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PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 47
安全分析
Safety Analysis
产生机械能 [1]，再通过传动装置带动同步交流发电机
旋转，将机械能转换为电能输出，给各用电负载提供
电源。
1.2 出厂试验
柴油发电机组返修后的出厂试验在专用试验平台
上进行，试验内容主要包括：磨合试验、绝缘电阻测量、
保护装置动作可靠性检查、相序检查、空载整定电压
范围检查、电压和频率稳态调整率测量、电压和频率
的瞬态调整率及恢复时间测量、电压和频率波动率测
量、线电压波形正弦性畸变率测量、机组启动及带载
可靠性试验、带载性能试验、试验后检查及平衡试验。
本文重点对柴油机带载性能试验过程中出现的异常情
况进行详细阐述。
1.3 带载试验
柴油发电机组的带载试验，要求按照试验方案，
从 0%（空载）逐步加载 25%、50%、75%、90%，
在各工况分别运行对应的时长，直到提升至 100%
载荷（额定功率）[2]，并运行 6 h。带载试验进行至
100% 载荷时，前 5 h 的各项试验数据均运行正常，
各汽缸平均爆发压力为 15.3 MPa。第 6 h，发现各
汽缸平均爆发压力降低至 14.8 MPa，不符合 15.5±
0.5 MPa 的验收要求，试验失败。同时，排气温度平
均值从 451.2 ℃上升至 495.7 ℃，虽未达到 550 ℃的异
常报警值，但升温明显。各汽缸的异常试验数据见表 1。
汽缸 爆压 /MPa 排温 /℃ 汽缸 爆压 /MPa 排温 /℃
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 带载异常试验数据（第 6 h 出现爆压、排温异常变化）
2 试验分析
柴油机的喷油定时和进、排气定时，可确保足量
燃油和压缩空气周期性有序进入各汽缸燃烧室。燃油
和压缩空气在此混合燃烧，燃烧到一定程度达到最高
爆发压力。围绕产生缸内爆压的关键路径，本文从直
接相关的喷油定时、进排气定时、汽缸密封结构、燃
油量、喷油压力以及进气量 6 个要素进行故障分析。
2.1 喷油定时
柴油机喷油定时的正确性，是保证柴油机正常运
转和在最佳工况下工作的关键因素。若喷油定时不准
确，会影响燃油和空气的混合燃烧效果。如喷油过迟，
喷入汽缸的燃油来不及燃烧，活塞已经越过上止点开
始下行，汽缸内压力温度开始降低，后燃严重，可造
成缸内爆压下降。
该柴油机总装时，按装配工艺已完成喷油定时的
准确调整，喷油提前角等各项装配数据完全正常。前
5 h 带载试验缸内爆压正常的试验结果也可以佐证不存
在喷油过迟的情况。试验后的拆解检查，各部件亦未
发现异常磨损，不存在装配错误或试验过程中突发严
重磨损影响喷油定时的准确性，可排除这方面因素。
2.2 进、排气定时
柴油机总装时，按装配工艺已完成进、排气定时
的准确调整，各项装配数据记录完整，符合要求。通
过试验后的拆解检查，发现各汽缸的进、排气间隙与
之前的检查数据没有发生任何变化，进、排气控制符
合要求，也可排除这方面因素。
2.3 汽缸密封结构
汽缸密封结构破坏是指因拉缸而丧失密封性。拉
缸是由于各种原因，造成活塞环表面和缸套表面被划
伤，严重时会发生串气，导致缸压下降，常伴随异常
噪音。主要由装配不当、燃烧室严重积碳引起爆震、
滑油严重不足、异物进入缸内等因素造成。出厂试验
前，该柴油机汽缸由经验丰富的专业工程师按照返修
工艺进行拆解、清理积碳、珩磨并更换了全新的活塞
环。然后按装配工艺进行复装和检查，各项记录完整，
装配数据未发现异常。带载试验过程中，该柴油发电
机组运行平稳，油滤和空滤已阻挡异物进入气缸内部，
各系统的润滑油均处于正常状态，检查人员未发现拉
缸相关的金属干磨刺耳噪音。试验后，对 18 缸逐个进
行了试验后拆解检查，每个缸套表面的珩磨纹均处于
正常状态，未发现拉缸、串气等影响缸内压力的异常
现象。因此，可排除缸内密封结构破坏引起的爆发压
力下降。
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Safety Analysis
2.4 燃油量
带载试验过程中，每小时测得的燃油消耗率始终
维持在 205 ～ 207 g/（kW·h）范围内轻微波动，燃油
消耗量没有发生明显变化，因此，也不存在燃油量不
足的情形。
2.5 喷油压力
液态燃油经高压油泵、高压油管和喷油器，被喷
入燃烧室空间后，经历了破碎、雾化、蒸发和空气的
卷吸等过程。如果喷油压力下降，会影响燃油的雾化
效果，引起燃油与空气混合不理想，导致燃烧不充分，
影响缸内爆压。带载试验后，检查人员拆下 18 个喷油
器，逐个进行全面检查，每个喷油器的启喷压力、喷
孔检查、喷雾检查、密封性试验均合格，不存在喷油
压力下降的情况。因此，可排除喷油压力下降引起的
爆发压力下降这一因素。
2.6 进气量
自然状态下的空气通过带有空气过滤功能的涡轮
增压器以及空冷器，最终进入汽缸，燃烧做功后，通
过缸盖排气阀排出。如果进气量不足，不充分燃烧会
导致缸内爆压偏低。关于汽缸内进气量不足的原因，
分为 3 种情形：
1）海拔、气象条件剧烈变化导致外界空气密度明
显下降；
2）增压器故障，转速明显降低；
3）进、排气管路堵塞或泄漏。
首先，带载试验在海拔固定的车间进行，当天的
气象条件稳定，不存在大气压力和温度的大幅变化。
气象条件的微小波动，不会导致空气密度明显下降。
因此可以排除海拔、气象条件方面的因素。
其次，增压器的转速一直维持在28000 r/min左右，
运行比较平稳，未出现转速明显降低，也可以排除增
压器故障。
排除上述各种可能存在的故障后，导致汽缸爆发
压力降低的原因，只能是由进、排气管道堵塞或泄漏
导致的进气量不足。检查人员沿返修柴油发电机组的
进、排气路径进行反复检查，最终发现涡轮增压器前
端空气过滤装置进气口的防尘滤布清洁度较差，可能
存在堵塞，影响进气量。
与此同时，检查人员详细查阅过程记录，发现第
6 h 通过涡轮增压器加压后到达空冷器进口处的进气压
力（2.36 MPa），相较于前 5 h 的空冷器正常进气压
力（2.60 MPa）明显偏低，即涡轮增压器转速稳定的
情况下没有达到增压效果，理论上存在一种可能，即
空气过滤装置进口存在堵塞现象，引起进入涡轮增压
器的空气量不足，因此增压后到达空冷器进气口的压
力偏低，经空冷器冷却进入气缸的空气量也就不足，
缸内缺氧燃烧不充分，最终导致汽缸内爆发压力降低[3]。
这可以为空气过滤装置进气口防尘滤布清洁度较差的
试验现象提供理论支撑。
3 试验策划与验证
在得出上述理论分析之前，空气过滤装置进气口
清洁度较差的旧滤布已被当垃圾拆除扔掉，无法找回。
因此，无法用新、旧滤布的对比试验，来证实旧滤布
上的灰尘堵塞是导致汽缸内爆发压力降低等异常试验
现象的根本原因。
为此，策划新的试验方案如下：1）更换全新的滤
布，重新进行带载试验，验证更换滤布后的带载试验
是否可以顺利通过；2）模拟滤布堵塞试验，验证所有
异常的试验现象是否可以复现，确定根本原因。
3.1 更换滤布后的带载试验
空气过滤装置进气口更换全新的滤布后（见
图 1），按照试验方案重新进行带载试验，各项试
验数据符合性能要求（见表 2）。可以看出，汽缸
的 平 均 爆 发 压 力 已 恢 复 正 常（15.5 MPa）， 符 合
15.5±0.5 MPa 的验收要求，带载试验顺利通过。同时，
排气温度升高的异常试验现象也未再出现。
图 1 更换全新滤布的空气过滤装置
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Safety Analysis
汽缸 爆压 /MPa 排温 /℃ 汽缸 爆压 /MPa 排温 /℃
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 更换滤布后的带载试验数据
3.2 模拟滤布堵塞试验
为模拟空气过滤装置进气口旧滤布的堵塞效果，
在新换的滤布表面覆上透气性较差的材料（见图 2），
调整其数量和摆放位置，直至经过涡轮增压器后到达
空冷器进气口的空气压力接近异常状态下的进气压力
（2.36 MPa）。此时，通过外接压力表测得 18 个汽缸
的爆发压力平均值为 14.6 MPa（不合格），平均排气
温度也从 455 ℃升高至 495 ℃（明显升高），之前的
异常试验现象全部重现。各汽缸爆压和排气温度见表3。
图 2 全新滤布表面覆上透气性较差的材料的
空气过滤装置（模拟旧滤布堵塞效果）
汽缸 爆压 /MPa 排温 /℃ 汽缸 爆压 /MPa 排温 /℃
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 模拟滤布堵塞试验数据（复现爆压和排温的异常变化）
由此可见，空气过滤装置进气口滤布的清洁程度
是影响空冷器进气压力的重要因素。若滤布出现堵塞，
会造成涡轮增压器的进气量不足，在增压器转速稳定
的情况下，增压效果下降，到达空冷器进气口的压力
明显降低，引起进入汽缸燃烧室的压缩空气量不足，
导致足量的燃油在燃烧室内不能充分燃烧，在汽缸排
出废气时遇外界空气继续燃烧，所以排气温度明显
升高。
3.3 试验结论
通过更换空气过滤装置进气口滤布，带载试验可
以顺利通过。通过补充模拟滤布堵塞试验，异常试验
现象可以全部重现。因此得出如下试验结论：柴油发
电机组的关键零部件并没有损坏，只是空气过滤装置
进气口滤布出现了堵塞，导致出厂试验失败；更换空
气过滤装置进气口滤布即可解决爆压偏低的问题。
4 结束语
综上所述，带载试验曾经出现的汽缸内爆发压力
降低以及排气温度升高的异常试验现象，均已通过补
充模拟滤布堵塞试验得以复现，而且这些异常试验现
象也找到了相应的理论支撑，充分证实了此前原因分
析的正确性。通过更换空气过滤装置进气口滤布，成
功解决了柴油发电机组汽缸内爆发压力降低的出厂试
验问题。本文可为柴油发电机组的日常保养维护，提
供一定的参考。
参考文献
[1] 姚良 .柴油机构造及原理 [M].西安：西北工业大学
出版社，2017.
[2] 李德佳 . 核电站应急柴油发电机组的特点分析和调
试 [J].电力设备，2006,7(08):40-44.
[3] 黄开胜，张尧，刘刚 ,等. 进气压力对发动机性能
的影响研究 [J].内燃机工程，2017,38(02):73-78.
