高频感应炉燃烧后红外吸收法测定管线钢碳硫含量不确定度评定
来源:易妖游戏网
78 橙期缘幕 _高频感应炉燃烧后红外吸收法测定 管线钢碳硫含量不确定度评定 李涛,宫庆,宗秋丽 (渤海装备华油钢管有限公司,河北青县062658) 摘要:依据JJF 1059.1—2O12标准,分析了高频感应炉燃烧后红外吸收法测定管线钢中碳硫含量不确定度 的影响因素,建立数学模型,并对管线钢中碳硫含量测定结果的不确定度进行评定,确定和计算测定过程中各个 不确定度分量。对不确定度分量的数值进行比较发现,B类标准不确定度是分析碳硫含量不确定度的主要来源, 仪器示值误差不确定度对总不确定度的影响最大。 关键词:管线钢;C含量;S含量;高频感应炉燃烧后红外吸收法;不确定度;仪器示值误差 中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001—2311(2015)04-0078-05 Evaluation of Measurement Uncertainty of Carbon and Sulfur Contents in Linepipe—purposed Steel with High Frequency Induction Furnace Combustion IR—absorption Method LI Tao,GONG Qing,ZONG Qiuli (Noah China Petroleum Steel Pipe Company,CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658,China) Abstract:Analyzed are the elements as affecting the m easurement uncertainty of contents of C and S in the linepipe purposed steel by means of using the HF induction furnace combustion infrared absorption method as per Standard JJF 1059.1—2O12.And relevant math model is set up.and the uncertainty of the result from measurement of C and S contents of the said steel is evaluated.Also done is determining and calculating each individual uncertainty component as identified during measuring process.Based on the result of comparison of the uncertainty components, it is revealed that the uncertainty of Standard B acts as the main source of uncertainty of C and S contents analysis. while the instrument indication error uncertainty makes the largest contribution to the total uncertainty. Key words:linepipe・purposed steel;carbon content;sulfur content;high frequency induction combustion infrared-absorption method;uncertainty;instrument indication error 高频感应炉燃烧后红外吸收法测定管线钢中的 碳硫含量是较普遍的分析方法,也可用于焊丝中碳 硫含量的检测,具有分析速度快、灵敏度高、测量 范围广、检测下限低及精度高等优点。为了有效提 高高频感应炉燃烧后红外吸收法分析工作的能力和 要对碳硫含量的测量不确定度进行评定,这将有利 于掌握设备运转情况、控制标样、校准参数等对日 常分析的影响程度。 本文根据JJF 1059.1—20l2《测量不确定度评 定与表示》…的有关规定及实际情况,建立了元素 水平,切实保证对所分析产品的质量控制,很有必 李涛(1983一),女,硕士,工程师,从事石油输送 含量不确定度评价体系及数学模型,并对高频感应 炉燃烧后红外吸收法所测得管线钢中的碳硫含量测 定结果的不确定度进行评定,确定并计算测定过程 钢管材料开发与试验技术工作。 