。研究結(jié)果也證明

了所選方法的有效性。

66 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

1 物理模型

反應器底部和頂部由 2 個空心半球體連接，其直徑

為 3.8 m，中間部分是圓柱形部件，其高度為 14 m。進口

和出口均為圓形管道，其直徑分別為 0.846 m 和 1.0 m。

坐標原點位于底部半球中心。其中將展示 11 個橫截面流

場數(shù)據(jù)，分別是 z=-0.95 m、-0.802 5 m、-0.160 5 m、0、

0.5 m、1.0 m、3.0 m、7.0 m、11.0 m、14.0 m 和 14.95 m，

如圖 1 所示。氣流方向為順時針。反應器中氣相分布板

分布著 637 個小孔。為便于分析，小孔簡化成縫隙，

最外圈縫隙尺寸長短間隔分布。最內(nèi)側(cè)的分布板定義

為第1層，依次為第2層和最外側(cè)的分布板稱作第3層，

如圖 2 所示。

圖 1 反應器正視圖

z=.0.160 5m

??

??

z=.0.95m

z=0.5m

z=14.95m

z=14.0m

D=3.8m

??

?2?

??

?3?

?4?

圖 2 反應器俯視圖

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

根據(jù)流態(tài)的判斷，所求解的是三維穩(wěn)態(tài)不可壓

縮湍流流動，其流動的基本控制方程包括式（1）～

式（3）。

連續(xù)性方程見式（1）：

（1） 

    x u

i

 i 0

動量方程（Navier-Stokes 方程）見式（2）：

     



    



 



  x u u p

x x

u

x u u S

i

i k

k i

k

i

   i k i （2）

其他變量輸運方程見式（3）：

    



 



  x u x x u S

i

i

i i

  i

    （3）

式中：

xk ——位置坐標，m；

xi ——坐標分量；

ρ——密度，kg/m3

；

ui ,uk ——速度，m/s；

ui ',uk'——脈動速度，m/s；

μ——動力黏度，Pa·s；

p——壓力，MPa；

Si

,S——廣義源項；

φ——通用標量；

φ'——相應脈動值；

Γ ——廣義擴散系數(shù)。

湍流流動數(shù)值模型采用 RNG k-ε 模型，該模

型是由 Yaknot 及 Orzag 提出的 [9]。RNG 是英文

“renormalization group”的縮寫。中文意思是“重整

化群”。RNG k-ε 模型已被有效地應用于各種不同類

型的流動模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流，自由流中包括

噴射和混合流，管道和邊界流，還有分離流。由于這

些原因，這種模型比標準 k-ε 模型要好。

在 RNG k-ε 模型中，湍流動能 k 方程和湍流動耗

散率ε 方程見式（4）、式（5）：

  





 























k

t

ku

x x C k k

x

G

i

i j

k u

j

k

2

（4）

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 67

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

  





 



 

















 



  

t

u

x x C k

x

C

i

i j

k u

j

2

eff

1

2

2



k

G C

k k

（5）

式中：

xi

，xj ——位置坐標，m；

t ——時間，s；

ui

，uj ——速度，m/s；

μeff ——有效黏度，Pa.s；

Gk ——平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，m2

/s

2

；

αk ——湍動能的有效普朗特數(shù)，取 1.39；

Cu ——模型中的經(jīng)驗常量，取 0.0845；

C2ε ——模型中的經(jīng)驗常量，取 1.68；

C1ε

* ——模型系數(shù)，C C 1 1

0

3

1

1  

  

 



 





 ；

C1ε ——模型中的經(jīng)驗常量，取 1.42；

η0 ——模型中的經(jīng)驗常量，取 4.377；

β ——熱膨脹系數(shù) (1/k)，取 0.012；

η ——平均應變率對ε 的影響，

     2Eij ij E k ；

Eij ——平均應變率， E u

x

u

x ij

i

j

j

i















1

2 。

2.2 網(wǎng)格的生成

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬的前處理過程，主要是對計

算區(qū)域進行離散。根據(jù) CFD 理論，網(wǎng)格數(shù)達到一定密

集程度后繼續(xù)加密網(wǎng)格對計算結(jié)果影響不大。所以在

實際操作中，網(wǎng)格數(shù)的選擇是既要能保證計算的精度

要求，同時又不過分消耗系統(tǒng)的資源。

針對氣相反應器流場的復雜性和局部多邊形的特

點，本研究利用 FLUENT 的前處理軟件 GAMBIT 來

生成網(wǎng)格。為了使網(wǎng)格質(zhì)量較好，對模型進行了分

塊劃分網(wǎng)格，并且局部加密網(wǎng)格。對球形部分采用

非結(jié)構(gòu)四面體單元劃分網(wǎng)格，圓柱體部分采用柱面

網(wǎng)格，如圖 3 所示。網(wǎng)格數(shù)目為 10 637 788 個單元。

99.48% 網(wǎng)格的 Skewness 的值在 0.1 ～ 0.7 范圍之內(nèi)，

Skewness 的值超過 0.9 的網(wǎng)格只有 841 個單元，僅

占 0.01%，網(wǎng)格質(zhì)量較好。為了提高計算精度，在

FLUENT 軟件里，可以對高度扭曲的網(wǎng)格修正，此網(wǎng)

格導入 FLUENT 軟件后，將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為多面體

網(wǎng)格，圖 4 所示為縱向高度方向 y=0 截面的網(wǎng)格。

圖 3 R401 反應器網(wǎng)格圖

Gz Gz

圖 4 FLUENT 多面體網(wǎng)格（y=0 截面）

2.3 設置材料物性及邊界條件

氣相反應器里的循環(huán)混合氣體的流動，屬于單向

流動，并且不考慮溫度的影響。材料僅涉及氫氣和丙

烯混合氣體，在 1.46 MPa 壓力下，其物性參數(shù)見表 1。

材料名稱 溫度 /℃ 密度 /(kg/m3

) 運動黏度系數(shù) /

[kg/(m·s)]

氫氣 + 丙烯 (10%+90%) 48 22.21 1.1×10-5

表 1 材料參數(shù)

采用穩(wěn)態(tài)湍流模型，忽略重力的影響，其馬赫數(shù) Ma

68 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

在 u=15.64 m/s 時，數(shù)值為 0.047，由于 Ma ＜ 0.3，氣體

密度的變化可以忽略，即把流體當作不可壓縮處理。

由于單向流動，邊界條件設置較為簡單。

進口邊界條件：速度進口，u=15.64 m/s；

出口邊界條件：出口延長 2 m，以達到出口充分

發(fā)展邊界。

湍流強度計算見式（6）：

I u   u   0 16 1 8 . Re （6）

式中：

u′ ——湍流脈動速度，m/s；

u ——平均速度，m/s。

其中雷諾數(shù) Re 的計算見式（7）：

Re=ρuD/μ （7）

式中 :

D ——當量直徑，即為圓管內(nèi)徑，取 0.846 m;

ρ ——密度，取 22.21 kg/m3

;