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安全分析
Safety Analysis
高压气水罐层板和封头连接焊缝裂纹
成因分析和处理对策
万 军 史红兵
（安徽省特种设备检测院 合肥 230051）
摘 要：某钢厂 1 台高压气水罐进行定期检验时，磁粉检测发现层板与下封头连接焊缝存在裂纹缺陷。
本文结合设备的制造工艺和使用工况进行了裂纹成因分析：封头和层板连接部位的线接触层板表面是应力集
中部位，在交变的压力载荷长期作用下，层板底部萌生疲劳裂纹，并扩展至层板外堆焊焊缝表面。通过去除
裂纹位置整圈层板母材而进行的重大修理可彻底清除裂纹缺陷，保证了设备的安全运行。
关键词：高压气水罐 焊缝 裂纹 成因分析 处理对策
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
中图分类号：TB496 文献标志码：B
文章编号：2095-2465(2022)08-0050-03 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.012
作者简介：万军（1979 ～ )，男，本科，高级工程师，从事
压力容器检验检测工作。
通讯作者：万军，E-mail: wanj863@126.com。
（收稿日期：2022-04-07）
高压气水罐是钢厂中厚板轧制装置中的配套压力
容器，利用罐内的高压水瞬间排放喷射水柱来除去钢
板表面的氧化皮。因储存介质压力高、蓄能大，一旦
发生失效事故会直接影响轧制装置的安全运行，危害
工作人员的人身安全。特种设备检验机构对某钢厂 1
台高压气水罐进行定期检验时，磁粉检测发现层板与
下封头连接的焊缝存在裂纹缺陷。本文对裂纹缺陷进
行成因分析，并给出了处理对策，消除了安全隐患，
保证了设备的安全运行。
1 设备及裂纹缺陷情况
压力容器类别为第 Ⅲ 类； 设 计 标 准 包 括 GB
150—1998《钢制压力容器》、HG 3129—1998《整体
多层夹紧式高压容器》；设计压力为 32 MPa；最高工
作压力为 30 MPa；设计温度为 60 ℃；最高工作温度
为 50 ℃；容积为 2 m3
；介质包括水、空气；水重装
系数为 0.15；内筒、封头、层板材质为 16MnR；筒体
厚度为 104 mm(20 mm+12 mm×7)；球形封头；封头厚
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Safety Analysis
度为 80 mm；结构型式为整体多层包扎；制造日期为
2006 年 2 月；投用日期为 2006 年 12 月。
在 2 年前对该设备定期检验时未发现超标缺
陷，再次定期检验时，磁粉检测发现层板与下封头
连接焊缝存在 2 条纵向裂纹，见图 1。裂纹长度约
30 mm，分布在第 5 层层板和下封头连接部位的层板
母材上的堆焊焊缝表面上，使用电动砂轮片对裂纹进
行打磨，发现裂纹存在一定深度，贯穿整个第5层层板，
深度达到 9 mm，裂纹去除后底部露出封头外壁，并可
见封头外壁和第 5 层层板内侧之间存在一定斜角的间
隙空洞，见图 2。
图 1 高压气水罐层板和下封头连接焊缝
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图 2 裂纹和间隙空洞形貌
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对层板裂纹处进行硬度测定，正常部位硬度值
为 125 ～ 135 HBW，裂纹位置硬度值为 135 ～ 150
HBW，裂纹处硬度略微升高，未见明显异常。
对层板和堆焊层熔覆金属进行化学成分分析，未
见明显异常。
2 成因分析
该设备是整体多层包扎压力容器，结合设备的制
造工艺和使用工况进行成因分析。
设备按照 HG 3129—1998[1] 进行制造，制造工序
如下：
1）卷制内筒体，然后内筒体和封头焊接，焊缝磨
平后 100%RT（射线检测），焊缝局部消应力热处理。
2）包扎第1层层板，焊缝磨平后，纵缝100%UT（超
声检测），层板筒体和封头连接焊缝（焊缝型式为对接）
100%MT（磁粉检测）+100%UT。
3）包扎第 2 层到第 4 层层板，焊缝磨平后，纵缝
10%MT，层板筒体端部和封头连接焊缝（焊缝型式为
对接）100%MT+100%UT。
4） 包扎第 5 层 层 板， 焊 缝 磨 平 后， 纵 缝
10%MT，层板筒体端部和封头连接焊缝（焊缝型式为
搭接）100%MT。
5）包扎第 6 层层板，纵缝 10%MT，层板筒体端
部和第 5 层层板连接焊缝 100%MT。
6）包扎最外层层板，纵环缝 100%MT+100%UT，
层板筒体端部和第 6 层层板连接焊缝 100%MT。
层板包扎时需要注意每层层板包扎前，应将上层
层板上的焊缝磨平，使用专用设备将层板箍紧再焊接，
焊缝错边量棱角度尽量小，应保证层板下无超标松动
面积。该设备的裂纹缺陷部位正位于第 5 层层板和下
封头连接焊缝处，分析裂纹形成主要受以下 2 种因素
影响：
1）第 5 层层板端部存在应力集中部位。第 5 层层
板和封头连接焊缝属于搭接焊缝，因为钢板存在厚度
允许偏差，同时封头和内筒体组装时存在不均匀错边
量。第 4 层层板和封头焊后打磨消除焊缝余高后，会
发现第 4 层层板和封头端部存在一定的平面度超差，
层板端部低于封头端部。第 5 层包扎后目视检查发现
层板端部和封头贴合，但实际上第 5 层层板下却存在
一定倾角的间隙空洞，局部封头外壁和层板间接触方
式由面接触变成了线接触，如图3所示，应力集中明显，
焊接拘束应力比较大。另外，筒体（含层板）和封头
的材料膨胀比不同，封头膨胀比大于筒体。层板底部
受较高的切应力、拉应力和弯曲应力三向应力共同作
用，其中拉应力为主应力，应力值最高。
2）交变的压力载荷长期作用。高压气水罐为立式
压力容器，设备底部装有不超过 0.3 m3 的水 , 设备上部
为空气。蓄能准备时，容器的工作压力为 30 MPa。工作
排放时，底部的水瞬间被空气挤出，工作压力也瞬间降
为 15 ～20 MPa，每天设备升压降压往复工作 20 ～30
次。按投用时间 15 a，每年工作 300 d，计算循环次数为
90 000 ～135 000 次。设备压力波动超过 20% 最高工作
压力，且循环往复，存在交变的压力载荷长期作用 [2]。
52 2022.04 设备监理
安全分析
Safety Analysis
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图 3 层板与封头焊接接头示意图
综上所述，分析裂纹的成因为：因设备存在压力
交变载荷，封头和层板连接部位的线接触层板表面是
应力集中部位，在交变的压力载荷长期作用下，层板
底部萌生微小的疲劳裂纹，裂纹扩展到一定长度时，
裂纹尖端的应力集中和应变集中会显著增加，结果裂
纹会沿着主应力垂直方向扩展至整个层板截面，直至
层板外堆焊焊缝表面。
3 处理对策
在该设备处于高周疲劳时，裂纹大部分寿命消耗
在裂纹萌生阶段及微裂纹的成长过程中，而宏观裂纹
的成长过程在裂纹寿命中所占的比例较小 [3]。因前一
次定期检验未发现裂纹缺陷，而此次定期检验发现 2
处裂纹，且位置和特征高度一致，可以推测第 5 层层
板和层板外堆焊层中，极有可能还会存在类似宏观裂
纹，如设备继续使用，宏观裂纹会迅速扩展，设备安
全无法保证。
因设备已经使用了 15 a，达到预期使用寿命，建
议更换。但是设备需要重新采购，且制造更换时间比
较长，所以对设备进行了修理，按照 TSG 21—2016《固
定式压力容器安全技术监察规程》[4] 制定维修方案，
修理方式如下：
1）因设备层板属于主要受压元件，层板的挖补过
程属于压力容器的重大修理，修理单位应具有相应资
质的压力容器制造许可证。
2）重大修理施工方案应经过原设计单位或具有相
应能力的设计单位书面同意。
3）设备重大修理前，修理单位应向使用地的特种
设备安全监管部门书面告知。
4）修理过程应经过具有相应资质的特种设备检验
机构的监督检验。
5）因裂纹萌生于层板下表面，使用相控阵超声检
测方法检查第 5 层层板和封头连接焊缝是否存在宏观
裂纹缺陷。经检测又发现 1 处裂纹，考虑相控阵超声
检测方法存在漏检率，担心会有宏观或微疲劳裂纹漏
检，使用碳弧气刨刨去裂纹位置整圈层板母材，彻底
露出封头母材并消除所有间隙空洞，气刨层板底部凹
槽宽度≥ 8 mm。去除整圈层板母材后，打磨修整成便
于焊接的平底凹槽，凹槽表面经磁粉检测确认裂纹清
除干净 , 凹槽下封头表面也未发现裂纹。最后选用合
适的焊接工艺进行补焊处理，补焊 24 h 后，对补焊部
位进行相控阵超声检测和表面磁粉检测，未发现新生
裂纹缺陷。
6）重大修理合格后，该设备可监控使用 0.5 年。
4 结束语
1）高压气水罐定期检验时，应将层板和封头连接
焊缝处纳入重点检验部位，建议使用磁粉检测和相控
阵超声检测方法检查是否存在疲劳裂纹。
2）高压气水罐制造时，封头平齐的层板和封头连
接焊缝为搭接焊缝时，应检查层板端部和封头端部的
平面度是否超差。当封头高于层板时，应将封头侧打
磨和层板端部平齐，保证外层层板包扎后无超标空洞
间隙。
3）使用单位在新设备采购时，应向设计单位反映
该设备使用过程中出现的裂纹情况，商定层板和封头
连接部位的焊接结构，优先选用对接焊接结构（如图
4 所示），避免选用搭接焊接结构。
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图 4 第 5 层层板与封头对接焊接结构
（下转第 70 页）
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检验与技术
Inspection and Technology
从认证角度分析 AGV 产品的安全
施 擎 韩志雄
（通标标准技术服务（上海）有限公司 上海 201319）
摘 要：AGV 产品在工业自动化的应用越来越广泛，尤其在仓储、搬运等方面的应用更是突出，随着应用
场景的复杂化，对其产品的安全要求也逐步提升，尤其需要对接国际化的认可。本文从专业安全认证的角度，
分析了 AGV 产品在结构、机械、电气及其安全控制功能方面的认证要求，并对如何满足这些要求的安全措施
提出了具体的方式和解释，以提高 AGV 产品的质量安全。
关键词：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
中图分类号：TB497 文献标志码：B
文章编号：2095-2465(2022)08-0053-07 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.013
作者简介：施擎（1973 ～ )，男，本科，高级工程师，从事
SGS 中国检验认证工作。
通讯作者：施擎，E-mail: Mesen.shi@sgs.com。
（收稿日期：2022-05-11）
1 AGV 产品的背景、意义和应用
中国在近几十年的发展过程中，除了传统技术的提
升外，在很多方面也走在了前沿，在新的第四次工业革
命的理论和技术带领下，很多只存在科幻电影和小说中
的事物，逐步现实化。基于工业自动化的制造集成和智
能化的发展快速铺展，比如车辆自动泊车、自主物流配送、
无人驾驶等，已经出现在人们的生活和工作中。
AGV(Automated Guided Vehicle，简称 AGV，通常
称为AGV小车)最早可以追溯到20世纪60～70年代[1]，
虽然有被应用，但无论数量和应用领域都因为自身的
特点被限制发展。随着技术的飞速发展，AGV 已发展
为具有灵活、小巧、多功能的集合体，突破了时空限制，
同时又适合当下的需求。
这些应用是一个复杂的系统集合体，规模性的应
用需要做很多探索，于是随之产生的需求就是如何形
成应用广、样式多、效率高、可控性强、安全可靠且
限制少以及最大限度发挥系统的自主特性来推进落地
的应用。在中国快速发展的过程中，为了满足快速增
加的供需关系，仓储和物流这个基础行业被推到了最
前端，因此为解决供需效率问题，AGV/AMR（自主
移动机器人）作为一个可被应用的典型产品在该行业
中最先使用起来，同时对这类产品的安全关注也提到
了一个新的高度。本文将从安全认证的角度分析并给
出应对的安全策略。
目前，市面上的 AGV 种类很多，衍生的产品已经不
限于在仓储物流上使用，可以根据不同的应用场景来定
制，AGV 产品示例见图 1，定制 AGV 示例见图 2。
AGV 机器人应用领域已经率先从汽车、仓储物流、
54 2022.04 设备监理
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Inspection and Technology
电商仓储、电子等传统领域 [2], 逐渐向新能源、环保设
备、高端装备、半导体等新兴领域发展。同时，各地
的 AGV 机器人企业解决方案，也将从传统汽车及 3C
（国家强制性产品认证）制造向新场景和新行业延伸。
图 1 AGV 产品一览 [2]
图 2 定制 AGV 示例
2 AGV 的构成、结构和安全要求
AGV 产品具有自主运行、自主承载等功能，所
以设计时需要对其进行风险评估。风险评估需要考虑
AGV 产品结构、构成和应用。本章节先从 AGV 的系
统到 AGV 的本体，再从 AGV 系统的安全到 AGV 本
体的安全方面做出分析。
2.1 AGV 系统的构成
早期的 AGV 控制系统需解决的主要问题包括
AGV 的导航（Navigation）、AGV 的路径规划（Layout
Designing）、AGV 的 导 引 控 制（Guidance）3 个 主
要技术。为了能够解决好这些问题，AGV 系统的
构成也必然复杂。
随着技术的发展，AGV 系统有了更多的特性，在
制造业中可以同步到制造执行系统 MES(Manufacturing
Execution System)，如图 3 所示。
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ඪခ2 ඪခ3