中各不确定度分量。 钢管2015年8月第44卷第4期 STEEL PIPE Aug.2015,Vo1.44,No.4 1试验方法 1.1试验原理 算机上,所以数学模型 ]为: y=X (1) 高频感应炉燃烧后红外吸收法是将试样在高温 炉中通氧燃烧,试样中的C经氧化转化为二氧化 式中 ——被测物测量结果显示的平均值; Y——被测物测量结果。 2不确定度来源分析 碳,s转化为二氧化硫气体。此方法实现碳硫元素 2.基于分析方法、检测设备工作原理和以往的工 与金属元素及其化合物的分离,逸出气体经处理后 进人相应的吸收池,对相应的红外辐射进行吸收, 作经验,高频感应炉燃烧后红外吸收法测定碳硫含 5-7]。 由探测器转发为信号,经计算机处理输出结果,检 量不确定度来源包括A类和B类标准不确定度[属于A类标准不确定度的来源,包括:①对标准样 测结果直接以百分比浓度显示出来。 1.2仪器主要工作参数 试验使用上海某公司制造的HCS一140型红外 碳硫分析仪完成,氧气为高纯氧,纯度为99.999%, 调节入口压力为0.35 MPa;仪器的吹氧流量为2.0 L/min,分析流量为3.0~4.0 L/min,板极电流为0.2 品进行重复测定所导致的不确定度;②对管线钢样 品进行重复测定所导致的不确定度。属于B类标准 不确定度的来源,包括:①测量时红外碳硫分析仪 所导致的不确定度;②根据标准物质证书定值元素 所导致的不确定度;③助熔剂纯净度所导致的不确 定度;④测量时天平导致的不确定度;⑤天平称量 准确性所导致的不确定度;⑥红外碳硫分析仪显示 分辨力所导致的不确定度;⑦红外碳硫分析仪示值 误差所导致的不确定度;⑧数值修约所导致的不确 定度;⑨测定过程中人员操作及读数导致的不确定 度;⑩环境的温度、湿度变化,试样制备的电流、 电压以及氧气流量稳定性等导致的不确定度『8_。 A,栅极电流为100 mA。制样设备有锯床、钻床。 环境温度保持在25 27℃,相对湿度保持在30%~ 35%。 1.3标准物质和试样 标准物质为碳素钢,样品号为YSB C 11119a一 99(443)。助溶剂钨粒由襄樊某公司生产;坩埚尺 寸为25 mmx25 mm,厂家为湖南某公司(1 300℃ 灼烧后备用)。依据GB/T 20123—2o06,IsO 15350: 2000(钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后 3标准测量不确定度分量的评定 红外吸收法(常规方法)》[z-,用锯床切割试样,再 3.1标准不确定度分量的A类评定 用钻床对块状试样进行加工,试样的粒度应大小一 根据贝塞尔公式可推导出A类标准测量不确 致,尺寸不能小于0.4 mm,不应有油、油脂及其 定度的计算公式[1 ]:I 厂—————— —————一 他污染物,尤其是使试样增碳和增硫的污染物,沾 污或碳质量分数小于0.02%的试样使用丙酮溶剂清 V ————( (2) 洗,并在70~100 oC下干燥。 1.4试验方法 按GB/T 20123--2006 ̄SO 15350:2000标准进 行测定,红外碳硫分析仪需稳定2 h,再进入分析 式中u ——A类标准测量不确定度; 测定次数; 单次’狈0定值; ——测定平均值。 (3) 程序,高频感应炉需预热30 min,使仪器达到最 佳稳定状态。用电子天平称量标准样品,对仪器进 行校准,保证仪器处于最佳工作状态。在此基础 上,称取0.5 g试样,加入1勺钨粒作为助熔剂, 使试样和钨粒的总质量保持在1.5 g左右,进行样 品分析,取平均值。 相对标准测量不确定度: =MA/x 式中 ——A类相对标准测量不确定度。 3.1.1标准样品的相对标准不确定度 按照测定方法,对样品号为YSB C 1ll19a一99 (443)标准样品检测7次,检测出碳硫元素的分析 结果,同时进行统计计算,计算出相对标准不确定 度,得出的标准样品的相对标准不确定度见表1。 3.1.2管线钢样品的相对标准不确定度 2不确定度的评定 2.1数学模型 HCS一140型红外碳硫分析仪对样品的数据采 选取管线钢试样,用锯床、钻床将试样加工为 集和处理采用全自动操作,测试结果直接显示在计 粒状,粒度保持大小一致,尺寸不能小于0.4 mm, 李涛等:高频感应炉燃烧后红外吸收法测定管线钢碳硫含量不确定度评定 钢管2015年8月第44卷第4期 表1标准样品的相对标准不确定度xl0 试样不应有油、油脂及其他污染物,使用丙酮溶剂 行测试7次,得出的管线钢样品的相对标准不确定 清洗,并干燥。用HSC一140型红外碳硫分析仪平 度见表2。 