μ ——黏度，取 1.1×10-5 kg/(m.s)。

根據(jù)式（7）計算得 Re=2.67×107

，代入式（6）得

入口湍流強度為 I=2%。

計算使用 FLUENT14.5 軟件，采用有限體積法

來離散方程，對流項的離散采用二階迎風格式，壓力

和速度耦合采用 SIMPLEC 格式，壓力插值方式采用

PRESTO 格式。

3 網(wǎng)格無關(guān)性考核

數(shù)值計算主要采用離散解代替近似解，結(jié)果的精確

程度往往與網(wǎng)格的數(shù)量有直接的關(guān)聯(lián)。為了得到網(wǎng)格無

關(guān)解，本項目采用了 2 套網(wǎng)格進行計算，第 1 套網(wǎng)格數(shù)

為 10 704 797 個節(jié)點，稱作粗糙網(wǎng)格；第 2 套網(wǎng)格數(shù)為

12394924 個節(jié)點，稱作精細網(wǎng)格，其計算結(jié)果見圖5、圖6，

主要展示了縱截面 y=0 的速度場和壓力場的對比。

由圖 5 可見，2 套網(wǎng)格速度場的差異較小，在 y=0

截面的速度最大值相差為 14%。軸心區(qū)是低速區(qū)，在

其周圍包裹著高速區(qū)。

由圖 6 可見，2 套網(wǎng)格的壓力場也沒有顯著差異。

球形入口處是高壓區(qū)。粗網(wǎng)格軸心區(qū)的低壓區(qū)范圍大，

而細網(wǎng)格軸心區(qū)的低壓區(qū)稍微小一些。細網(wǎng)格展示的

結(jié)果更精細。

通過對比可知，第 2 套網(wǎng)格數(shù)目對流動的模擬是

比較合理的。

(a) 粗網(wǎng)格 (b) 細網(wǎng)格

圖 5 2 套網(wǎng)格 y=0 截面的速度場對比

(a) 粗網(wǎng)格 (b) 細網(wǎng)格

圖 6 2 套網(wǎng)格 y=0 截面的壓力場對比

4 結(jié)果與討論

4.1 流場速度分布

由于氣相反應器是三維強旋轉(zhuǎn)流動，流場比較復

雜。圖 7 為不同高度橫截面（z=-0.95 m、-0.160 5 m、

0.5 m、7.0 m、11.0 m、14.0 m、14.95 m，共 7 個橫截

面）的速度等值線圖，速度單位為 m/s。從圖 7 中可見，

球形部分速度分布的對稱性不是太好，由于切向進氣，

使得進口側(cè)的速度較大（z=-0.95 m）。圓柱體大部分

的速度對稱性主要集中在圓柱體中心 1/4 半徑部分，

圓柱體頂部的速度對稱性較好，即 z=14.0 m 處。頂部

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 69

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

半球體的速度對稱性也較好，其等速度線是圓環(huán)。其

說明了反應器內(nèi)的氣流經(jīng)過分布板后，入口氣流的強

旋轉(zhuǎn)特性被削弱。圓柱段起到了整流的作用，氣流越

到下游，分布越均勻。

圖 7 不同高度橫截面速度等值線圖

（a）

（b）

z = 14.95 m

z = 14.0 m

z = 11.0 m

z = 7.0 m

z = 0.5 m

z = .0.160 5 m

z = .0.95 m

4.2 流場湍流結(jié)構(gòu)

圖 8 為 y=0 截面氣相反應器的湍流強度分布。從

圖 8 中可見，球體區(qū)域、分布板附近、圓柱體壁面和

圓柱體中上部區(qū)域湍流強度較大，說明在這些區(qū)域，

氣體的湍流運動劇烈，對于混合作用的效果好。在分

布板中心區(qū)域、圓柱體底部和上部中心區(qū)域的湍流強

度較弱，氣流流動較為穩(wěn)定。

4.3 壓力場分布

氣流的旋轉(zhuǎn)運動使得反應器的壓降損失變得復雜，

在考慮其壓降分布規(guī)律時，主要考慮壓力沿徑向方向

的分布情況。圖 9 為 y=0 截面的靜壓分布云圖。從圖

9 中可見，徑向方向上靜壓分布呈現(xiàn)較好的軸對稱性，

外旋流的壓力較高，內(nèi)旋流的壓力較低，靜壓隨著半

徑的減小而減小。軸線中心的靜壓最低，且為負壓區(qū)，

尤其是反應器中上部區(qū)域，一直延伸到出口。負壓說

明反應器中心存在真空區(qū)。中心軸線附近的靜壓遠低

于進口處的靜壓，并且從分布板中心一直延伸到出口，

如果出口密封不嚴，外界氣流很容易被吸入，造成“滯

流”或“返流”現(xiàn)象，不利于物料的混合。

下面從理論上計算反應器的靜壓分布規(guī)律。半自

由渦范圍內(nèi)任意半徑 r 處的靜壓分布見式（8）。由式

圖 8 y=0 截面湍流強度分布 圖 9 縱截面的靜壓分布 (y=0)

（8）可知，壓力差隨著入口速度的平方呈正比例變化，

同時，隨著半徑比 R/r 的 2n 次方呈正比變化。

p p u

n

R

r k

n

 



  















 2 2

2

1 （8）

式中：

n ——速度指數(shù)，由實驗得到；

pk ——邊壁處靜壓，Pa。

本文沒有速度指數(shù)的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗取

值， 假 設 n=0.2，反應器半徑 R=1.9 m, 密 度 ρ=

22.21 kg/m3

，進口流速 u=15.64 m/s，邊壁處的壓力

取值 19 588 Pa（此值來自數(shù)值模擬的邊界值），r 取

值范圍為 0.5 ～ 1.9 m，代入式（8）計算得到的壓力

值，與 z=0.5 m 處的靜壓曲線進行比較，如圖 10 所

示。當 r=0.5 m 時，理論值與數(shù)值模擬值的最大誤差

為 10%，說明在半自由渦區(qū)，數(shù)值模擬值與理論值誤

差較小，可見所選的湍流模型是可靠的。

.2.0 .1.5 .1.0 .0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

8000

16000

24000

p0Pa

r0m

數(shù)值模擬值

理論值

圖 10 數(shù)值模擬值與理論值比較

70 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

5 結(jié)論

氣相反應器內(nèi)的流體流動是三維強旋轉(zhuǎn)湍流，流

場復雜。采用重整化群湍流模型（RNG k-ε）進行了

反應器內(nèi)部的流動計算，主要結(jié)論如下：

1）反應器內(nèi)的氣流經(jīng)過分布板后，入口氣流的強

旋轉(zhuǎn)特性被削弱。圓柱段起到了整流的作用，氣流越

到下游，分布越均勻。

2）球體區(qū)域、分布板附近、圓柱體壁面和圓柱體

中上部區(qū)域湍流強度較大，對于混合作用的效果好。

在分布板中心區(qū)域、圓柱體底部和上部中心區(qū)域的湍

流強度較弱。

3）壓力分布特征：靜壓隨著半徑的減小而減小，

沿著軸向高度幾乎沒有變化，靜壓分布的對稱性較好。

壓力的數(shù)值模擬值與理論值誤差較小，驗證了所選湍

流模型的可靠性。

研究結(jié)果為氣相反應器的設計與制造提供了參考。

參考文獻

[1] 何澤玉，李曉飛，牛麗萍，等.海綿鈦副產(chǎn)品氯化

鎂高溫氣相氧化反應器內(nèi)流場的模擬研究 [J].鈦工業(yè)

進展，2019,36(04):36-42.