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ඪခ3
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Բড
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DŽOPCཚ႑Dž
AGVٳڸ࿋ዃ AGVٳڸ࿋ዃ
MES
Station RCS
AGV AGV AGV
Warehouse
൩൱
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图 3 AGV 与 MES 系统对接示意图 [3]
Station- 工作站；OPC- 用于过程控制的 OLE；Warehouse- 仓库
AGV 系统主要由机器人控制系统（Robot Control
System，简称 RCS）、平台系统和多台AGV小车本体组成，
上层 RCS 平台作为小车搬运系统的大脑，主要负责AGV
小车的任务分配及调度，而 AGV小车则作为任务的执
行者，直接和系统中的机台对接，自动完成搬运任务 [4]。
当系统需要将机台 A 的货物接送到机台 B 时，
首先由 MES 生成相应的任务发送至 RCS，RCS 根
据智能算法选取满足需求的最近的 AGV，行进至机
台 A，到位后，上层执行机构进行动作，执行机构
完成动作后，AGV 再移动至机台 B。为了保证动作
的可靠性及 AGV 整体的安全性，在 AGV 移动过程
中，上层执行机构不进行动作。而当上层执行机构
动作时，AGV 底盘保证自身位置固定，通知执行机
构完成相应的任务 [5]。
在生产、物料与运输之间无缝对接，辅助提高
了生产自动化，有效提高生产效率和产品的可追溯
性。同时也可以基于仓储管理系统 WMS(Warehouse
Management System) 和企业资源计划 ERP（Enterprise
Resource Planning）等软件实现对仓储和生产的匹配性
关联，能够实现生产和状态的交互，如图 4 所示。与
此同时，其既可以实时被监控也可以将数据同步到云
平台，如图 5 所示。
图 4 系统和系统之间的互相关联
ERP
MES
ဣཥ
WMS
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PWS-450 PWS-450 PWS-770
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PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 55
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图 5 数据的平台化
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…
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ဣཥ
CAPP
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ᅝ߾ዺޤ
ଙಎଙၒRFID RGV AGV ీژਏੰ ీ૬༹ੰ
CNC- 数控机床；RGV- 轨道移动车辆；CCD- 图像传感器；
RFID- 射频识别（电子标签）
可以将这些积累的数据用于更大的平台，做数据
分析并精准做到生产投入、产品投放等类似定制化
服务。因此，一个完整的 AGV 是一个复杂的系统，
涉及的安全从整体方面来讲包含数据安全（信息安
全）和控制系统安全。数据安全的核心将涉及信息
安全的特点，由于其涉及具体应用的范畴，对于信
息安全本文暂不做分析，只基于 AGV 本体的安全展
开论述。
2.2 AGV 本体的结构
AGV 本体的系统结构相对简单，会根据不同类
型的 AGV 调整相关配件，其基本结构由硬件和软件
组成 [6]。
基础的硬件系统包含 4 类模块：
1) 第一类模块：车架、主要承载相关的配置。
2) 第二类驱动模块：电机及其配套、传感器、驱
动器、控制器、电器保护器件。
3) 第三类动力模块：电池、外置电池充电器。
4) 其他类辅助模块：接插件、无线天线控制
器、I/O 数据模块、控制域网 CAN（Controller Area
Network）线，其他线类，接口类，外围的装置设施以
及辅助器件。
基础的软件系统包括以下 3 个系统：
1) 交互系统，如人机界面 HMI（Human Machine
Interface）、WIFI 等；
2) 控制系统，如 AGV 的任务控制、安全控制等；
3) 调度系统，如 RCS 平台等。
2.3 AGV 的安全要求
AGV 本体安全特性也围绕着上述系统和结构的
特点 [7]，在预定的应用场景和适用路径上，其安全特
性主要体现在 3 个方面，即机械安全、电气安全以及
功能安全。这些安全的判定依据主要来源于 2 类标
准体系即欧标和美标，欧标的体系相对比较完善，
包含 ISO 3691-4: 2 020《工业卡车—安全要求和验
证 第 4 部分：无人驾驶的工业卡车及其系统》[8]，EN
1175: 2020《工业卡车的安全—电气 / 电子要求》，
EN 60204-1: 2018《机械安全—电气通用要求》，EN
12895: 2015《工业车辆—电磁兼容要求》。美标 UL
3100：2021《自主移动平台》的要求主要集中在 AGV
部件和 AGV 本体，没有系统性对整车做出要求，因此
本文也只从欧标入手分析安全要求。
● 2.3.1 材质的通用安全要求
欧标以及美标要求 AGV上用到的非金属材料、部
件甚至辅材等需要具有阻燃性，其阻燃最低要求是V-2。
● 2.3.2 AGV 的机械安全要求
机械安全的要求主要是针对车架和外围的防护体，
也包含其部件以及应用条件下的分析：
1）设计方面对于可接触的结构体都需要避免锋利
的边缘和角，对于有护罩的部位，需要注意其装配以
及开孔的间隙不能造成可伸入的危险。这里的可接触
是指在 AGV 整个生命周期内，对 AGV 进行操作、维
修维护以及拆分，更换部件等过程可以接触的。
2）用于结构上带有蓄能的组件，例如蓄能器、
弹簧，针对这些部件需要在接触前采用恰当的方式泄放
其能量。
3）对于车体的结构强度，需要设计承受大于 1.3
倍额定负载以上的强度，并推荐使用 ANSYS 软件进
行结构优化。
4）车架在优化结构后，需要结合应用对整车的稳
定性进行分析，稳定性常见的分析包含侧翻与侧滑，
其反映了 AGV 在不同负载和不同速度状态下的行驶
特点。作为标准性的要求，通常需要分析在最恶劣情
况下，分别在任何方向发生侧翻和侧滑的可能性，尤
其是在允许斜面使用的情况下，需要施加任何方向的
受力后进行判定。
5）对于外壳的安全性要求，因为除需要具有一定
的强度外，还需要经受外部碰撞的冲击，尤其是非金
属外壳，需要结合应用场景，还需要满足抗 UV（紫
外线）、抗老化等特性。
56 2022.04 设备监理
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● 2.3.3 AGV 的电气安全要求
1) 动力源。AGV 本体是由电池提供动力源，其
供电特性根据不同种类的 AGV 会有区别，按照目前
的应用（不含 DC/AC），大致可以分为 4 个区段，
见表 1。
电池供电电压 /V 电池供电电压 /V
Un ≤ 48 96<Un ≤ 240
48<Un ≤ 96 240<Un ≤ 550
表 1 AGV 本体的电池供电特性
此外，目前均使用锂电池作为主要电池选型，有
分体式电池，也有一体式电池，电池本身的安全需要
得到充分的验证，包含：
（1）运输许可；
（2）电池电芯的安全要求需要满足 IEC
62619: 2017《工业用含有碱性或其他非酸性电解质的
二次电池和电池组—二次锂电池和电池组的安全要求
和测试方法》；
（3）电池组的安全要求需要满足 IEC 62619:
2017；
（4）电池的 BMS（电池管理系统）需要按照冗
余保护设计。
其电流分为充电电流以及输出电流，对于 AGV
本体来讲，与电流相匹配的是电器件的选型和设计，
其主要包含：
（1）充电插接头的选型；
（2）充电电线的选型；
（3）输出电路的电线选型；
（4）充电电路的保护器件选型；
（5）输出电路的保护器件选型；
（6）BMS 的设计；
（7）接触器的选型或者设计；
（8）电流测试仪器的选型。
需要注意的是，充电端的器件选型应该以允许最
大充电电流为依据，输出端需要按照可能承受的最大
短路电流进行选型，因为可以同时考虑线路的耐受性
和电气特性。
2) 基础电气要求。基本电气要求需要遵循 EN
1175: 2020 与 IEC 60204-1: 2016《机械安全—电气通
用要求》，不同类型的 AGV 需要满足的基本要求有
区别，主要概括要求见表 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（供电） 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
适用于除如下章节外的条款：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
启动 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 不适用
供电失效 5.6，5.9.1，5.9.11 5.3.1，5.3.6 5.4.5 5.4，7.5
机械维护 7.1，7.2，7.3 6.1，6.2 6.1，6.2 不适用
能源隔离 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
电池 5.1 ( 整节 )，5.2，5.12，5.15.3，6.1，6.2，6.5.3 5.1，5.3.1 不适用 不适用
防火 5.2，5.4，5.5，5.8 5.2，5.4 ( 整节 ) 5.3，5.5.2，5.5.4，5.5.5 不适用
表 2 AGV 涉及的电气要求 [8]
通常布线也是影响安全的因素之一，线路的合理
布局和器件的分布密不可分，主要遵循以下 10 个方面
要求：
（1）不同电压的线路需要分离，通讯线和供电线
需要分离 ;
（2）线和器件都需要有编号；
（3）1 个端子只能接 1 根线；
（4）导线尽量端子到端子；
（5）需要防止线穿孔割伤绝缘层；
（6）运动部件处布线需要固定且与运动部件保持
一定距离；
（7）器件需要满足 IP2X（防护等级）；
（8）线需要满足两类绝缘特性；
（9）不能存在直接接触的带电体；
（10）避免在散热体附近布局。
3）电磁兼容要求。另外一部分的电磁安全要求是
体现在电磁兼容方面，大部分 AGV 采用无线传输，
因此 , 其耐受干扰和自身的干扰问题也是需要面对的
安全要求之一，电磁兼容的要求主要参考 EN 12895:
2015《工业车辆—电磁兼容》进行测试和验证。
● 2.3.4 AGV 的安全功能要求
作为 AGV 能够应用于多场景的保障，安全功能
是其必须具有的属性，需要遵循的常见的安全功能主
要依据是 ISO 3691-4: 2020，该安全功能的实现需要
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 57
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依据 EN ISO 13849-1: 2015《机械安全控制系统有关
安全部件 第 1 部分：设计基本原则》做设计和验证，
叠加实际应用场景会使安全功能有所扩展 [9]。主要安
全功能的安全需求见表 3。
安全功能 最低安全需求等级 (EN ISO 13849-1：2015）
刹车系统 d
速度控制 c-d
自动充电 b
负载举升 b
稳定性 c
急停 d
人员保护装置 d
模式选择 d
报警 a
限定区域 d
复合型安全功能 不低于原有安全功能等级需求或依据风险评定
来判定的安全需求
表 3 最低安全功能的安全需求等级
这些技术和功能上的安全要求，对 AGV 单体系
统形成了基本规范，使 AGV 系统的安全从根本上得
到了有效保障。
3 应对安全要求的方法和策略
上述 AGV 的安全要求的实现，对于制造商，既
需要考虑成本因素也需要考虑市场因素。从认证角度
来看，需要满足基本安全原则，即在满足相关标准要
求的前提下，优化认证方案，满足企业对于产品基本
市场竞争面的需求，同时也可以辅助企业减少成本。
3.1 解决机械安全的策略
解决机械方面安全需要从设计入手，针对车架，
需要同时考虑强度、稳定性、抗冲击性、抗振动等问题。
从应用角度需要考虑重量、空间、外形、体积、精度、
运载能力、效率、装配等情形。一个符合应用需求的
AGV 结构具有多属性的特征，所以可以应用模块化的
设计方案，即结合相关安全间隙因素，建立三维模型；
然后用 ANSYS 对模型的关键部件进行静力学校核、
模态分析和优化分析；再基于拉格朗日方法动力学方
程，对整体进行运动学分析和动力学分析；结合动力
学的模型，用 ADAMS 仿真结果验证分析的正确性。
通过该设计流程，可以满足大部分的结构主体和
应用需求。同时也可以在设计过程中完善相关的认证
支撑文件，对于企业，在认证过程中不需要做重复性
的工作。
3.2 解决电气安全的策略
对于电气安全，需要从控制逻辑和标准强制要求
入手。控制逻辑包含器件以及材料的识别、采购和
应用，因此，需要关注以下两方面：
1）器件需要具有符合国际性认证的报告或者证
书，常见的是 UL/UR（美国标准）或者 CE（欧盟强
制认证），报告类一般是 IEC（国际电气标准）的测
试报告；
2）材料的采购需要考虑应用特性，AGV 内外用
的材料需要单独分别考虑，主要包含强度、阻燃性、
绝缘性、耐热性和抗老化性。
标准强制要求是对标准硬性要求的转化，可以通
过管理手段将标准要求落实到操作、装配以及出厂检
查等方式上。
3.3 解决功能安全的策略
对于安全功能应对策略，着重于考虑本质。目前
从安全要求入手，可以分为固定的成本因素和可改善
的成本因素 2 类。固定的成本因素是指硬性成本，如
车架 / 车体、外壳、电池、人员保护装置、辅助装置。