表2管线钢样品的相对标准不确定度 x10-3 3.2标准不确定度分量的B类评定 根据有关的信息或经验,判断被测量的可能值 区间是( 一n, + ,假设被测量值为概率分布(如 //,3, (S)= 1(S)/k=2.70%/2=0.013 5 (6) 3-2_2标准物质在定值时导致的标准不确定度 由标样定值引起的不确定度可以通过测量数据 正态分布、非正态分布等),根据概率分布和要求 的包含概率P估计因子k,则B类标准测量不确定 度u 可由式(3)得到…: uB=alk (4) 的标准偏差、测量组数及所要求的置信因子,按统 计方法计算[-o]。选取标准样品,样品号为YSB C 1 1 1 19a一99(443),标样定值一般是由10个以上实 验室共同完成,证书中列出了标准物质的标准偏 式中,a为被测量可能值区间的半宽度;当k 差。标样定值时产生的标准不确定度见表4。 为扩展不确定度的倍乘因子时称为包含因子,其他 情况下根据概率论获得的k称为置信因子。 3.2.1红外碳硫分析仪导致的标准不确定度 根据红外碳硫分析仪的计量校准证书,可以得 表4标样定值时产生的标准不确定度Xl0-3 出测量时红外碳硫分析仪导致的不确定度。红外碳 硫分析仪校准证书中各元素的相对标准不确定度见 表3。 3.2.3助熔剂纯净度导致的标准不确定度 表3红外碳硫分析仪校准证书中各元素 的相对标准不确定度 根据供应商给出的数值,助熔剂的W(C)在0~ 0.000 8%, (S)在0 0.000 5%,以矩形分布估计, k值取、/ 。助熔剂纯净度产生的标准不确定度见 表5。 表5助熔剂纯净度产生的标准不确定度xl0 分别计算可以得到碳硫元素的相对标准不确定 度: //'3rel,(C)=U。(C)/k=O.76%/2=0.003 8 (5) STEEL PIPE Aug.2015,Vo1.44,No.4 3.2.4电子天平导致的不确定度 表7仪器示值误差导致的标准不确定度xlO 根据电子天平的计量校准证书,当 =2时,天 平的相对扩展不确定度U=O.40 mg。称量试样的质 量为0.500 g,由此可以得出测量时电子天平导致 的相对标准不确定度。 分别计算可以得到碳硫元素的相对标准不确定 度: 布,k值取、/丁,数值修约导致的相对标准不确定 6 (C)= (C)/( 。m)=0.000 4 (7) 度见表8。 M6, (S)= (S)/(k’m)=O.000 4 (8) 3.2.5电子天平称量准确性导致的标准不确定度 表8数值修约导致的相对标准不确定度  ̄10-3 由电子天平制造商给出的分度值为0.1 mg[|1-12], 以矩形分布估计, 值取、/ 。电子天平导致的标 准不确定度见表6。 表6 电子天平导致的标准不确定度 称量范围/s称鼬s分度值/mg鬟不确u7/% 3.2.9其他因素对标准测量不确定度的影响 在对标样及管线钢试样进行碳硫含量分析时, 0.001~200.000 0.500 0.1 5.774 ̄10 0.012x10 均由同一试验人员操作并读数,因此由人员引起的 不确定度可以忽略。仪器在工作期间,环境条件 3.2.6碳硫分析仪分辨率导致的标准不确定度 (温度、湿度)保持稳定,故由环境条件引起的不确 试验所用HCS一140型红外碳硫分析仪的最小 定度可以忽略不计。氧气的人口压力、仪器的吹氧 读数为0.000 01%,按矩形分布,k值取、/ ,由 流量、分析流量、板极电流等在试验过程中均保持 此导致的标准不确定分量为: 稳定,波动符合要求,由此导致的不确定度也可忽 us=0.000 01/、/丁=5.773 5xlO (9) 略不计。 则c、s元素的相对标准不确定度为: // ̄8(10) 4合成标准不确定度 ,rel(C)=u8(C)/w(C)=5.944 lxlO U8,rel(S)=u8(S) (S)=1.238 9xlO (11) 综上所述,对各元素含量的相对标准不确定度 3.2-7仪器示值误差导致的标准不确定度 评定已完成,因各因素对不确定度的影响相互, 根据HCS一140型红外碳硫分析仪的使用说明 即相对标准不确定度的各分量之间没有关系 ],所 书可知,碳硫元素的不同含量具有不同的示值误 有各元素的相对合成标准不确定度为: 差,根据所测元素的含量范围,其示值误差导致的 厂 ——一 =标准不确定度见表7,按矩形分布,k值取 丁。 \T/∑ z =1 (12) 3.2.8数值修约导致的标准不确定度 式中u ——相对合成标准不确定度; 检测结果按实验室相关规定以及GB/T 8170— ,——各类相对标准不确定度。 2008((数值修约规则与极限数值的表示和判定>E13 根据式(12)和标准不确定度分量的分析,实例 进行修约,数值修约导致的不确定度服从矩形分 当中的相对合成标准不确定度为: Ucrel( )=、/ 币 (13) 则:Ucrel(C)=0.035 74 c= ‘Mc (14) I(S)=0.092 60 。