[2] 劉柱彬， 邱彤， 趙勁松 .氣相臥式攪拌釜聚

丙烯反應器的模擬及多穩(wěn)態(tài)分析 [J].化工學報，

2014,65(11):4451-4458.

[3] 寧靖衛(wèi)，胡彥杰，李春忠，等.多重射流氣相燃燒

反應器內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬 [J].華東理工大學學報

(自然科學版 )，2012,38(05):546-552.

[4] 吳鋼良，田洲，王嘉駿，等.多區(qū)循環(huán)反應器

中丙烯氣相聚合的模擬分析 [J].化學工程，2011，

39(06):79-83+97.

[5] 倪城振，杜文莉，胡貴華 .乙烯裂解爐耦合模擬中

湍流模型的影響分析 [J].化工學報，2019,70(02):450-

459+422.

[6] 張佳寶，崔麗杰，楊寧.曳力模型和湍流模型

對內(nèi)環(huán)流反應器數(shù)值模擬的影響 [J].化工學報，

2018,69(01):389-395+533.

[7] 馬曉建，李鵬，方書起 .低高徑比氣升式環(huán)流反應

器 Realizable k-ε 模型數(shù)值模擬分析 [J].計算機與應用

化學，2007,(11):1539-1542.

[8] 郭尚群，趙堅行.RNG k-ε 模型數(shù)值模擬油霧燃燒

流場 [J].航空動力學報，2005,(05):807-812.

[9] Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis

of turbulence. I. Basic theory[J]. Journal of Scientific

Computing,1986,1(01):3-51.

（上接第 52 頁）

參考文獻

[1] HG 3129—1998 整體多層夾緊式高壓容器 [S].

[2] 王志文，徐宏 .化工設備失效原理與案例分析 [M].

T/CASEI 009—2022 壓力管道施工監(jiān)督檢驗

實施導則——公用管道 50.00元

T/CASEI 010—2022 壓力管道元件制造監(jiān)督檢驗實施導則

40.00元

T/CASEI 011—2022 濕硫化氫腐蝕環(huán)境固定式壓力容器

定期檢驗規(guī)范 35.00元

T/CASEI 012—2022 承壓設備用流量計（殼體）

監(jiān)督檢驗規(guī)范 30.00元

T/CASEI 013—2022 超設計使用年限壓力容器檢驗規(guī)范

30.00元

上海 ：華東理工大學出版社，2010.

[3] 陳伯蠡 .焊接工程缺欠分析與對策 [M].北京：機

械工業(yè)出版社，2005.

[4] TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [S].

GB/T 30579—2022 承壓設備損傷模式識別 132.00元

NB/T 47034—2021 工業(yè)鍋爐技術(shù)條件 36.00元

NB/T 47037—2021 電站閥門型號編制方法 16.00元

NB/T 10788—2021 鑄鐵鍋爐和鑄鋁鍋爐技術(shù)條件 35.00元

NB/T 10789—2021 生物質(zhì)鍋爐質(zhì)量性能評價技術(shù)準則

20.00元

NB/T 10790—2021 水處理設備 技術(shù)條件 36.00元

特種設備安全管理作業(yè)指導書（2022年） 83.00元

特種設備安全監(jiān)察作業(yè)指導書（2021年） 83.00元

聯(lián)系人：孫海祥 王源 010-59068616

書 訊

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 71

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

高壓真空電子束焊接技術(shù)在 Incoloy 825

高壓空冷器制造上的應用

陳天皖 茅柳柳

( 中國石化上海高橋石油化工有限公司 上海 200137)

摘 要：Incoloy 825 板焊絲堵管箱在制造中可采用高壓真空電子束焊接（EBW）、手工電弧焊（SMAW）、

埋弧焊（SAW）和氬弧焊（GTAW）4 種焊接方式。本文對管箱制造過程中的高壓真空電子束焊接（EBW）技術(shù)

要點和產(chǎn)生的問題做了總結(jié)，重點對管箱縱縫電子束焊接缺陷控制、返修等進行了描述和分析，并參考相關(guān)

文獻和經(jīng)驗總結(jié)，對產(chǎn)生的問題提出了一些預防措施。

關(guān)鍵詞：空冷器制造 Incoloy 825 板焊絲堵管箱 質(zhì)量控制 電子束焊接（EBW）

Application of High-voltage Electron Beam Welding Technology in the

Production of Incoloy 825 High Pressure Air Cooler

Chen Tianwan Mao Liuliu

(Sinopec Shanghai Gaoqiao Petrochemical Co., Ltd Shanghai 200137)

Abstract High-voltage electron beam welding technology (EBW), SMAW, SAW, GTAW is applied to Incoloy

825 tube box welded by plate. By summarizing the technical key points and problems of EBW in the manufacturing

process of tube box, the article mainly describes and analyzes the control and repair of defects of EBW of tube box,

and puts forward some preventive measures to the problems by referring to relevant literature and experience summary.

Keywords Production of air cooler Incoloy 825 tube box welded by plate Quality control Electron beam

welding technology (EBW)

中圖分類號：TB497 文獻標志碼：B

文章編號：2095-2465(2022)08-0071-04 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.016

作者簡介：陳天皖（1988 ～ )，男，本科，工程師，從事石

油化工設備管理工作。

通訊作者：陳天皖，E-mail: guxiaojun.gqsh@sinopec.com。

（收稿日期：2021-10-12）

加氫裂化裝置應用的一種高效換熱設備——高

壓空冷器，其管箱、換熱管采用 Incoloy 825 材料，

Incoloy 825 合金中，Ni、Cr、Mo 的質(zhì)量分數(shù)均較高，

不僅有很強的抗腐蝕能力，而且強度高、韌性好。在

處理加氫裂化反應產(chǎn)物中含 H2S、NH3、H2 等成分介

質(zhì)時，表現(xiàn)出優(yōu)越的耐蝕性能 [1]。其制造中焊接技術(shù)

是設備制造的關(guān)鍵，主要施焊部分有管箱焊縫和管板

與管頭焊縫。其焊接技術(shù)直接影響了生產(chǎn)效率、人工

成本、材料成本和產(chǎn)品質(zhì)量。本文探討了焊穿透能力

強、焊接速度快、焊接影響區(qū)小、焊接變形小、人工

成本低以及無須添加焊材的高壓真空電子束焊接技術(shù)