可改善的成本因素可以分为可优化部分和非可优化部
分，非可优化部分如按钮开关、保险丝、接触器、电
机、齿轮箱、无线天线、无线模块、蜂鸣器、灯等；
可优化部分主要集中在控制侧。不同公司的主控都有
其各自的特点，如传感器、控制器、驱动器等，因此，
主要在此做相关的改进。
应对安全功能的初步方案是市面上曾经推出的基
于安全 PLC（可编程控制器）的一站式解决方案，如
图 6 所示。
图 6 AGV 安全解决策略图示（摘自 SICK）
AGV੦ဣཥ
AGV驱动
反馈ဣཥ
Ҿඇথৎ
ਸ࠲ Ҿඇथཕ
ྪ࠲ ҾඇI/0
SSM/SDI
/SLS
CPU3
S3000 Remote S300 Mini Remote
SSM/SDI/SLS- 安 全 速 度 监 控；Remote- 远 距 离 型；
Mini remote- 微型远距离型
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Inspection and Technology
该方案在认证开始时，通过标准的安全组件，可
以很快地满足标准 EN 1525: 1997《车辆安全要求 -
无人驾驶车辆及其系统》中对于安全功能的要求。随
着不同的应用要求，该套方案逐渐无法满足小空间、
低成本的需求，并且该套方案也不能完整地解决需要
主控器参与的安全控制逻辑。与此同时，由于产品对
应标准更新为 EN ISO 3691-4: 2020 以 及 EN 1175:
2020，对于其安全回路的要求有了进一步的改善要求，
越来越多的制造商选择自主研发的控制器替代之前的
安全解决方案中的安全 PLC，自主核心的安全控制器
可以更适用于自身系统，同时成本最低。
解决自主研发部件的安全功能一般包含如下
步骤：
1）风险评估，对机器人生命周期相关阶段内的风
险进行识别，并做评估和评价，导出安全需求；
2）依据风险评估结果，对于需要电气控制措施参
与的降低风险的解决方式，提出预计的安全思路，确
认安全功能需求；或者如果有针对该产品的标准要求，
需要直接参考标准要求的安全需求；
3）应用安全需求的架构设计（输入单元、逻辑单
元、输出单元）(Cat)，查找或计算各单元器件的失效
率或者平均无故障时间（MTTFd）、诊断覆盖率 (DC)
以及影响架构因素的共因失效等关键因素；
4）评估性能等级 PL 是否满足性能需求 PLr
。一
旦确定 3) 中提及的 4 类参数，可通过计算确定结果。
如果结果满足 PL ≥ PLr
，则该设计符合安全需求。
如上因素的关联关系见图 7 和表 4。
图 7 PL 等级和 3 个因素的关系 [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）如果该过程涉及自行开发的软件，则需要按照
V 模型对软件进行开发验证，如图 8 所示。
如果按照EN ISO 13849-1：2015进行软件的开发，
软件的文件应包括 3 个方面：
PL 的关键参数 评估准则
形式上的架构
标准给出的类别：规定 SRP/CS（控制系统有
关安全部件）可实现的构架，包含输入、逻辑以
及输出单元。
1 类是通过选择和应用合适的元件来保障安全
回路；
2 类是通过对器件进行一定周期的检查保障安
全回路；
3 类是通过冗余设计保障发生单一故障时不会
导致安全回路失效；
4 类是通过冗余设计避免累计发生故障的可
能性
1；2；3；4
（4 类架构）
部件的可靠性
平均危险失效时间 MTTFd 或者 PFHd；
安全部件的可靠性 MTTFd，B10d，nop 等，
MTTF B
n d
10d
op 0.1 ；
系统的可靠性： 1
MTTF MTTF i
i
N
d d
=1
1
高；中；低
（3 种）
故障的诊断能力
平均诊断覆盖率 DCavg：
部件的诊断覆盖率 DC;
系统的诊断覆盖率
DC
DC
MTTF
DC
MTTF
DC
MTTF
MTTF MTTF MT
N
N
avg
d1 d2 d
d1 d2
1 2
1 1 1
TFdN
无；低；中；高
（4 种）
设计的可靠性 共因失效 6 项基本原则
高于 65 分，架构
符合；低于 65 分，
需重新考虑架构
（2 种结果）
表 4 关键因素要求展示 [10]
注：PFHd- 每小时发生的危险失效的概率；B10d- 知道有
10% 的原件发生危险失效时的平均周期数；nop- 年平均操作次数
图 8 软件开发流程 [9]
ݔࡀॲҾඇႴ൱
ࠓॲॐ
ॲဣཥยऺ
ఇยऺ
Պஓ
ඓණ
Outputs
Verificationᄓኤ
ඓණ֪
ඓණ߾ਏ
֪ׯဣཥण
ײୁ߀Ⴊࢅፕ֡ॲ
֪ׯॲण
DŽఇDž
ఇ֪
（1）明确无误的技术规范，并规定软件需要达到
的安全性能；
（2）软件的设计能达到所需性能等级的证据；
（3）用于证明达到了所需性能等级的试验细节（尤
其是实验报告）。
涉及确认的文件类别 [11] 见表 5。
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文件要求
与类别相关的所需的文件
1 2 3 4
基本安全原则 X X X X
预期操作力 X X X X
被加工材料的影响 X X X X
受其他相关外部影响时的性能 X X X X
经验证的元件 X — — —
经验证的安全原则 X X X X
各通道平均危险失效时间 X X X X
安全功能的检查程序 — X — —
执行的诊断措施，包含故障反应 — X X X
检查间隔（若有规定） — X X X
诊断覆盖率（DC） — X X X
设计时考虑的可预见单一故障
和采用的检测方式— X X X
已识别的共因失效以及预防方法 — X X X
可预见的单一故障排除 — — X X
待检测的故障 — X X X
每种故障条件下如何保持安全功能 — — X X
每种组合故障条件下如何保持安全功能 — — — X
防止系统性故障的措施 X X X X
防止软件故障的措施 — X X X
表 5 与性能等级有关的文件要求 [11]
注：X—需要的文件；— —不需要的文件
依据标准开发的控制系统能够在保持所需安全属
性不变的前提下，最大限度地贴合自身的产品，从软硬
件保障安全的可靠性，同时也降低了核心部件的成本。
4 结束语
近年来，AGV 的迅猛发展以及其在市场变化的需
求，推动了市场对 AGV 安全的重新审视。随着 AGV
技术被应用于多场景，安全问题显得尤为重要，需要
从基础的关注点加速展开相关的安全认证的规范性和
一致性，既可以提高相关产品的质量和安全，在国际
市场上形成竞争力，也可以切实保障人身安全和财产
安全。
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2）提升产能需要科学评估原有装置的适用性，科
学分析原设备失效原因，为技改设备提供经验反馈。
3）技改设备制造应充分了解原设备失效原因，在
设计、制造、运行等方面给予改进，避免同类问题的
重复发生。
参考文献
[1] 赵月东 , 赵宗珂 , 施勇 ,等.甲醇 羰基化制醋
酸产品质量关键影响因素探讨 [J].化工生产与技
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（上接第 45 页）
60 2022.04 设备监理
检验与技术
Inspection and Technology
地铁电动客车蓄电池在线监测系统技术研究
谭康柏 张振江
（北京城市轨道交通咨询有限公司 北京 100068）
摘 要：为适应现代轨道交通智能运维和全自动无人驾驶技术发展需求，地铁电动客车蓄电池作为轨道
车辆重要设备，研发其在线监测系统十分重要。本文介绍了蓄电池在线监测系统的组成，对其实时状态监测、
故障预测及报警、数据存储及通信、数据分析及应用等功能进行说明，通过建立完善的计算模型、试验验证，
并对计算模型和相关参数进行优化，确保电池监测系统测试精度和应用效果，为研究开发该类系统提供了借
鉴和参考。
关键词：蓄电池 在线监测 状态监测 蓄电池内阻
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
中图分类号：TB497 文献标志码：B
文章编号：2095-2465(2022)08-0060-05 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.014
作者简介：谭康柏（1968 ～ )，男，硕士，高级工程师，从
事地铁车辆技术咨询和监造工作。
通讯作者：谭康柏，E-mail: bjtankb@163.com。
（收稿日期：2022-05-16）
1 列车蓄电池在线监测技术研究现状
随着科技进步，新材料、新技术、新结构在地铁
车辆的应用越来越多。地铁电动客车的牵引系统、制
动系统、控制系统等技术获得长足发展。空调、车门、
牵引、制动等车辆子系统的在线监测系统相继研发成
功，提升了车辆检修效率，优化运维管理模式，取得
了良好成效。相较于上述车辆子系统的在线监测系统
的研发和应用，蓄电池在线监测系统起步较晚，加上
其在线监测技术难度高，开发高性能系统的工作量大，
研发和制造成本高等原因，导致目前应用不成熟，亟
须进一步研究提高。
研究蓄电池在线监测系统必须妥善解决以下问题：
1）蓄电池在不同条件下，释放的电量不同，因
此测试条件改变时，其容量测试的结果会有变化。蓄
电池精确容量是在试验室严格按照国家标准测出的，
而在线监测的测试条件是随机的，无法和试验室条
件匹配，因此简单的检测系统很难精确给出蓄电池
容量（SOC）。
2）不同类型蓄电池具有不同的物理特性，一个成
熟的检测系统，只能适用于某一特定规格蓄电池，每
个不同型号规格的蓄电池必须有 1 套与其匹配的监测
系统。
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 61
检验与技术
Inspection and Technology
3）蓄电池在地铁电动客车上由数量很多的单体串
联而成，如碱性电池的数量在 80 块左右，参数检测点
多，系统硬件庞大，参数统计计算复杂，开发制造成
本较高。
随着轨道交通智能运维技术发展，尤其是全自动
无人驾驶的需求，对城市轨道交通的关键系统和部件
进行实时在线监测变得越来越重要。蓄电池在线监测
系统是连接电池和列车的重要桥梁，通过在线监测可
以防止使用过程中蓄电池过充过放，避免电池在过高
或过低的温度下工作，而且可利用数据处理和通讯功
能完成故障预警、报警和智能运维的功能。研究开发
集成度高、兼容性强、功能全面的蓄电池在线监测系
统势在必行。
2 列车蓄电池在线监测系统功能
蓄电池在线监测系统可以实时检测车载电池的剩
余容量，监测蓄电池状态，其主要功能有 4 个方面。
2.1 实时状态监测功能
通过传感器，蓄电池监测系统可直接检测单体电
池工作电压、工作电流和温度等参数；同时配合软件
算法，可计算蓄电池的内阻、实时剩余容量等。系统
根据这些参数，综合蓄电池的特性来判断电池工作状态。
2.2 故障预测及报警功能
各种型号规格的蓄电池都有其自身特性参数。在
线监测系统将采集到的工作参数和蓄电池固有特性参
数进行对比分析，蓄电池工作参数在正常范围的时候
显示正常，在亚健康范围进行故障预测并给出提示，
超出故障阈值时报警。系统实时监测相关参数，对电
池故障做出预测和报警，防止过充电或过放电，避免
对蓄电池造成损伤，从而提高蓄电池系统可靠性及其
使用寿命 [1]。
2.3 数据存储及通信功能
系统设置大容量的存储硬件来存储数据，其容量
可以根据用户的维护需求进行调整，目前典型的系统
可确保存储至少 6 个月的过程数据。系统配置以太网、
MVB（多功能数据总线）等通信接口来适配车辆总
线需求，实现在线上传系统监测数据功能；同时配置
RS232、USB 等串行接口，用于现场维护的数据传输。
2.4 数据分析及应用功能
数据分析及应用功能具有以下 3 种：
1）系统以故障发生时间点为基准，进行故障数据
分析。分析故障前一定时间内的数据来查找故障原因；
分析故障后一定时间内的数据，可以判断故障所带来
的损伤和后果。
2）通过对下载数据分析，便于了解蓄电池的车载
充放电情况和性能状态，及时掌握蓄电池的使用维护
情况，提醒维护管理人员及时处理，避免事故的发生，
极大地提高了供电系统的安全性和可靠性。
3）通过对不同类型的蓄电池的数据对比分析，比
较各自的优劣和适用特性，为不同条件的用户挑选最
优产品提供依据。
3 列车蓄电池在线监测系统组成
车辆蓄电池在线监测系统由硬件和软件组成。硬
件包括数据采集模块、控制模块及通信接口等，提供
数据采集、数据处理和逻辑控制的硬件条件，并且为
数据传输提供通路。软件包括通用部分、数据处理模块、
状态判定模块、故障诊断模块以及通信模块等。
3.1 硬件系统
● 3.1.1 拓扑结构
蓄电池在线监测系统采用分布式结构，这种结构
可以降低布线难度，提高系统可维护性。监测系统由
主控器、采样盒、传感器和通信接口等组成。总体的
方案拓扑架构如图 1 所示。
图 1 蓄电池在线监测系统拓扑架构图
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PTU
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دୁۉ
ഗߌ
MVB TCMS
USB
ᅜྪ
BMS- 蓄电池在线管理系统；TCMS- 列车控制及监视系统；
PTU- 便携式测试单元
● 3.1.2 数据采集和存储
蓄电池在线监测系统通过采样盒以及主控器上的
电压传感器、电流传感器、温度传感器可采集下列数
据信息：
62 2022.04 设备监理
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1) 蓄电池组电压检测：系统在每个单体蓄电池上
安装电压传感器，可以采集所有单体蓄电池的电压。
通过单体电压累加，进而得到整个蓄电池组的总电压。
2) 蓄电池组电流检测：蓄电池是串联工作的，所
有蓄电池的工作电流是相等的，因此，蓄电池组仅需
安装1个LEM（莱姆）电流霍尔传感器。由主控器供电，
将其套装在蓄电池主回路电缆上，主控器将采集的电
流模拟量转换成数字量，获取蓄电池组的充放电电流。
3) 蓄电池温度检测：温度检测包括蓄电池箱体内
环境温度检测和蓄电池单体温度检测。在蓄电池箱体
内安装 1 个温度传感器可采集蓄电池的环境温度。每
个蓄电池单体均配置 1 个温度传感器检测其温度。
4) 模组蓄电池内阻：每个采样盒可采集最多 10
路的蓄电池内阻，当蓄电池组由浮充状态转为应急放
电时，检测电池上的电压差，使用直流内阻算法可计
算每个单体蓄电池的直流内阻值，可以用来检验电池
老化程度以及电池间连接铜片的可靠性。
5) 数据传输、存储和处理：整个蓄电池组可以配
置多个采样盒，安装在电池箱内。每个电池配置 1 个
采样盒，每个采样盒可采集最多 10 个单体蓄电池的所
有参数，采样盒通过通信总线与主控器进行数据交互。
每个采样盒可采集最多 10 个模组电压、温度及内阻数
据；整个系统通过配置多个采样盒，可采集所有模组
电池的电压、温度、内阻信息。采样盒将所采集信息
传输到主控器，由主控器完成整个系统的逻辑控制、
数据分析、电池状态估算。
6) 数据通信接口：分为 MVB 总线通信接口、以
太网 M12 通信接口、串行通信接口。
(1) MVB 总线通信接口：车辆 TCMS 系统 MVB
总线和主控器之间通信接口。
(2) 以太网 M12 通信接口：车辆 TCMS 系统以太
维护网和主控器之间通信接口。
(3) 串行通信接口：PTU 和在线监测系统主控器
之间通信接口。
3.2 软件系统
软件包括通用部分、数据处理模块、状态判定模块、
故障诊断模块以及通信模块等。
● 3.2.1 通用部分
完成系统复位、启动、自检和系统管理等功能。
● 3.2.2 数据处理模块
电流、电压、温度传感器将信号传递到采样盒，
采样盒将模拟信号转换为数字信号后，通过检测系统
内部通道传到控制器。控制器将采集的数字信号，经
过数字滤波后，变成可用数据。经过滤波处理的数据
电流信号、环境温度信号、单体蓄电池的电压信号
可以直接获取。总电压、蓄电池内阻、单体蓄电池电解
液温度、蓄电池实时容量等信号需要经过计算获取。
1) 蓄电池电压监测
监测单体电压是为了防止出现过充、过放，同时
和蓄电池容量（SOC）相关。单体蓄电池的电压信号
可以直接由传感器检测。监测总电压可防止蓄电池组
过压、欠压。总电压为所有串联的单节蓄电池电压的
累加值。计算式见式（1) ：
U U U U (1) 总 = +1 2+ + n
式中：
U 总——总电压，V；
U1，U2，Un——单体蓄电池电压，V；
n——蓄电池单体总数 , 个。
2) 温度监测
监测温度是为了防止蓄电池在过高或过低的温度
下工作，同时和蓄电池容量（SOC）相关。监测环境
温度信号、单体蓄电池电解液温度。单体蓄电池电解
液温度不能直接测量，通过监测蓄电池，根据电解液
和电极温度差进行拟合，得出温度精确值。
3) 蓄电池内阻
蓄电池内阻和蓄电池的容量与老化程度密切相关。
电池老化和失效后突出地表现为内阻增大，测试电池
内阻可以快速判断电池的老化程度。蓄电池的容量越
大，内阻就越小，因此，可以根据内阻大小粗略判断
电池容量 [2]。
在线监测系统采用直流内阻算法来测算蓄电池内
阻，见式（2）：
R U = / ∆ ∆I (2)
式中：
R ——蓄电池内阻；
ΔU ——电压差；
ΔI ——电流差。
具体方法为：当蓄电池组由浮充状态转为应急放
电时，检测电池上的电压差和电流差，使用直流内阻
算法可测算每节蓄电池的直流内阻值。
4) 蓄电池容量（SOC）测算
SOC 是电池的荷电状态，用来反映电池的剩余容
量。在一定温度条件和充放电倍率下，由电池的剩余
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容量与电池的额定容量的比值来表示，SOC 的表达
式见式（3）：
SOC Q= Q 100 (3) S N / % ×
式中：
QN ——电池的额定容量，表示电池处于满充状态
时的最大安时数，Ah；
QS ——电池的剩余容量，表示在当前时刻电池的
安时数，Ah。
准确、可靠地测量电池的 SOC 是电池监测系统中
最基本和最重要的功能。没有传感器能直接测量电池
的 SOC，必须通过一定的算法测算得出电池的 SOC。
电池组监测系统通过精确测量电池组中每节电池的电
压、温度和充放电电流，采用合适的算法对电池的
SOC 进行实时估计，以此判断电池组的剩余电量，保
证电动列车合理应用。精确地估算电池剩余电量值是
电池监测系统的基础。但是在实际使用过程中时，某
些因素会干扰 SOC 估算的精度，例如放电倍率、温度、
自放电、循环次数、模组电池一致性等。如果估算时
不考虑这些因素，将会造成比较大的偏差。
为了提高 SOC 的精确度，在采集大量电池不同温
度、倍率的充放电数据的基础上建立等效电池模型，
通过模型及安时积分法进行最优估算，该算法是一种
基于模型的 SOC 估算。
具体容量估算的过程如下：
（1）电池监测系统正常上电后，通过监测电池电
压值、充电电流或者放电电流、温度，并将这些参数
导入主控器所搭载的电池模型，获取初值 SOC0，通过
电池模型计算 SOC0 可校正安时积分法以及在库负载
放电（在库时蓄电池监测系统无法进行实时监测）所
产生的误差 [3]。
（2）基于上一时刻的 SOC 值或 SOC0 值，利用安
时积分来计算此刻（t+1时刻）的SOC预估值，见式(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——充放电效率对 SOC 值的影响系数；
K——各个影响因素（电流、温度等）的系数；
SOC ——蓄电池容量，Ah；
SOC0 ——蓄电池初始容量，Ah；
SOCt ——蓄电池 t 时刻容量，Ah；
SOCt+1 ——蓄电池 t+1 时刻容量，Ah；
i ——瞬间充放电电流，A；
t ——时间，s；
CN——额定容量，Ah；
I ——瞬间充放电电流，A；
∆t ——采样计算时间间隔，s。
（3）基于 t+1 时刻电池模型“参数－ SOC 关系”
（代入实际电压、电流、温度、老化系数），输出
模型所得的 SOC 值，与预估的 SOC 值相比较获得误
差值。
（4）由误差值及蓄电池工作状态来修正 SOC 预
估值，从而获取最终的 SOC 值并输出，系统进入下一
时刻，循环第（2）步～第（4）步。
这种 SOC 估算方法是一种闭环反馈的方法，通过
不断地修正 SOC 估算值，在多次迭代后能准确地计算
出 SOC 值。
● 3.2.3 故障诊断模块
根据厂家提供的技术参数和使用经验，将参数分
区段进行健康管理，一般将它们分为健康、亚健康和
故障。参数处于正常范围为健康；偏离正常范围但暂
时不影响使用功能，报亚健康，作故障预警；偏离正
常范围但暂时影响使用功能，根据报警阈值和故障级
别进行故障报警。主要报警功能如下：
1) 箱内温度过高报警；
2) 单体蓄电池电压过压报警；
3) 单体蓄电池电压欠压报警；
4) 单体蓄电池温度过高报警；
5) 蓄电池组总电压过压报警；
6) 蓄电池组总电压欠压报警；
7) 充电电流超限报警；
8) 放电电流超限报警；
9) 剩余容量过低报警；
10) 初始化失败报警。
● 3.2.4 通信模块
系统可以通过MVB、以太网与车辆进行实时通信，
实现参数实时显示、故障记录报警和查询、历史数据
的下载分析等功能。数据传输格式、内容和方式，在
设备之间通信协议定义好。主要传输的通信数据类型
有以下 4 个方面：
64 2022.04 设备监理
检验与技术
Inspection and Technology
1) 时间数据：年、月、日、时、分、秒。
2) 状态数据：环境温度、蓄电池温度、电压等参
数的实时值。
3) 故障数据：故障发生前和发生后的规定时间内
的相关参数。
4) 历史数据：存储在系统中的运行参数。
4 方案、参数的获取和优化
系统基于功能全面、监测充分的方案设计原则，
电压和温度监测覆盖所有单体蓄电池，明显优于目前
一些蓄电池在线监测方案。采用分布式结构，降低布
线难度，提高系统可维护性。通信及可扩展数量最多
达 100 个采样盒，可采集最多 1 000 个模组电池电压，
硬件设计方案适用于多种系统。采用大容量存储空
间（8G），数据存储时间达 6 个月（超过时间自动覆
盖更新）。
充 分 考 虑 电 压、 电 流、 温 度、 内 阻 等 多 种 因
素，建立完善的计算模型测算监测参数。基于 GB/T
32960.3—2016《电动汽车远程服务与管理系统技术规
范 第 3 部分：通信协议及数据格式》定义的数据计算
SOC。基于公式推导，由于实际充电过程极少存在从
放空至充满的情况，因此取充电起始和充电截止的差
值（ΔSOC），通过积分得到充电容量，关键问题转换
为对充电起始和充电截止 SOC 的识别。
针对不同品牌和型号的电池产品，结合产品特性
参数，对电池监测系统进行全方位试验，验证计算模
型和相关参数。在不同的条件下进行大量的试验和测
试，挑选出最精确的经验参数，在满足合格标准前提下，
不断地优化系统的性能。通过不断的试验优化，各种
温度下 SOC 测试精度均应优于标准要求的 5%。
5 结束语
本文提出了一种功能全面、检测充分、灵活适用
的软硬件设计方案。基于蓄电池容量与电压、电流、
温度、内阻等多种因素关系，建立完善的计算模型测
算监测参数 [4]。通过试验验证，对计算模型和相关参
数进行优化，确保电池监测系统的测试精度。
参考文献
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兴产业（理论版），2019，（03）：117.
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在轨道交通行业的应用研究 [J].交通世界 ,2019，
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[4] IEC 60896-21—2004 固定式铅酸蓄电池组 第 21
部分 ：阀调整型 试验方法 [S].
（上接第 40 页）
从而降低应力的复杂性，给合拢缝的焊接提供更好的
施焊条件。
3.5 风载因素的控制措施
风载引起的应力也是无法彻底消除的，会伴随着
整个施工过程，但可对合拢缝局部区域进行一定的防
护。在合拢缝区域设置足够高的防风挡板，减小局部
区域的风载影响，同时也能够提供更好的施焊环境，
从而保证焊接质量。
制造方在充分考虑上述措施后，重新升版了整改
方案，严格按照整改方案进行质量问题修复。设备监
理师在此过程中也加强了监造管理，制造企业严格按
照整改方案进行质量问题修复。最终，在多方努力下，
该合拢缝一次返修合格，保证了洗涤塔的质量和安全。
4 结束语
本文以洗涤塔为例，对洗涤塔在空中合拢焊接时
出现的质量问题进行了分析，并重点对整改措施进行
了阐述，旨在最大可能地避免大型塔器在现场立式施
工时出现焊接质量问题，提高塔器设备的现场制造质
量。同时对于设备监理师来说，需要加强对这些质量
问题的反思，在每一次监造检验中进行知识和经验的
归纳、积累，从而更好更快地提高监造水平，给业主
提供更专业的技术服务。
参考文献
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PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 65
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气相反应器空置状态配风流场模拟研究
陈志敏
( 中国石化工程建设有限公司 北京 100101)
摘 要：为研究气相反应器空置状态配风流场特征，采用 RNG k-ε 湍流模型对其进行数值模拟。针对气
相反应器流场的复杂性和局部多边形的特点，利用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT 来生成网格。对网格进行了
网格无关性考核，确定了比较合理的网格数。实验结果展示了流场速度分布特征、流场湍流结构和压力场分
布特征。经过对比反应器的静压分布规律数值模拟值与理论值，证实了所选的湍流模型是可靠的。本研究结
果为气相反应器的设计与制造提供了参考。
关键词：气相反应器 数值模拟 RNG k-ε 模型 气相分布板
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
中图分类号：TB497 文献标志码：B
文章编号：2095-2465(2022)08-0065-06 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.015
作者简介：陈志敏（1976 ～ )，男，本科，高级工程师，从
事石油化工行业压力容器设计及项目管理工作。
通讯作者：陈志敏，E-mail: chenzm@sei.com.cn。
（收稿日期：2022-04-27）
气相反应器广泛应用于石油、化工等领域。由于
气相反应器流场的复杂性，在设计阶段，使用数值模
拟方法可以为结构设计和参数优化提供有效参考。
目前，在气相反应器的数值模拟方面有很多研究
成果。刘柱彬等 [1] 为了研究气相卧式搅拌釜聚丙烯反
应器，建立了更符合实际且适用于稳定性的非等温模
型，对反应器进行了多稳态分析。何泽玉等 [2] 在研究
气相氧化反应器模型内的浓度场和速度场时，使用了
物理模拟和数值模拟。宁靖卫等 [3] 对多重射流燃烧反
应器内的流动及燃烧状况进行了三维全尺寸数值模拟。
吴钢良等 [4] 建立了多区循环反应器中丙烯气相聚合的
过程模型。
本文所研究的气相反应器属于流化型反应器，工
作过程为烃类循环气（H2 和丙烯混合物）从气相反
应器底部切向进入，通过气相分布板小孔获得均匀分
布的气流，然后进入反应器内部，使聚合物与共聚单
体充分接触进行混合反应。气相反应器的压力控制在
1.3 ～ 1.5 MPa，温度在 75 ℃左右。基于 FLUENT 软件，
采用 RNG k-ε 模型进行数值模拟。RNG k-ε 模型已
经在很多研究中证明了其优越性 [5-8]。研究结果也证明
了所选方法的有效性。
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1 物理模型
反应器底部和顶部由 2 个空心半球体连接，其直径
为 3.8 m，中间部分是圆柱形部件，其高度为 14 m。进口