在 Incoloy 825 高壓空冷器上的應用。

目前，真空電子束焊接已在國內(nèi)外多個工業(yè)領(lǐng)域

使用，真空電子束焊接（EBW）相比于傳統(tǒng)焊接方法

（SMAW、SAW、GTAW 等）在提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量（在

真空環(huán)境中施焊）及效率，降低焊接污染及排放等方

面有顯著優(yōu)勢。在國外空冷器制造行業(yè)真空電子束焊

接已有成熟的經(jīng)驗及大量的應用，而國內(nèi)空冷器制造

行業(yè)采用真空電子束焊接目前屬于空白。近年來，空

冷器在煉油、化工、電力等行業(yè)需求量呈上升趨勢，

空冷器管束焊接工作量大部分集中在空冷管箱的焊接。

真空電子束焊接是一種高能量密度焊接方法，本質(zhì)是

動能轉(zhuǎn)化為熱能實現(xiàn)焊接，高速運動的電子束撞擊金

72 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

屬表面后能量轉(zhuǎn)化，被焊接金屬加熱后熔化、冷凝、

結(jié)晶而形成焊縫，最大的特點是深熔透效應，所以能

加工出非常窄、非常深的焊縫，使得焊縫變形保持在

0.5 mm 左右。20 世紀 60 年代，我國開始研究電子束

焊接技術(shù)，目前其應用于航空、汽車、電氣電工儀表

等行業(yè)，在化工設備制造的應用還比較少見，化工設

備有大尺寸、大厚度的特點，與電子束焊接的適用范

圍相符合 [2]。Incoloy 825 板焊絲堵管箱在制造中使用

了高壓真空電子束焊接技術(shù)。

真空電子束焊具有如下 6 個方面的優(yōu)點：

1）電子束焊接的能量密度高，能達到 106 ～

109 W/cm2

，焊接熱輸入量小，而焊接速度高，因此，

焊件的熱影響區(qū)小，僅為0.05～0.75 mm，焊件變形小。

2）電子束焊接的穿透能力強，焊縫深寬比大。

目前焊接深度可達 400 mm 以上，焊縫深寬比可達到

70 ∶ 1 以上。

3）焊接適應性強，電子束焊工藝參數(shù)可在較廣

范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，且控制靈活，既可焊接 0.1 mm 的

薄板，又可焊接 200 ～300 mm 的厚板，還可焊接形狀

復雜的焊件。

4）由于焊件在真空中焊接，金屬不會被氧化，焊

縫純凈、表面光潔，無夾渣、氣孔等缺陷，故焊縫質(zhì)量好，

接頭強度高。

5）與普通焊接相比，其焊接速率更高，成本更低

（尤其對于大厚件的焊接工件）。

6）電子束易受控，焊接可達性好。真空電子束比

傳統(tǒng)焊接方法污染小，無廢渣廢氣。

真空電子束焊接有以下兩方面的缺點：

1）設備比較復雜，投資大，費用較昂貴。

2）電子束焊要求接頭位置準確，間隙小而且均勻，

焊前對接頭坡口加工、裝配、潔凈度要求極為嚴格，

一般需要專用設備來裝配工件。

焊縫布置情況如圖 1 所示，空冷器管箱主要技術(shù)

參數(shù)見表 1。

圖 1 焊縫布置圖

A3 A4

A5 A6

A2 A1

絲堵板

底板 管板 加強板 端板

頂板

項目 參數(shù)

設計壓力 /MPa（g） 14.83

工作介質(zhì) C6 ～ C7

氣密試驗壓力 /MPa 2.5

管箱規(guī)格 /mm進出口管箱

2130×169×177

設計溫度 /℃ 343/-6.6

水壓試驗壓力 /MPa 19.28

管箱材料 Incoloy 825

分程管箱 /mm 2140×297×161

表 1 空冷器管箱主要技術(shù)參數(shù)

1 N08825 材料焊接特點和工藝性能

N08825 材料為鎳基耐腐蝕合金四大系列中的 NiFe-Cr 系因康洛依（Incoloy），其 Ni 含量小于 50%

且Fe 比 Cr 多，焊接時易出現(xiàn)焊縫的宏觀和微觀裂紋，

主要包括高溫失塑裂、結(jié)晶裂紋和液化裂紋 [3]。熔融

金屬黏性大，流動性較差，在快速冷卻結(jié)晶時，氣體

來不及溢出產(chǎn)生氣孔，在焊接操作不當時造成咬邊。

鎳合金的氧化物在焊接時以固體形式保留，結(jié)果形成

了不完整的熔接和不連續(xù)的氧化物夾渣。鎳基合金材

料較貴，焊接應力求 1 次施焊合格，避免返修，節(jié)省

成本，而優(yōu)化焊接工藝是保證焊接目標實現(xiàn)的重要措

施。鎳基合金導熱性差，為避免產(chǎn)生熱裂紋，應盡量

選擇較低線能量。控制層間溫度在 100 ℃以下。

2 管箱組焊技術(shù)

2.1 施焊準備

制定工藝文件、焊接工藝規(guī)程和工藝流轉(zhuǎn)卡，在

流轉(zhuǎn)卡中確定管板、絲堵板與頂?shù)装彘g的縱向焊縫外

側(cè)采用 EBW。板材下料采用等離子或水刀切割，管絲

板和蓋板下料后，應校平整以保證管箱直線度。坡口

銑加工，100%PT 探傷合格后，打磨清洗無油污、無

毛刺等待組裝。

2.2 管箱縱焊縫外側(cè)高壓高真空電子束焊接

焊接時的真空度≤ 0.05 Pa，采用燈絲尺寸

3 mm×0.1 mm×24 mm，焊機型號 THDW-30，射束

軸線角度 0°±10°，本文列出了頂?shù)装搴穸葹?28 mm 和

25 mm 兩種電子束焊接工藝，分別見表 2 和表3。每條

縱焊縫分三道焊，施焊中應對工藝參數(shù)設定進行核對，

確保與工藝符合。

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 73

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

焊道 束流 /mA 電壓 /

kV

焊接速度

/(cm/min)

聚焦電流 /

mA

槍到工件

距離 /mm

振動長 / 寬 / 頻

率 / 駐留時間

點焊 50±5% 80 30±2% 470±5% 250±6

0 mm/（2.8±

10% ）mm/200

Hz/ 正弦線運動

焊接 185±5% 80 30±2% 470±5% 250±6

0 mm/（2.8±

10%） mm/200

Hz/ 正弦線運動

修飾層 120±5% 80 30±2% 520±5% 250±6

0 mm/（2.8 ±

10%）mm/200

Hz/ 正弦線運動

表 2 管箱（頂?shù)装搴穸?28 mm）縱焊縫外側(cè)高壓

高真空電子束焊接

焊道 束流 /mA 電 壓 /kV 焊接速度

/(cm/min)