和出口均为圆形管道，其直径分别为 0.846 m 和 1.0 m。
坐标原点位于底部半球中心。其中将展示 11 个横截面流
场数据，分别是 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，
如图 1 所示。气流方向为顺时针。反应器中气相分布板
分布着 637 个小孔。为便于分析，小孔简化成缝隙，
最外圈缝隙尺寸长短间隔分布。最内侧的分布板定义
为第1层，依次为第2层和最外侧的分布板称作第3层，
如图 2 所示。
图 1 反应器正视图
z=.0.160 5m
੨
੨
z=.0.95m
z=0.5m
z=14.95m
z=14.0m
D=3.8m
੨
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ୁၠ
֫3ڼ
֫4ڼ
图 2 反应器俯视图
2 数值模型
2.1 控制方程
根据流态的判断，所求解的是三维稳态不可压
缩湍流流动，其流动的基本控制方程包括式（1）～
式（3）。
连续性方程见式（1）：
（1）
x u
i
i 0
动量方程（Navier-Stokes 方程）见式（2）：
x u u p
x x
u
x u u S
i
i k
k i
k
i
i k i （2）
其他变量输运方程见式（3）：
x u x x u S
i
i
i i
i
（3）
式中：
xk ——位置坐标，m；
xi ——坐标分量；
ρ——密度，kg/m3
；
ui ,uk ——速度，m/s；
ui ',uk'——脉动速度，m/s；
μ——动力黏度，Pa·s；
p——压力，MPa；
Si
,S——广义源项；
φ——通用标量；
φ'——相应脉动值；
Γ ——广义扩散系数。
湍流流动数值模型采用 RNG k-ε 模型，该模
型是由 Yaknot 及 Orzag 提出的 [9]。RNG 是英文
“renormalization group”的缩写。中文意思是“重整
化群”。RNG k-ε 模型已被有效地应用于各种不同类
型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流，自由流中包括
喷射和混合流，管道和边界流，还有分离流。由于这
些原因，这种模型比标准 k-ε 模型要好。
在 RNG k-ε 模型中，湍流动能 k 方程和湍流动耗
散率ε 方程见式（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
检验与技术
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 ——位置坐标，m；
t ——时间，s；
ui
，uj ——速度，m/s；
μeff ——有效黏度，Pa.s；
Gk ——平均速度梯度产生的湍流动能，m2
/s
2
；
αk ——湍动能的有效普朗特数，取 1.39；
Cu ——模型中的经验常量，取 0.0845；
C2ε ——模型中的经验常量，取 1.68；
C1ε
* ——模型系数，C C 1 1
0
3
1
1
；
C1ε ——模型中的经验常量，取 1.42；
η0 ——模型中的经验常量，取 4.377；
β ——热膨胀系数 (1/k)，取 0.012；
η ——平均应变率对ε 的影响，
2Eij ij E k ；
Eij ——平均应变率， E u
x
u
x ij
i
j
j
i
1
2 。
2.2 网格的生成
网格划分是数值模拟的前处理过程，主要是对计
算区域进行离散。根据 CFD 理论，网格数达到一定密
集程度后继续加密网格对计算结果影响不大。所以在
实际操作中，网格数的选择是既要能保证计算的精度
要求，同时又不过分消耗系统的资源。
针对气相反应器流场的复杂性和局部多边形的特
点，本研究利用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT 来
生成网格。为了使网格质量较好，对模型进行了分
块划分网格，并且局部加密网格。对球形部分采用
非结构四面体单元划分网格，圆柱体部分采用柱面
网格，如图 3 所示。网格数目为 10 637 788 个单元。
99.48% 网格的 Skewness 的值在 0.1 ～ 0.7 范围之内，
Skewness 的值超过 0.9 的网格只有 841 个单元，仅
占 0.01%，网格质量较好。为了提高计算精度，在
FLUENT 软件里，可以对高度扭曲的网格修正，此网
格导入 FLUENT 软件后，将四面体网格转化为多面体
网格，图 4 所示为纵向高度方向 y=0 截面的网格。
图 3 R401 反应器网格图
Gz Gz
图 4 FLUENT 多面体网格（y=0 截面）
2.3 设置材料物性及边界条件
气相反应器里的循环混合气体的流动，属于单向
流动，并且不考虑温度的影响。材料仅涉及氢气和丙
烯混合气体，在 1.46 MPa 压力下，其物性参数见表 1。
材料名称 温度 /℃ 密度 /(kg/m3
) 运动黏度系数 /
[kg/(m·s)]
氢气 + 丙烯 (10%+90%) 48 22.21 1.1×10-5
表 1 材料参数
采用稳态湍流模型，忽略重力的影响，其马赫数 Ma
68 2022.04 设备监理
检验与技术
Inspection and Technology
在 u=15.64 m/s 时，数值为 0.047，由于 Ma ＜ 0.3，气体
密度的变化可以忽略，即把流体当作不可压缩处理。
由于单向流动，边界条件设置较为简单。
进口边界条件：速度进口，u=15.64 m/s；
出口边界条件：出口延长 2 m，以达到出口充分
发展边界。
湍流强度计算见式（6）：
I u u 0 16 1 8 . Re （6）
式中：
u′ ——湍流脉动速度，m/s；
u ——平均速度，m/s。
其中雷诺数 Re 的计算见式（7）：
Re=ρuD/μ （7）
式中 :
D ——当量直径，即为圆管内径，取 0.846 m;
ρ ——密度，取 22.21 kg/m3
;
μ ——黏度，取 1.1×10-5 kg/(m.s)。
根据式（7）计算得 Re=2.67×107
，代入式（6）得
入口湍流强度为 I=2%。
计算使用 FLUENT14.5 软件，采用有限体积法
来离散方程，对流项的离散采用二阶迎风格式，压力
和速度耦合采用 SIMPLEC 格式，压力插值方式采用
PRESTO 格式。
3 网格无关性考核
数值计算主要采用离散解代替近似解，结果的精确
程度往往与网格的数量有直接的关联。为了得到网格无
关解，本项目采用了 2 套网格进行计算，第 1 套网格数
为 10 704 797 个节点，称作粗糙网格；第 2 套网格数为
12394924 个节点，称作精细网格，其计算结果见图5、图6，
主要展示了纵截面 y=0 的速度场和压力场的对比。
由图 5 可见，2 套网格速度场的差异较小，在 y=0
截面的速度最大值相差为 14%。轴心区是低速区，在
其周围包裹着高速区。
由图 6 可见，2 套网格的压力场也没有显著差异。
球形入口处是高压区。粗网格轴心区的低压区范围大，
而细网格轴心区的低压区稍微小一些。细网格展示的
结果更精细。
通过对比可知，第 2 套网格数目对流动的模拟是
比较合理的。
(a) 粗网格 (b) 细网格
图 5 2 套网格 y=0 截面的速度场对比
(a) 粗网格 (b) 细网格
图 6 2 套网格 y=0 截面的压力场对比
4 结果与讨论
4.1 流场速度分布
由于气相反应器是三维强旋转流动，流场比较复
杂。图 7 为不同高度横截面（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 个横截
面）的速度等值线图，速度单位为 m/s。从图 7 中可见，
球形部分速度分布的对称性不是太好，由于切向进气，
使得进口侧的速度较大（z=-0.95 m）。圆柱体大部分
的速度对称性主要集中在圆柱体中心 1/4 半径部分，
圆柱体顶部的速度对称性较好，即 z=14.0 m 处。顶部
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 69
检验与技术
Inspection and Technology
半球体的速度对称性也较好，其等速度线是圆环。其
说明了反应器内的气流经过分布板后，入口气流的强
旋转特性被削弱。圆柱段起到了整流的作用，气流越
到下游，分布越均匀。
图 7 不同高度横截面速度等值线图
（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 流场湍流结构
图 8 为 y=0 截面气相反应器的湍流强度分布。从
图 8 中可见，球体区域、分布板附近、圆柱体壁面和
圆柱体中上部区域湍流强度较大，说明在这些区域，
气体的湍流运动剧烈，对于混合作用的效果好。在分
布板中心区域、圆柱体底部和上部中心区域的湍流强
度较弱，气流流动较为稳定。
4.3 压力场分布
气流的旋转运动使得反应器的压降损失变得复杂，
在考虑其压降分布规律时，主要考虑压力沿径向方向
的分布情况。图 9 为 y=0 截面的静压分布云图。从图
9 中可见，径向方向上静压分布呈现较好的轴对称性，
外旋流的压力较高，内旋流的压力较低，静压随着半
径的减小而减小。轴线中心的静压最低，且为负压区，
尤其是反应器中上部区域，一直延伸到出口。负压说
明反应器中心存在真空区。中心轴线附近的静压远低
于进口处的静压，并且从分布板中心一直延伸到出口，
如果出口密封不严，外界气流很容易被吸入，造成“滞
流”或“返流”现象，不利于物料的混合。
下面从理论上计算反应器的静压分布规律。半自
由涡范围内任意半径 r 处的静压分布见式（8）。由式
图 8 y=0 截面湍流强度分布 图 9 纵截面的静压分布 (y=0)
（8）可知，压力差随着入口速度的平方呈正比例变化，
同时，随着半径比 R/r 的 2n 次方呈正比变化。
p p u
n
R
r k
n
2 2
2
1 （8）
式中：
n ——速度指数，由实验得到；
pk ——边壁处静压，Pa。
本文没有速度指数的实验数据，根据经验取
值， 假 设 n=0.2，反应器半径 R=1.9 m, 密 度 ρ=
22.21 kg/m3
，进口流速 u=15.64 m/s，边壁处的压力
取值 19 588 Pa（此值来自数值模拟的边界值），r 取
值范围为 0.5 ～ 1.9 m，代入式（8）计算得到的压力
值，与 z=0.5 m 处的静压曲线进行比较，如图 10 所
示。当 r=0.5 m 时，理论值与数值模拟值的最大误差
为 10%，说明在半自由涡区，数值模拟值与理论值误
差较小，可见所选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
数值模拟值
理论值
图 10 数值模拟值与理论值比较
70 2022.04 设备监理
检验与技术
Inspection and Technology
5 结论
气相反应器内的流体流动是三维强旋转湍流，流
场复杂。采用重整化群湍流模型（RNG k-ε）进行了
反应器内部的流动计算，主要结论如下：
1）反应器内的气流经过分布板后，入口气流的强
旋转特性被削弱。圆柱段起到了整流的作用，气流越
到下游，分布越均匀。
2）球体区域、分布板附近、圆柱体壁面和圆柱体
中上部区域湍流强度较大，对于混合作用的效果好。
在分布板中心区域、圆柱体底部和上部中心区域的湍
流强度较弱。
3）压力分布特征：静压随着半径的减小而减小，
沿着轴向高度几乎没有变化，静压分布的对称性较好。
压力的数值模拟值与理论值误差较小，验证了所选湍
流模型的可靠性。
研究结果为气相反应器的设计与制造提供了参考。
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40.00元
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定期检验规范 35.00元
T/CASEI 012—2022 承压设备用流量计（壳体）
监督检验规范 30.00元
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NB/T 47034—2021 工业锅炉技术条件 36.00元
NB/T 47037—2021 电站阀门型号编制方法 16.00元
NB/T 10788—2021 铸铁锅炉和铸铝锅炉技术条件 35.00元
NB/T 10789—2021 生物质锅炉质量性能评价技术准则
20.00元
NB/T 10790—2021 水处理设备 技术条件 36.00元
特种设备安全管理作业指导书（2022年） 83.00元
特种设备安全监察作业指导书（2021年） 83.00元
联系人：孙海祥 王源 010-59068616
书 讯
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 71
检验与技术
Inspection and Technology
高压真空电子束焊接技术在 Incoloy 825
高压空冷器制造上的应用
陈天皖 茅柳柳
( 中国石化上海高桥石油化工有限公司 上海 200137)
摘 要：Incoloy 825 板焊丝堵管箱在制造中可采用高压真空电子束焊接（EBW）、手工电弧焊（SMAW）、
埋弧焊（SAW）和氩弧焊（GTAW）4 种焊接方式。本文对管箱制造过程中的高压真空电子束焊接（EBW）技术
要点和产生的问题做了总结，重点对管箱纵缝电子束焊接缺陷控制、返修等进行了描述和分析，并参考相关
文献和经验总结，对产生的问题提出了一些预防措施。
关键词：空冷器制造 Incoloy 825 板焊丝堵管箱 质量控制 电子束焊接（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)
中图分类号：TB497 文献标志码：B
文章编号：2095-2465(2022)08-0071-04 DOI: 10.19919/j.issn.2095-2465.2022.08.016
作者简介：陈天皖（1988 ～ )，男，本科，工程师，从事石
油化工设备管理工作。
通讯作者：陈天皖，E-mail: guxiaojun.gqsh@sinopec.com。
（收稿日期：2021-10-12）
加氢裂化装置应用的一种高效换热设备——高
压空冷器，其管箱、换热管采用 Incoloy 825 材料，
Incoloy 825 合金中，Ni、Cr、Mo 的质量分数均较高，
不仅有很强的抗腐蚀能力，而且强度高、韧性好。在
处理加氢裂化反应产物中含 H2S、NH3、H2 等成分介
质时，表现出优越的耐蚀性能 [1]。其制造中焊接技术
是设备制造的关键，主要施焊部分有管箱焊缝和管板
与管头焊缝。其焊接技术直接影响了生产效率、人工
成本、材料成本和产品质量。本文探讨了焊穿透能力
强、焊接速度快、焊接影响区小、焊接变形小、人工
成本低以及无须添加焊材的高压真空电子束焊接技术
在 Incoloy 825 高压空冷器上的应用。
目前，真空电子束焊接已在国内外多个工业领域
使用，真空电子束焊接（EBW）相比于传统焊接方法
（SMAW、SAW、GTAW 等）在提高产品焊接质量（在
真空环境中施焊）及效率，降低焊接污染及排放等方
面有显著优势。在国外空冷器制造行业真空电子束焊
接已有成熟的经验及大量的应用，而国内空冷器制造
行业采用真空电子束焊接目前属于空白。近年来，空
冷器在炼油、化工、电力等行业需求量呈上升趋势，
空冷器管束焊接工作量大部分集中在空冷管箱的焊接。
真空电子束焊接是一种高能量密度焊接方法，本质是
动能转化为热能实现焊接，高速运动的电子束撞击金
72 2022.04 设备监理
检验与技术
Inspection and Technology
属表面后能量转化，被焊接金属加热后熔化、冷凝、
结晶而形成焊缝，最大的特点是深熔透效应，所以能
加工出非常窄、非常深的焊缝，使得焊缝变形保持在
0.5 mm 左右。20 世纪 60 年代，我国开始研究电子束
焊接技术，目前其应用于航空、汽车、电气电工仪表
等行业，在化工设备制造的应用还比较少见，化工设
备有大尺寸、大厚度的特点，与电子束焊接的适用范
围相符合 [2]。Incoloy 825 板焊丝堵管箱在制造中使用
了高压真空电子束焊接技术。
真空电子束焊具有如下 6 个方面的优点：
1）电子束焊接的能量密度高，能达到 106 ～
109 W/cm2
，焊接热输入量小，而焊接速度高，因此，
焊件的热影响区小，仅为0.05～0.75 mm，焊件变形小。
2）电子束焊接的穿透能力强，焊缝深宽比大。
目前焊接深度可达 400 mm 以上，焊缝深宽比可达到
70 ∶ 1 以上。
3）焊接适应性强，电子束焊工艺参数可在较广
范围内进行调节，且控制灵活，既可焊接 0.1 mm 的
薄板，又可焊接 200 ～300 mm 的厚板，还可焊接形状
复杂的焊件。
4）由于焊件在真空中焊接，金属不会被氧化，焊
缝纯净、表面光洁，无夹渣、气孔等缺陷，故焊缝质量好，
接头强度高。
5）与普通焊接相比，其焊接速率更高，成本更低
（尤其对于大厚件的焊接工件）。
6）电子束易受控，焊接可达性好。真空电子束比
传统焊接方法污染小，无废渣废气。
真空电子束焊接有以下两方面的缺点：
1）设备比较复杂，投资大，费用较昂贵。
2）电子束焊要求接头位置准确，间隙小而且均匀，
焊前对接头坡口加工、装配、洁净度要求极为严格，
一般需要专用设备来装配工件。
焊缝布置情况如图 1 所示，空冷器管箱主要技术
参数见表 1。
图 1 焊缝布置图
A3 A4
A5 A6
A2 A1
丝堵板
底板 管板 加强板 端板
顶板
项目 参数
设计压力 /MPa（g） 14.83
工作介质 C6 ～ C7
气密试验压力 /MPa 2.5
管箱规格 /mm进出口管箱
2130×169×177
设计温度 /℃ 343/-6.6
水压试验压力 /MPa 19.28
管箱材料 Incoloy 825
分程管箱 /mm 2140×297×161
表 1 空冷器管箱主要技术参数
1 N08825 材料焊接特点和工艺性能
N08825 材料为镍基耐腐蚀合金四大系列中的 NiFe-Cr 系因康洛依（Incoloy），其 Ni 含量小于 50%
且Fe 比 Cr 多，焊接时易出现焊缝的宏观和微观裂纹，
主要包括高温失塑裂、结晶裂纹和液化裂纹 [3]。熔融
金属黏性大，流动性较差，在快速冷却结晶时，气体
来不及溢出产生气孔，在焊接操作不当时造成咬边。
镍合金的氧化物在焊接时以固体形式保留，结果形成
了不完整的熔接和不连续的氧化物夹渣。镍基合金材
料较贵，焊接应力求 1 次施焊合格，避免返修，节省
成本，而优化焊接工艺是保证焊接目标实现的重要措
施。镍基合金导热性差，为避免产生热裂纹，应尽量
选择较低线能量。控制层间温度在 100 ℃以下。
2 管箱组焊技术
2.1 施焊准备
制定工艺文件、焊接工艺规程和工艺流转卡，在
流转卡中确定管板、丝堵板与顶底板间的纵向焊缝外
侧采用 EBW。板材下料采用等离子或水刀切割，管丝
板和盖板下料后，应校平整以保证管箱直线度。坡口
铣加工，100%PT 探伤合格后，打磨清洗无油污、无
毛刺等待组装。
2.2 管箱纵焊缝外侧高压高真空电子束焊接
焊接时的真空度≤ 0.05 Pa，采用灯丝尺寸
3 mm×0.1 mm×24 mm，焊机型号 THDW-30，射束
轴线角度 0°±10°，本文列出了顶底板厚度为 28 mm 和
25 mm 两种电子束焊接工艺，分别见表 2 和表3。每条
纵焊缝分三道焊，施焊中应对工艺参数设定进行核对，
确保与工艺符合。
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 73
检验与技术
Inspection and Technology
焊道 束流 /mA 电压 /
kV
焊接速度
/(cm/min)
聚焦电流 /
mA
枪到工件
距离 /mm
振动长 / 宽 / 频
率 / 驻留时间
点焊 50±5% 80 30±2% 470±5% 250±6
0 mm/（2.8±
10% ）mm/200
Hz/ 正弦线运动
焊接 185±5% 80 30±2% 470±5% 250±6
0 mm/（2.8±
10%） mm/200
Hz/ 正弦线运动
修饰层 120±5% 80 30±2% 520±5% 250±6
0 mm/（2.8 ±
10%）mm/200
Hz/ 正弦线运动
表 2 管箱（顶底板厚度 28 mm）纵焊缝外侧高压
高真空电子束焊接
焊道 束流 /mA 电 压 /kV 焊接速度
/(cm/min)
聚焦电流 /
mA
枪到工件
距离 /mm
振动长 / 宽 / 频
率 / 驻留时间
点焊 50±5% 80 30±2% 470±5% 250±6
0 mm/（2.8 ±
10%）mm/200
Hz/ 正弦线运动
焊接 170±5% 80 30±2% 470±5% 250±6
0 mm/（2.8 ±
10%）mm/200
Hz/ 正弦线运动
修饰层 120±5% 80 30±2% 520±5% 250±6
0 mm/（2.8 ±
10%）mm/200
Hz/ 正弦线运动
表 3 管箱（顶底板厚度 25 mm）纵焊缝外侧高压
高真空电子束焊接
此焊接方式具有能量密度集中、焊接深度大、焊缝
深宽比大、焊件变形小、不用焊材等优点 [4]。缺点如下：
1）飞溅大；
2）管箱在真空室外换位翻转，真空箱抽真空过程
和可能需要的降温过程耗时长，降低焊接效率；
3）电子束本身的特性对电磁场敏感，有必要时需
对工件进行消磁，对周边进行防护；
4）对装配质量要求高；
5）起弧和收弧易产生气孔、凹坑缺陷，有时凹坑
缺陷伴随裂纹；
6）焊缝两侧产生大量紫或黑氧化色。
2.3 电子束焊接方式产生的缺陷及原因分析
1）气孔：坡口未清理干净，焊接参数设置不合理导
致小孔效应，组对坡口间隙大，焊前未预热除湿气。
2）未熔合：焊缝组对不直，焊接过程中焊缝变形
较大。
3）焊穿：焊缝组对不直，焊前点焊固定不牢固，
焊接过程中焊缝变形较大，工艺参数设置不对，电流
电压不稳定，施焊前未进行焊道轨迹模拟。
4）飞溅：比较常见，焊缝间隙气体在受热膨胀剧
烈外排时，带出熔融金属，形成飞溅，未排出熔池的
就形成气孔。
3 焊接质量控制
3.1 焊接工艺文件审查
审查焊接工艺评定文件是否符合 ASME Ⅸ 要求，
焊接工艺是否有焊接工艺评定支持。审查焊工操作技
能评定是否符合焊接工艺的要求和 ASME Ⅸ 要求。预
测返修工艺采用的焊接工艺和焊接工艺评定的覆盖情
况，并提醒制造厂备查。
3.2 焊缝变形控制
电子束组焊纵缝，顶板侧两纵缝焊后，管箱移出真
空室，一是为了降低层温，二是为了工件翻转，此时的管
箱向顶板侧弯曲，端部高出中部约 6 mm 左右，此变形
直接影响工件到焊枪的距离，在工艺评定所覆盖的距离
变化偏差范围之内。底板侧两纵缝组焊后，管箱反变形，
长度方向直线度约 3 mm 左右，基本无扭曲变形。
电 子 束 焊 后， 端 部 截 面 尺 寸 收 缩 0.5 ～
1 mm，翘曲变形约 4 ～ 5 mm，一般不影响加强板与
管板、丝堵板组焊。
加强板组焊后，实际测量端部截面尺寸收缩
1 ～ 2 mm。管板在施焊部位内收变形， 最大变形约
1 mm。焊后在管箱定尺切除两端余量前，要经过矫
形工序。端板组焊产生收缩变形，同时加强板组焊对
管丝板产生的变形使之累加，中心距离较两端距离小
5 mm，目前采用边缘不锈钢工装板加强进行刚性防变
形，并采用 φ3.2 mm 的焊条代替 φ4 mm 焊条多道多
层小电流施焊，但实际结果使管箱端部中心距离较两
端距离减小至 3 ～ 4 mm，此方法收效不大，也不经济，
但可以大大降低对邻近管板、丝堵板开孔的影响，因
此工厂采用，但尚需工艺改善。
3.3 焊缝返修
A1 ～ A4 焊穿缺陷部位改用手工施焊，焊缝气
孔、裂纹、未熔合、未焊透仍按电子束焊工艺组焊，
需要更改起弧和收弧时的电子束流增减规律。管箱局
部返修受热，管箱变形，因管箱细长，目视变形较大，
必须经矫形工序，所以应在施焊前做好防变形工装。
A5 ～ A6 焊缝气孔、裂纹、未熔合、未焊透仍按原工
艺组焊，注意防变形和控制层间温度。
3.4 焊缝外观尺寸
组对错边量，主要是 A1～A5 缝，A1～A4 是电子
74 2022.04 设备监理
检验与技术
Inspection and Technology
束焊接，错边不超过 0.5 mm；A5 ～A6 缝焊接错边及所
有焊缝余高按 ASME Ⅷ和工艺控制。内角焊缝焊脚高
度按工艺执行，内角焊缝施焊不当或加强板组装偏斜可
能造成焊脚超高、焊瘤、焊偏等，造成管子管板组焊空
间过于狭小，应用修磨机修磨处理多余敷熔金属。
3.5 无损探伤
管箱纵缝采用超声波相控阵（PAUT）进行 100%
探伤，此种探伤方法操作简单，操作可以与缺陷评定
不同时、不同地、不同人员进行，可以实现网上远端评
定缺陷。探伤形成的图像记录，显示结果有 4 种形式：
横断面 B 显示，水平面 C 显示，扇形面 S 显示，切片
CT 显示，对评定缺陷更加直观。对缺陷检出率高，
效率也高 [5]。端板采用 UT100% 探伤，接管与管箱组
焊缝采用 UT 探伤，无法 UT 探伤的地方进行 100%PT
探伤。
4 结束语
真空电子束焊接技术应用于空冷 Alloy 825 管箱
焊接，符合 GB/T 19867.3—2008《电子束焊接工艺规
程》、GJB 1718A—2005《电子束焊接》的要求。真
空电子束焊接 Alloy 825 材料与传统焊接方法（SMAW、
SAW、GTAW）相比，真空电子束焊接管箱变形小，
焊缝、热影响区硬度低，冲击值高，焊缝一次性合格
率也远高于传统焊接方法。真空电子束焊接技术可以
应用于 Alloy 825 材料及奥氏体不锈钢空冷管箱的焊
接，填补了国内同行业的技术空白，提高了生产效率
和产品质量，推荐在相关工程项目中应用，应用中应
注意电子束接头位置准确、间隙小而且均匀的要求。
参考文献
[1] 李春兰 , 王增新 ,陆建英 ,等.Incoloy 825 材质高压
空冷器制造 [J].石油化工设备 ,2010,39(01):60-63.
[2] 高峰 ,常荣辉 ,刘艳梅 ,等.大型真空高压电子束
焊机的焊接适用性研究 [J]. 航空制造技术 ,2017，
(12):48-52.
[3] 牛卫杰 , 王国平, 刘进伟 . 高温耐蚀镍基合金的
焊接研究现状及展望 [J]. 现代焊接 ,2013，(09):8-12.
[4] 陈衡 , 石纯标 ,余纬 . 真空高压电子束焊接设备
验收方案设计 [J]. 机械制造文摘 ( 焊接分册 ),2016，
(06):24-28.
[5] 李衍 . 超声相控阵技术 第一部分 基本概念 [J].
无损探伤 ,2007，(04):24-28.
（上接第 37 页）
3 个月检查 1 次破碎辊，如果发现辊皮磨损严重，应
及时更换。
5 进口设备监理控制重点
采制样系统的进口设备包括美国艺利品牌设备
（初级采样机、破碎机、振筛机和分配器），美国普
瑞品牌设备 3 台（振筛机、多级振动筛、旋转分样
仪），澳大利亚 ESSA 圆盘粉碎机（DMP200）1 台
和研磨机（HP-M1500）2 台，日本产 YAMATO 品牌
烘箱 2 台。
承包商应将进口设备的采购合同原件及复印件报
监理工程师审核，这是进口设备监理控制的重点。监
理工程师要审核所采购设备的品牌、产地、规格型号、
供货期是否满足要求。
对于供货合同中要求的原装国外进口产品，监理工
程师要审核原产地证明和进口报关单报，查验产品合格
证和相关检测报告（或中文版的说明书）。设备即将到达
国内港口时，承包商应提前通知监理人员，业主和监理
师根据设备到港情况，到进关港口检查验收设备。
6 结束语
烟台西港一期采制样系统设备项目按计划完成合同
范围内的供货和安装施工任务，设备单机调试及系统空
载联调工作顺利完成，运行状况稳定、良好。尽管在项目
实施过程中，承包商和监理人员遇到了很多困难，但经
过各方的努力和配合，保质保量地完成了各项施工任务。
该项目是一个功能齐全的综合性系统工程，在项目全过
程监理中积累的丰富经验，能够为后续类似的采制样设
备项目顺利实施提供有力的技术支持和保障。
参考文献
[1] GB/T 10322.1—2014 铁矿石 取样和制样方法 [S].
[2] GB/T 10322.3—2000 铁矿石 校核取样精密度的
实验方法 [S].
[3] GB 50231—2009 机械设备安装工程施工及验收
通用规范 [S].