聚焦電流 /

mA

槍到工件

距離 /mm

振動長 / 寬 / 頻

率 / 駐留時間

點焊 50±5% 80 30±2% 470±5% 250±6

0 mm/（2.8 ±

10%）mm/200

Hz/ 正弦線運動

焊接 170±5% 80 30±2% 470±5% 250±6

0 mm/（2.8 ±

10%）mm/200

Hz/ 正弦線運動

修飾層 120±5% 80 30±2% 520±5% 250±6

0 mm/（2.8 ±

10%）mm/200

Hz/ 正弦線運動

表 3 管箱（頂?shù)装搴穸?25 mm）縱焊縫外側(cè)高壓

高真空電子束焊接

此焊接方式具有能量密度集中、焊接深度大、焊縫

深寬比大、焊件變形小、不用焊材等優(yōu)點 [4]。缺點如下：

1）飛濺大；

2）管箱在真空室外換位翻轉(zhuǎn)，真空箱抽真空過程

和可能需要的降溫過程耗時長，降低焊接效率；

3）電子束本身的特性對電磁場敏感，有必要時需

對工件進行消磁，對周邊進行防護；

4）對裝配質(zhì)量要求高；

5）起弧和收弧易產(chǎn)生氣孔、凹坑缺陷，有時凹坑

缺陷伴隨裂紋；

6）焊縫兩側(cè)產(chǎn)生大量紫或黑氧化色。

2.3 電子束焊接方式產(chǎn)生的缺陷及原因分析

1）氣孔：坡口未清理干凈，焊接參數(shù)設置不合理導

致小孔效應，組對坡口間隙大，焊前未預熱除濕氣。

2）未熔合：焊縫組對不直，焊接過程中焊縫變形

較大。

3）焊穿：焊縫組對不直，焊前點焊固定不牢固，

焊接過程中焊縫變形較大，工藝參數(shù)設置不對，電流

電壓不穩(wěn)定，施焊前未進行焊道軌跡模擬。

4）飛濺：比較常見，焊縫間隙氣體在受熱膨脹劇

烈外排時，帶出熔融金屬，形成飛濺，未排出熔池的

就形成氣孔。

3 焊接質(zhì)量控制

3.1 焊接工藝文件審查

審查焊接工藝評定文件是否符合 ASME Ⅸ 要求，

焊接工藝是否有焊接工藝評定支持。審查焊工操作技

能評定是否符合焊接工藝的要求和 ASME Ⅸ 要求。預

測返修工藝采用的焊接工藝和焊接工藝評定的覆蓋情

況，并提醒制造廠備查。

3.2 焊縫變形控制

電子束組焊縱縫，頂板側(cè)兩縱縫焊后，管箱移出真

空室，一是為了降低層溫，二是為了工件翻轉(zhuǎn)，此時的管

箱向頂板側(cè)彎曲，端部高出中部約 6 mm 左右，此變形

直接影響工件到焊槍的距離，在工藝評定所覆蓋的距離

變化偏差范圍之內(nèi)。底板側(cè)兩縱縫組焊后，管箱反變形，

長度方向直線度約 3 mm 左右，基本無扭曲變形。

電 子 束 焊 后， 端 部 截 面 尺 寸 收 縮 0.5 ～

1 mm，翹曲變形約 4 ～ 5 mm，一般不影響加強板與

管板、絲堵板組焊。

加強板組焊后，實際測量端部截面尺寸收縮

1 ～ 2 mm。管板在施焊部位內(nèi)收變形， 最大變形約

1 mm。焊后在管箱定尺切除兩端余量前，要經(jīng)過矯

形工序。端板組焊產(chǎn)生收縮變形，同時加強板組焊對

管絲板產(chǎn)生的變形使之累加，中心距離較兩端距離小

5 mm，目前采用邊緣不銹鋼工裝板加強進行剛性防變

形，并采用 φ3.2 mm 的焊條代替 φ4 mm 焊條多道多

層小電流施焊，但實際結(jié)果使管箱端部中心距離較兩

端距離減小至 3 ～ 4 mm，此方法收效不大，也不經(jīng)濟，

但可以大大降低對鄰近管板、絲堵板開孔的影響，因

此工廠采用，但尚需工藝改善。

3.3 焊縫返修

A1 ～ A4 焊穿缺陷部位改用手工施焊，焊縫氣

孔、裂紋、未熔合、未焊透仍按電子束焊工藝組焊，

需要更改起弧和收弧時的電子束流增減規(guī)律。管箱局

部返修受熱，管箱變形，因管箱細長，目視變形較大，

必須經(jīng)矯形工序，所以應在施焊前做好防變形工裝。

A5 ～ A6 焊縫氣孔、裂紋、未熔合、未焊透仍按原工

藝組焊，注意防變形和控制層間溫度。

3.4 焊縫外觀尺寸

組對錯邊量，主要是 A1～A5 縫，A1～A4 是電子

74 2022.04 設備監(jiān)理

檢驗與技術(shù)

Inspection and Technology

束焊接，錯邊不超過 0.5 mm；A5 ～A6 縫焊接錯邊及所

有焊縫余高按 ASME Ⅷ和工藝控制。內(nèi)角焊縫焊腳高

度按工藝執(zhí)行，內(nèi)角焊縫施焊不當或加強板組裝偏斜可

能造成焊腳超高、焊瘤、焊偏等，造成管子管板組焊空

間過于狹小，應用修磨機修磨處理多余敷熔金屬。

3.5 無損探傷

管箱縱縫采用超聲波相控陣（PAUT）進行 100%

探傷，此種探傷方法操作簡單，操作可以與缺陷評定

不同時、不同地、不同人員進行，可以實現(xiàn)網(wǎng)上遠端評

定缺陷。探傷形成的圖像記錄，顯示結(jié)果有 4 種形式：

橫斷面 B 顯示，水平面 C 顯示，扇形面 S 顯示，切片

CT 顯示，對評定缺陷更加直觀。對缺陷檢出率高，

效率也高 [5]。端板采用 UT100% 探傷，接管與管箱組

焊縫采用 UT 探傷，無法 UT 探傷的地方進行 100%PT

探傷。

4 結(jié)束語

真空電子束焊接技術(shù)應用于空冷 Alloy 825 管箱

焊接，符合 GB/T 19867.3—2008《電子束焊接工藝規(guī)

程》、GJB 1718A—2005《電子束焊接》的要求。真

空電子束焊接 Alloy 825 材料與傳統(tǒng)焊接方法（SMAW、

SAW、GTAW）相比，真空電子束焊接管箱變形小，

焊縫、熱影響區(qū)硬度低，沖擊值高，焊縫一次性合格

率也遠高于傳統(tǒng)焊接方法。真空電子束焊接技術(shù)可以

應用于 Alloy 825 材料及奧氏體不銹鋼空冷管箱的焊

接，填補了國內(nèi)同行業(yè)的技術(shù)空白，提高了生產(chǎn)效率

和產(chǎn)品質(zhì)量，推薦在相關(guān)工程項目中應用，應用中應

注意電子束接頭位置準確、間隙小而且均勻的要求。

參考文獻

[1] 李春蘭 , 王增新 ,陸建英 ,等.Incoloy 825 材質(zhì)高壓

空冷器制造 [J].石油化工設備 ,2010,39(01):60-63.

[2] 高峰 ,常榮輝 ,劉艷梅 ,等.大型真空高壓電子束

焊機的焊接適用性研究 [J]. 航空制造技術(shù) ,2017，

(12):48-52.

[3] 牛衛(wèi)杰 , 王國平, 劉進偉 . 高溫耐蝕鎳基合金的

焊接研究現(xiàn)狀及展望 [J]. 現(xiàn)代焊接 ,2013，(09):8-12.

[4] 陳衡 , 石純標 ,余緯 . 真空高壓電子束焊接設備

驗收方案設計 [J]. 機械制造文摘 ( 焊接分冊 ),2016，

(06):24-28.