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 75
Exclusive Interview
专访
星光不问赶路人
—— 访陕西威能检验咨询有限公司副总裁赵峰
郇淑萍 韩晓璐
2022 年 4 月 29 日，由陕西威能检验咨询有限公
司（以下简称威能检验）为国家管网建设项目管理分
公司所监造的 φ1 219 mm×18.4 mm×80 m 直缝埋弧
焊防腐首批钢管正式发运。该批钢管将运输至西气东
输项目，为项目提供关键的设备支持，推动西气东输
项目的顺利完工。
作为国家重点项目，西气东输三线中段工程是国
家能源战略通道的重要组成部分。整个项目的完成，
将进一步提升天然气的供应能力，实现西部资源和东
部天然气市场有效连接，有利推进途经省区“双碳”
目标的最终实现。
西气东输三线中段工程对监理质量有着很高的要
求，监理工作责任重大。威能检验能够顺利承接这一
重要监理，他们有哪些成功经验？面对新冠疫情影响，
设备监理工作的开展面临新的课题，威能检验如何应
对？带着这些问题，《设备监理》杂志近日在线采访
了威能检验副总裁、西气东输三线中段项目设备监理
的总负责人赵峰。
技多不压身，时光不负有心人
2000 年，赵峰大学毕业，入职中国石油天然气集
团管材研究所（以下简称管材研究所）驻厂监理部，
正式开启自己的监理生涯，至今已有 22 年设备监理
工作经历。如果说十年磨一剑，那么赵峰身上至少有
两把宝剑：一把是做好设备监理工作的技术宝剑，
另一把是做好团队管理、激发团队工作热情的管理
宝剑。
技术宝剑的磨炼源于赵峰在设备监理工作上的认
真思考和遇到的困难。在管材研究所工作期间，赵
峰主要从事管道的驻厂监造和防腐监造工作，先后
参与了由中海油和中石化等公司投资建设的“春晓”
油气田项目监理工作，负责大型焊管的驻厂检验及港
口的到货验收；在广东 LNG 低温储罐项目内江容器厂
生产现场负责管件第一次冷涂评价试验工作等。这些
经历，在积累了一定监理实践经验的同时，也让他意
识到自己在一些专业知识储备方面的不足。从那时起
他就在认真思考如何扩充监理专业知识储备，如何提
高对监理标准的准确理解，以做到对业主客户最大的
负责，避免质量隐患的产生。
2005 年底，赵峰正式入职威能检验。公司良好的
企业文化氛围，为员工快速成长创造了良好条件。赵
峰先后参与、负责数百个国内外设备材料检验项目，
辗转全国大江南北，为多个客户提供监理服务，先后
担任过检验工程师、项目经理、区域经理、事业部副
部长、运行中心总经理等。在事业进步的同时，赵
峰不断充电学习，提高完善自己的专业知识与技能。
2021 年，获得高级设备监理师证书；2005 ～ 2010 年，
先后获得了 CWI 美国焊接检验师、NACE 涂层检验师、
CSWIP 国际焊接检验师、ASNT PT/RT/UT/MT 三级、
理化检验（力学性能二级）、INTERTEK（加压设备
旋转机械检验人员认可证书）、API5B（套管、油管
和管线管）螺纹测量资格证等证书。
赵峰坦言：“这些证书的培训学习充实了自己，
对工作的促进非比寻常”。赵峰认为，设备监理是个
非常有趣的职业，刚开始认为简单，越深入越会觉得
专业知识储备的不足。因此，在 2005 ～ 2010 年，努
力学习相关专业知识充实自己，收获良多：一是了解
国际前沿技术，并学习国外同行在专业上的严谨；二
是对相关技术标准的理解更加准确，原来监造中有些
关键点或者非关键点的模棱两可的描述，通过培训学
习会找到更为准确的答案，特别是对英文标准的理解，
从而有效避免质量隐患的产生，把设备监理检验工作
做得更好。
丰富的实践经验，加上良好的专业技能，为赵峰
的事业发展铺平了道路。目前，赵峰担任威能检验副
总裁，主要负责公司的项目运行管理和技术服务业务
开发及执行管理。在威能检验，一批像赵峰一样有志
于设备监理事业的员工，在个人事业不断进步的同时，
也成就了公司的辉煌。
76 2022.04 设备监理
Exclusive Interview
专访
精心组织，全力为产品质量保驾护航
2022 年初，威能检验承接了西气东输三线中段项
目。该项目是国家石油天然气建设项目管理分公司重
点项目，是今年最长的一条管线，起自宁夏中卫联络
压气站，途经宁夏、甘肃、陕西、河南、湖北共 5 个省，
监造内容包括输送管、弯管、热收缩带、阀门等设备。
对公司来说，这是一项非常重要的工作，公司任命赵
峰为项目总负责人。
赵峰授命后立即组织召开了项目组织策划会，特别
安排了管道工程事业部专项负责此项目，设立了部长、助
理、项目经理、质量经理、协调员等共 17人的管理机构，
也专门任命了客户对接的调度和市场部的沟通专员。管
理机构层次、组织清晰，分工明确，而且责任到人，跟踪
到人。第一批上报给西气东输三线各项目部执行的人员
共 32 名，都是经验丰富的专业监造工程师，而且都是通
过严格考试筛选出来的。在项目执行过程中，管理团队
进行了深入的讨论和研究。各监造组长对工作内容、公
司要求、注意事项等进行传达和学习。
2022 年 3 ～ 5 月，已有 80 多名人员参加了西气
东输三线（以下简称西三线）中段项目工作。西三线
项目的管子总共有 9 家生产制造企业，涉及上海宝钢、
南京巨龙、青县巨龙、宝鸡钢管、宝世顺钢管等，还
涉及 4 个热缩带厂，现在已经进驻监造人员的有 2 个
热缩带厂。为了确保监造检验项目的安全运行，在项
目工作现场，公司为监造人员配备安全帽、反光背心、
工作服、口罩等个人防护用品，确保监造人员在检验
工作中的职业健康和安全。
新冠疫情影响所带来的不确定性，为监理工作的
正常开展带来了不同以往的新困难，为此公司早有准
备。赵峰介绍说，公司在今年初已经提前做了疫情当
下的预案，预案有 3 个重点：一是落实当地属地化的
执行人员，尽量规避多频次的动员；二是要求重要项
目的执行人员，提前与制造企业沟通落实，与制造企
业人员同步进入工作现场进行封闭式生产和检验，保
障重点项目的顺利运行；三是响应中石油、中石化、
中海油的要求，选择了远程视频检验的环节。
公司在全国共有 11 个办事处、15 个项目组，这
样的覆盖使得项目能按照客户的既定要求进行。对于
公司人员往返路途存在的风险，也做了相应的安排。
在这样的预安排之下，项目启动后，疫情对于重点项
目的影响降到了最低，截至目前，西三线项目按期按
时保供保产顺利进行。
宁静致远，激发团队的工作热情和激情
赵峰是一个爱思考的人，走上管理岗位的他，又
面临着团队的管理、人才的培训储备等一系列管理问
题。随着公司业务的不断拓展，如何给客户提供最有
价值的服务，在客户和制造企业中间，怎样做到以客
户为核心，为客户提供更为专业的检验，是他经常思
考的问题。多年来，赵峰从专业知识、管理知识、领
导力等方面，一直不断地自我充电、自我充实。
面对各种复杂问题，作为一名管理者，最大的挑
战往往不是项目工作中的难题，而是如何让下属团队
变得更加优秀。赵峰认为，项目问题凭借合理的策划
安排和组织管理是一定能够解决的，挑战性比较大的
是，作为一个管理者如何持续保持良好的情绪状态，
不让一些负面情绪影响团队的工作热情和激情，从而
把团队带得更好、更优秀。为此，赵峰经常会静下心
来反思并不断改进自己的一些管理方式，通过对团队
成员正常的激励，发挥每个团队成员的积极性和优势，
努力将管理者的角色做到最好。
有位经营大师曾说过越是错综复杂的问题，就越
要根据简单的原理和朴素的思想进行判断和行动。这
是拨开云雾见南山，直接洞悉事物本质和解决问题的
最佳方法。赵峰介绍，为了提高管理，他曾参加过相
关经营培训班，现在他也灵活运用这些知识。核心就
是将企业划分为小集体实现持续自主成长，让每一位
员工成为主角，“全员参与经营”，打造激情四射的
集体，依靠全体智慧和努力完成企业经营目标，实现
企业的飞速发展。威能检验这些年针对石油天然气领
域设备特点，将工程师分为钻探、油井管、油田、管道、
化工等部门，针对不同客户的需求及设备特点，进行
针对化细致化的管理响应，为客户提供更加优质的
服务。
超值服务，让业主、制造企业都开心满意
作为第三方监理单位，如何做到让业主和制造企
业都满意，除了过硬的监理质量外，还需要良好的沟
通能力。为此，赵峰举了 2 个印象深刻的例子。
案例 1：帮助制造企业改进工艺，提高油套管表
面质量。油套管在国内已是比较成熟的产品，但业内
人员对其表面质量却往往不够重视。国外的油管产品
长期采用和储存，能保证油管质量 6 个月下降的程度
只有 30%；国内生产的油管表面质量经过 3 个月海运
和 6 个月储存之后，表面质量几乎下降为 0。因此，
在一项厄瓜多尔油井项目的监理工作中，针对该国外
PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2022.04 77
Exclusive Interview
专访
客户对于油套管外表面质量提出的额外要求，赵峰凭
借良好的沟通技巧和立项课题研究，促使国内制造企
业通过完善工艺技术，最终满足了客户的要求，实现
了三方共赢。
案例 2：重新梳理制造企业质量控制和检验工序，
避免废品产生，保障工程按期完工。在一个中石油的
项目监理过程中，由于制造企业第一批生产的管材出
现贯通性裂纹，导致客户拒收。项目重新招标，威能
检验中标后，由赵峰带领团队将制造企业生产车间的
轧管质量控制和检验工序，从头到尾重新做了梳理规
范，发现问题并帮助分析解决。最终该车间按照客户
要求，按期交付了 5 500 t 合格油管。赵峰说，这是该
制造企业有史以来做得最难的一个项目，制造企业对
威能检验的严格监理把关一时难以接受。但在经历短
时间的阵痛之后，制造企业态度逐渐发生了转变，他
们认为正是赵峰团队的介入，使得该车间生产线的质
量管理真正达到了国内排名前列的水平。
交流与分享，为行业发展添砖加瓦
基于实践经验和专业理论的积累，赵峰在用户企
业赢得了良好声誉。2013 ～ 2014 年，他参与了中石
油技术开发总公司的《监造管理办法》《检验大纲细
则模板》的草拟制定，组织制造企业和中石油业主方
共同讨论定稿，最终评标下发《监造管理办法》和《检
验大纲细则模板》。2017 ～ 2019 年，参与了中石化的
《监造大纲细则的模板化和知识化》的起草，其中油
（套）管、钻机部分由赵峰带队撰写，整套监造指导
文件出版，并在中石化行业内使用。另外，他还在行
业内发表了现场使用的一些技术文件、检验文件指导
手册等。
除了项目监造外，赵峰还做了一部分对制造企业
的审核评价工作，评价既有国内公司也有国外公司。
特别是在 2012 ～ 2015 年，威能检验中标阿尔及利亚
石油公司委托的一项国际制造企业评估测试项目，包
含对中标的全球 70 多家制造企业的审核。赵峰带队去
了法国、德国、意大利，以及中东迪拜、多哈等城市，
对国外制造企业的生产能力进行生产评估。依靠良好
的专业知识与技能，打消了国外公司最初的疑虑，最
终赢得了国外制造公司的信任，保证了评估工作的顺
利进行。赵峰感叹说：“国内的检验公司走出国门的
太少，因此国外企业很少了解国内检验公司的实力和
水平，加强中外同行间的交流十分必要。天津地区的
几家大的制造企业对于他们的评审工作非常配合，认
为威能检验这样的国内企业能够参与国际招标审核工
作令人佩服和欣赏”。为此，赵峰和他的团队也感到
非常自豪。
在审核当中，赵峰通过中外制造企业的对比，不
仅看到了差距，也在一定程度上收获了自信。赵峰说，
审核评价不仅学习了国外的先进制造工艺，看到了国
外制造的优点，也发现了国外制造的缺点。审核回来
之后，赵峰专门对一些文件进行梳理，跟国内某些重
点制造企业进行交流和分享。他希望通过不断总结、
吸取经验，规避缺点，国内企业的产品未来有一天能
够跟国际产品对接。
不断精进，新能源领域大有可为
威 能 检 验 专 注 能 源 领 域， 其 注 册 商 标
“FORENERGY”就充分表明了这一点。
赵峰介绍说，威能检验作为一家具有国际化视野
的专业公司，在 2016 年前有 70% 的业务面向国际市场，
因此，能够准确洞察时代发展趋势，与时俱进，不断
拓展业务领域和服务范围，为多家全球知名的石油公
司、项目工程公司和贸易商提供专业化服务，并积极
参与了多项国际、国内的重大石油石化项目。如今，
在全球各国大力倡导低碳经济的大背景下，威能检验
又将眼光瞄向了新能源领域。新能源成了发展低碳经
济的重要途径。
“企业的运行一定要与国家政策和发展方向保持
一致。”赵峰介绍说，这 2 年公司也在学习新能源和“碳
中和”的相关知识，并开始做相关的技术知识储备。
赵峰本人也打算考取莱茵 TU
..
V 集团颁发的碳中和环
境气体检测检验工程师证书。
有位法国作家、思想家曾说过世界上最伟大的事，
是一个人懂得如何做自己的主人。赵峰就是一个懂得
如何做自己主人的人，在职业生涯初期，他毫不犹豫
地参加专业技能的培训学习，为后面工作打下坚实的
基础。在步入管理工作带领团队时期，他不仅学习管
理知识，而且不断反思总结，提高团队的工作热情。
赵峰说，无论个人还是企业，他的价值源于责任，责
任重于泰山。威能检验每年执行近百个合同，监造设
备材料近万台（套、件）。在赵峰的精心组织和管理下，
所有项目监造物资都能按期保质交付，获得多方业主
的一致好评。
展望未来，期待赵峰和他的团队，为威能检验的
发展壮大，为我国经济社会发展、质量强国不断做出
新的贡献！