[5] 李衍 . 超聲相控陣技術(shù) 第一部分 基本概念 [J].

無損探傷 ,2007，(04):24-28.

（上接第 37 頁）

3 個月檢查 1 次破碎輥，如果發(fā)現(xiàn)輥皮磨損嚴重，應

及時更換。

5 進口設備監(jiān)理控制重點

采制樣系統(tǒng)的進口設備包括美國藝利品牌設備

（初級采樣機、破碎機、振篩機和分配器），美國普

瑞品牌設備 3 臺（振篩機、多級振動篩、旋轉(zhuǎn)分樣

儀），澳大利亞 ESSA 圓盤粉碎機（DMP200）1 臺

和研磨機（HP-M1500）2 臺，日本產(chǎn) YAMATO 品牌

烘箱 2 臺。

承包商應將進口設備的采購合同原件及復印件報

監(jiān)理工程師審核，這是進口設備監(jiān)理控制的重點。監(jiān)

理工程師要審核所采購設備的品牌、產(chǎn)地、規(guī)格型號、

供貨期是否滿足要求。

對于供貨合同中要求的原裝國外進口產(chǎn)品，監(jiān)理工

程師要審核原產(chǎn)地證明和進口報關(guān)單報，查驗產(chǎn)品合格

證和相關(guān)檢測報告（或中文版的說明書）。設備即將到達

國內(nèi)港口時，承包商應提前通知監(jiān)理人員，業(yè)主和監(jiān)理

師根據(jù)設備到港情況，到進關(guān)港口檢查驗收設備。

6 結(jié)束語

煙臺西港一期采制樣系統(tǒng)設備項目按計劃完成合同

范圍內(nèi)的供貨和安裝施工任務，設備單機調(diào)試及系統(tǒng)空

載聯(lián)調(diào)工作順利完成，運行狀況穩(wěn)定、良好。盡管在項目

實施過程中，承包商和監(jiān)理人員遇到了很多困難，但經(jīng)

過各方的努力和配合，保質(zhì)保量地完成了各項施工任務。

該項目是一個功能齊全的綜合性系統(tǒng)工程，在項目全過

程監(jiān)理中積累的豐富經(jīng)驗，能夠為后續(xù)類似的采制樣設

備項目順利實施提供有力的技術(shù)支持和保障。

參考文獻

[1] GB/T 10322.1—2014 鐵礦石 取樣和制樣方法 [S].

[2] GB/T 10322.3—2000 鐵礦石 校核取樣精密度的

實驗方法 [S].

[3] GB 50231—2009 機械設備安裝工程施工及驗收

通用規(guī)范 [S].

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 75

Exclusive Interview

專訪

星光不問趕路人

—— 訪陜西威能檢驗咨詢有限公司副總裁趙峰

郇淑萍 韓曉璐

2022 年 4 月 29 日，由陜西威能檢驗咨詢有限公

司（以下簡稱威能檢驗）為國家管網(wǎng)建設項目管理分

公司所監(jiān)造的 φ1 219 mm×18.4 mm×80 m 直縫埋弧

焊防腐首批鋼管正式發(fā)運。該批鋼管將運輸至西氣東

輸項目，為項目提供關(guān)鍵的設備支持，推動西氣東輸

項目的順利完工。

作為國家重點項目，西氣東輸三線中段工程是國

家能源戰(zhàn)略通道的重要組成部分。整個項目的完成，

將進一步提升天然氣的供應能力，實現(xiàn)西部資源和東

部天然氣市場有效連接，有利推進途經(jīng)省區(qū)“雙碳”

目標的最終實現(xiàn)。

西氣東輸三線中段工程對監(jiān)理質(zhì)量有著很高的要

求，監(jiān)理工作責任重大。威能檢驗能夠順利承接這一

重要監(jiān)理，他們有哪些成功經(jīng)驗？面對新冠疫情影響，

設備監(jiān)理工作的開展面臨新的課題，威能檢驗如何應

對？帶著這些問題，《設備監(jiān)理》雜志近日在線采訪

了威能檢驗副總裁、西氣東輸三線中段項目設備監(jiān)理

的總負責人趙峰。

技多不壓身，時光不負有心人

2000 年，趙峰大學畢業(yè)，入職中國石油天然氣集

團管材研究所（以下簡稱管材研究所）駐廠監(jiān)理部，

正式開啟自己的監(jiān)理生涯，至今已有 22 年設備監(jiān)理

工作經(jīng)歷。如果說十年磨一劍，那么趙峰身上至少有

兩把寶劍：一把是做好設備監(jiān)理工作的技術(shù)寶劍，

另一把是做好團隊管理、激發(fā)團隊工作熱情的管理

寶劍。

技術(shù)寶劍的磨煉源于趙峰在設備監(jiān)理工作上的認

真思考和遇到的困難。在管材研究所工作期間，趙

峰主要從事管道的駐廠監(jiān)造和防腐監(jiān)造工作，先后

參與了由中海油和中石化等公司投資建設的“春曉”

油氣田項目監(jiān)理工作，負責大型焊管的駐廠檢驗及港

口的到貨驗收；在廣東 LNG 低溫儲罐項目內(nèi)江容器廠

生產(chǎn)現(xiàn)場負責管件第一次冷涂評價試驗工作等。這些

經(jīng)歷，在積累了一定監(jiān)理實踐經(jīng)驗的同時，也讓他意

識到自己在一些專業(yè)知識儲備方面的不足。從那時起

他就在認真思考如何擴充監(jiān)理專業(yè)知識儲備，如何提

高對監(jiān)理標準的準確理解，以做到對業(yè)主客戶最大的

負責，避免質(zhì)量隱患的產(chǎn)生。

2005 年底，趙峰正式入職威能檢驗。公司良好的

企業(yè)文化氛圍，為員工快速成長創(chuàng)造了良好條件。趙

峰先后參與、負責數(shù)百個國內(nèi)外設備材料檢驗項目，

輾轉(zhuǎn)全國大江南北，為多個客戶提供監(jiān)理服務，先后

擔任過檢驗工程師、項目經(jīng)理、區(qū)域經(jīng)理、事業(yè)部副

部長、運行中心總經(jīng)理等。在事業(yè)進步的同時，趙

峰不斷充電學習，提高完善自己的專業(yè)知識與技能。

2021 年，獲得高級設備監(jiān)理師證書；2005 ～ 2010 年，

先后獲得了 CWI 美國焊接檢驗師、NACE 涂層檢驗師、

CSWIP 國際焊接檢驗師、ASNT PT/RT/UT/MT 三級、

理化檢驗（力學性能二級）、INTERTEK（加壓設備

旋轉(zhuǎn)機械檢驗人員認可證書）、API5B（套管、油管

和管線管）螺紋測量資格證等證書。

趙峰坦言：“這些證書的培訓學習充實了自己，

對工作的促進非比尋?！?。趙峰認為，設備監(jiān)理是個

非常有趣的職業(yè)，剛開始認為簡單，越深入越會覺得

專業(yè)知識儲備的不足。因此，在 2005 ～ 2010 年，努

力學習相關(guān)專業(yè)知識充實自己，收獲良多：一是了解

國際前沿技術(shù)，并學習國外同行在專業(yè)上的嚴謹；二

是對相關(guān)技術(shù)標準的理解更加準確，原來監(jiān)造中有些

關(guān)鍵點或者非關(guān)鍵點的模棱兩可的描述，通過培訓學

習會找到更為準確的答案，特別是對英文標準的理解，

從而有效避免質(zhì)量隱患的產(chǎn)生，把設備監(jiān)理檢驗工作

做得更好。

豐富的實踐經(jīng)驗，加上良好的專業(yè)技能，為趙峰

的事業(yè)發(fā)展鋪平了道路。目前，趙峰擔任威能檢驗副

總裁，主要負責公司的項目運行管理和技術(shù)服務業(yè)務

開發(fā)及執(zhí)行管理。在威能檢驗，一批像趙峰一樣有志

于設備監(jiān)理事業(yè)的員工，在個人事業(yè)不斷進步的同時，

也成就了公司的輝煌。

76 2022.04 設備監(jiān)理

Exclusive Interview

專訪

精心組織，全力為產(chǎn)品質(zhì)量保駕護航

2022 年初，威能檢驗承接了西氣東輸三線中段項

目。該項目是國家石油天然氣建設項目管理分公司重

點項目，是今年最長的一條管線，起自寧夏中衛(wèi)聯(lián)絡

壓氣站，途經(jīng)寧夏、甘肅、陜西、河南、湖北共 5 個省，

監(jiān)造內(nèi)容包括輸送管、彎管、熱收縮帶、閥門等設備。

對公司來說，這是一項非常重要的工作，公司任命趙

峰為項目總負責人。

趙峰授命后立即組織召開了項目組織策劃會，特別

安排了管道工程事業(yè)部專項負責此項目，設立了部長、助

理、項目經(jīng)理、質(zhì)量經(jīng)理、協(xié)調(diào)員等共 17人的管理機構(gòu)，

也專門任命了客戶對接的調(diào)度和市場部的溝通專員。管

理機構(gòu)層次、組織清晰，分工明確，而且責任到人，跟蹤

到人。第一批上報給西氣東輸三線各項目部執(zhí)行的人員

共 32 名，都是經(jīng)驗豐富的專業(yè)監(jiān)造工程師，而且都是通

過嚴格考試篩選出來的。在項目執(zhí)行過程中，管理團隊

進行了深入的討論和研究。各監(jiān)造組長對工作內(nèi)容、公

司要求、注意事項等進行傳達和學習。

2022 年 3 ～ 5 月，已有 80 多名人員參加了西氣

東輸三線（以下簡稱西三線）中段項目工作。西三線

項目的管子總共有 9 家生產(chǎn)制造企業(yè)，涉及上海寶鋼、

南京巨龍、青縣巨龍、寶雞鋼管、寶世順鋼管等，還

涉及 4 個熱縮帶廠，現(xiàn)在已經(jīng)進駐監(jiān)造人員的有 2 個

熱縮帶廠。為了確保監(jiān)造檢驗項目的安全運行，在項

目工作現(xiàn)場，公司為監(jiān)造人員配備安全帽、反光背心、

工作服、口罩等個人防護用品，確保監(jiān)造人員在檢驗

工作中的職業(yè)健康和安全。

新冠疫情影響所帶來的不確定性，為監(jiān)理工作的

正常開展帶來了不同以往的新困難，為此公司早有準

備。趙峰介紹說，公司在今年初已經(jīng)提前做了疫情當

下的預案，預案有 3 個重點：一是落實當?shù)貙俚鼗?/p>

執(zhí)行人員，盡量規(guī)避多頻次的動員；二是要求重要項

目的執(zhí)行人員，提前與制造企業(yè)溝通落實，與制造企

業(yè)人員同步進入工作現(xiàn)場進行封閉式生產(chǎn)和檢驗，保

障重點項目的順利運行；三是響應中石油、中石化、

中海油的要求，選擇了遠程視頻檢驗的環(huán)節(jié)。

公司在全國共有 11 個辦事處、15 個項目組，這

樣的覆蓋使得項目能按照客戶的既定要求進行。對于

公司人員往返路途存在的風險，也做了相應的安排。

在這樣的預安排之下，項目啟動后，疫情對于重點項

目的影響降到了最低，截至目前，西三線項目按期按

時保供保產(chǎn)順利進行。

寧靜致遠，激發(fā)團隊的工作熱情和激情

趙峰是一個愛思考的人，走上管理崗位的他，又

面臨著團隊的管理、人才的培訓儲備等一系列管理問

題。隨著公司業(yè)務的不斷拓展，如何給客戶提供最有

價值的服務，在客戶和制造企業(yè)中間，怎樣做到以客

戶為核心，為客戶提供更為專業(yè)的檢驗，是他經(jīng)常思

考的問題。多年來，趙峰從專業(yè)知識、管理知識、領(lǐng)

導力等方面，一直不斷地自我充電、自我充實。

面對各種復雜問題，作為一名管理者，最大的挑

戰(zhàn)往往不是項目工作中的難題，而是如何讓下屬團隊

變得更加優(yōu)秀。趙峰認為，項目問題憑借合理的策劃

安排和組織管理是一定能夠解決的，挑戰(zhàn)性比較大的

是，作為一個管理者如何持續(xù)保持良好的情緒狀態(tài)，

不讓一些負面情緒影響團隊的工作熱情和激情，從而

把團隊帶得更好、更優(yōu)秀。為此，趙峰經(jīng)常會靜下心

來反思并不斷改進自己的一些管理方式，通過對團隊

成員正常的激勵，發(fā)揮每個團隊成員的積極性和優(yōu)勢，

努力將管理者的角色做到最好。

有位經(jīng)營大師曾說過越是錯綜復雜的問題，就越

要根據(jù)簡單的原理和樸素的思想進行判斷和行動。這

是撥開云霧見南山，直接洞悉事物本質(zhì)和解決問題的

最佳方法。趙峰介紹，為了提高管理，他曾參加過相

關(guān)經(jīng)營培訓班，現(xiàn)在他也靈活運用這些知識。核心就

是將企業(yè)劃分為小集體實現(xiàn)持續(xù)自主成長，讓每一位

員工成為主角，“全員參與經(jīng)營”，打造激情四射的

集體，依靠全體智慧和努力完成企業(yè)經(jīng)營目標，實現(xiàn)

企業(yè)的飛速發(fā)展。威能檢驗這些年針對石油天然氣領(lǐng)

域設備特點，將工程師分為鉆探、油井管、油田、管道、

化工等部門，針對不同客戶的需求及設備特點，進行

針對化細致化的管理響應，為客戶提供更加優(yōu)質(zhì)的

服務。

超值服務，讓業(yè)主、制造企業(yè)都開心滿意

作為第三方監(jiān)理單位，如何做到讓業(yè)主和制造企

業(yè)都滿意，除了過硬的監(jiān)理質(zhì)量外，還需要良好的溝

通能力。為此，趙峰舉了 2 個印象深刻的例子。

案例 1：幫助制造企業(yè)改進工藝，提高油套管表

面質(zhì)量。油套管在國內(nèi)已是比較成熟的產(chǎn)品，但業(yè)內(nèi)

人員對其表面質(zhì)量卻往往不夠重視。國外的油管產(chǎn)品

長期采用和儲存，能保證油管質(zhì)量 6 個月下降的程度

只有 30%；國內(nèi)生產(chǎn)的油管表面質(zhì)量經(jīng)過 3 個月海運

和 6 個月儲存之后，表面質(zhì)量幾乎下降為 0。因此，

在一項厄瓜多爾油井項目的監(jiān)理工作中，針對該國外

PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 77

Exclusive Interview

專訪

客戶對于油套管外表面質(zhì)量提出的額外要求，趙峰憑

借良好的溝通技巧和立項課題研究，促使國內(nèi)制造企

業(yè)通過完善工藝技術(shù)，最終滿足了客戶的要求，實現(xiàn)

了三方共贏。

案例 2：重新梳理制造企業(yè)質(zhì)量控制和檢驗工序，

避免廢品產(chǎn)生，保障工程按期完工。在一個中石油的

項目監(jiān)理過程中，由于制造企業(yè)第一批生產(chǎn)的管材出

現(xiàn)貫通性裂紋，導致客戶拒收。項目重新招標，威能

檢驗中標后，由趙峰帶領(lǐng)團隊將制造企業(yè)生產(chǎn)車間的

軋管質(zhì)量控制和檢驗工序，從頭到尾重新做了梳理規(guī)

范，發(fā)現(xiàn)問題并幫助分析解決。最終該車間按照客戶

要求，按期交付了 5 500 t 合格油管。趙峰說，這是該

制造企業(yè)有史以來做得最難的一個項目，制造企業(yè)對

威能檢驗的嚴格監(jiān)理把關(guān)一時難以接受。但在經(jīng)歷短

時間的陣痛之后，制造企業(yè)態(tài)度逐漸發(fā)生了轉(zhuǎn)變，他

們認為正是趙峰團隊的介入，使得該車間生產(chǎn)線的質(zhì)

量管理真正達到了國內(nèi)排名前列的水平。

交流與分享，為行業(yè)發(fā)展添磚加瓦

基于實踐經(jīng)驗和專業(yè)理論的積累，趙峰在用戶企

業(yè)贏得了良好聲譽。2013 ～ 2014 年，他參與了中石

油技術(shù)開發(fā)總公司的《監(jiān)造管理辦法》《檢驗大綱細

則模板》的草擬制定，組織制造企業(yè)和中石油業(yè)主方

共同討論定稿，最終評標下發(fā)《監(jiān)造管理辦法》和《檢

驗大綱細則模板》。2017 ～ 2019 年，參與了中石化的

《監(jiān)造大綱細則的模板化和知識化》的起草，其中油

（套）管、鉆機部分由趙峰帶隊撰寫，整套監(jiān)造指導

文件出版，并在中石化行業(yè)內(nèi)使用。另外，他還在行

業(yè)內(nèi)發(fā)表了現(xiàn)場使用的一些技術(shù)文件、檢驗文件指導

手冊等。

除了項目監(jiān)造外，趙峰還做了一部分對制造企業(yè)

的審核評價工作，評價既有國內(nèi)公司也有國外公司。

特別是在 2012 ～ 2015 年，威能檢驗中標阿爾及利亞

石油公司委托的一項國際制造企業(yè)評估測試項目，包

含對中標的全球 70 多家制造企業(yè)的審核。趙峰帶隊去

了法國、德國、意大利，以及中東迪拜、多哈等城市，

對國外制造企業(yè)的生產(chǎn)能力進行生產(chǎn)評估。依靠良好

的專業(yè)知識與技能，打消了國外公司最初的疑慮，最

終贏得了國外制造公司的信任，保證了評估工作的順

利進行。趙峰感嘆說：“國內(nèi)的檢驗公司走出國門的

太少，因此國外企業(yè)很少了解國內(nèi)檢驗公司的實力和

水平，加強中外同行間的交流十分必要。天津地區(qū)的

幾家大的制造企業(yè)對于他們的評審工作非常配合，認

為威能檢驗這樣的國內(nèi)企業(yè)能夠參與國際招標審核工

作令人佩服和欣賞”。為此，趙峰和他的團隊也感到

非常自豪。

在審核當中，趙峰通過中外制造企業(yè)的對比，不

僅看到了差距，也在一定程度上收獲了自信。趙峰說，

審核評價不僅學習了國外的先進制造工藝，看到了國

外制造的優(yōu)點，也發(fā)現(xiàn)了國外制造的缺點。審核回來

之后，趙峰專門對一些文件進行梳理，跟國內(nèi)某些重

點制造企業(yè)進行交流和分享。他希望通過不斷總結(jié)、

吸取經(jīng)驗，規(guī)避缺點，國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品未來有一天能

夠跟國際產(chǎn)品對接。

不斷精進，新能源領(lǐng)域大有可為

威 能 檢 驗 專 注 能 源 領(lǐng) 域， 其 注 冊 商 標

“FORENERGY”就充分表明了這一點。

趙峰介紹說，威能檢驗作為一家具有國際化視野

的專業(yè)公司，在 2016 年前有 70% 的業(yè)務面向國際市場，

因此，能夠準確洞察時代發(fā)展趨勢，與時俱進，不斷

拓展業(yè)務領(lǐng)域和服務范圍，為多家全球知名的石油公

司、項目工程公司和貿(mào)易商提供專業(yè)化服務，并積極

參與了多項國際、國內(nèi)的重大石油石化項目。如今，

在全球各國大力倡導低碳經(jīng)濟的大背景下，威能檢驗

又將眼光瞄向了新能源領(lǐng)域。新能源成了發(fā)展低碳經(jīng)

濟的重要途徑。

“企業(yè)的運行一定要與國家政策和發(fā)展方向保持

一致?！壁w峰介紹說，這 2 年公司也在學習新能源和“碳

中和”的相關(guān)知識，并開始做相關(guān)的技術(shù)知識儲備。

趙峰本人也打算考取萊茵 TU

..

V 集團頒發(fā)的碳中和環(huán)

境氣體檢測檢驗工程師證書。

有位法國作家、思想家曾說過世界上最偉大的事，

是一個人懂得如何做自己的主人。趙峰就是一個懂得

如何做自己主人的人，在職業(yè)生涯初期，他毫不猶豫

地參加專業(yè)技能的培訓學習，為后面工作打下堅實的

基礎(chǔ)。在步入管理工作帶領(lǐng)團隊時期，他不僅學習管

理知識，而且不斷反思總結(jié)，提高團隊的工作熱情。

趙峰說，無論個人還是企業(yè)，他的價值源于責任，責

任重于泰山。威能檢驗每年執(zhí)行近百個合同，監(jiān)造設

備材料近萬臺（套、件）。在趙峰的精心組織和管理下，

所有項目監(jiān)造物資都能按期保質(zhì)交付，獲得多方業(yè)主

的一致好評。

展望未來，期待趙峰和他的團隊，為威能檢驗的

發(fā)展壯大，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展、質(zhì)量強國不斷做出

新的貢獻！