(C)= (C)・ (C)=0.003 47% (15) 合成标准不确定度分别为: uo(S)=w(S)・M (S)=0.000 43% (16) 李涛等:高频感应炉燃烧后红外吸收法测定管线钢碳硫含量不确定度评定 钢管2015年8月第44卷第4期 5扩展不确定度的确定 红外碳硫分析仪测定管线钢中各元素的含量, 由于在实测中采用多次测量取平均值的方法,因此 其测量不确定度为正态分布,包含因子k=2,在工 业领域,通常取95%的置信水准,因此相对扩展 不确定度为:u(c)= ・/3, _2xO.003 47%=o.006 94%; (S):k・Ue(S)=2xO.000 43%=0.000 86%。 『2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国 家标准化管理委员会.GB/T 20123--2006/IS0 15350: 2000钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外 吸收法(常规方法)『S].北京:中国标准出版社,2006. [3]张莹.红外线吸收法测定钢中碳硫含量的不确定度[J]. 冶金标准化与质量,2007,45(4):7-8. [4]徐金龙,华斌,朱燕.高频燃烧一红外吸收法测定钢中 碳硫含量的不确定度评定_J_.检验检疫学刊,2009,19 (2):29-30. 6测量不确定度的表示 用HCS一140型红外碳硫分析仪测定管线钢中 碳硫元素的含量,它们的质量分数最终结果分别 为: (C)=(0.097 ̄0.006 94)%,k=2,即有95%的 可能性 (c)在0.090%~0.104%; (S)=(0.004 7± 0.000 86)%,k=2,即有95%的可能性 (S)在 0.003 84%-43.005 56%。 『5]李刚,李旭生,孔元,等.红外吸收法测定生铁中碳、 硫含量的不确定度评定[J].山东冶金,2006,28(2): 63—65. 『6]梁景志,黄镇泽,赵剑.火花源直读光谱仪测定不锈钢 中铬、镍、锰、硅、碳、磷、硫含量的不确定度的评 定[J].装备制造,2009(7):145—146. 『7]张艳,关予.光电直读光谱仪测定Mn含量的不确定度 评定[J].金属制品,2007,33(5):53—54. [8]赵强,郝陶雪.直读光谱仪测量轴承钢中碳含量不确定 度评定『J].轴承,2010(4):40—41. 『9]周鑫磊,张先鸣.直读光谱仪测量中碳合金钢中钼含量 不确定度评定[C]//2011金属制品行业技术信息交流会 论文集,2011:200—202. 7结语 采用HCS一140型红外碳硫分析仪对管线钢中 碳硫元素含量的测量不确定度进行评定,测量结果 不确定度由l 1个分量组成,包括2个A类标准测 量不确定度分量和9个B类标准不确定度分量, 在合成标准不确定度的这些分量基本上考虑了测量 过程中系统效应和随机效应所导致的测量结果不确 定度。对分量的数值进行比较发现,B类标准不确 定度是碳硫分析中不确定度的主要来源,仪器示值 误差不确定度对总不确定度的贡献最大。高频感应 炉燃烧后红外吸收法测定管线钢中碳硫含量的不确 『10]徐本平,牛茂江.红外吸收法测定低合金钢中碳硫的 不确定度评定[J].现代测量与实验室管理,2004(5): 34-36. [11]曹宏燕.分析测试中测量不确定度及评定第四部分实 例(3)测定钢中碳量的不确定度评定[J].冶金分析, 2005,25(6):73—76. 『12]蔡昱.高频红外吸收法测定钢中碳、硫的不确定度评 定[J].科技风,2011(11):15. 『131中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国 家标准化管理委员会.GB/T 8170—20O8数值修约规 定度评定,对仪器分析及其他化学分析具有一定的 指导意义。 则与极限数值的表示和判定fs].北京:中国标准出版 社,2008. 8参考文献 [1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1 —『14]何伦英,徐丽辉.红外吸收法测定碳含量的测量不确 定度评定[J].化学分析计量,2006,15(4):13—14. 2012测量不确定度评定与表示[s].北京:中国标准 出版社,2012. (收稿日期:2014—07—1l;修定日期:2015—05—05) 铜管欢迎刊登广告・广而告之—— STEEL PIPE Aug.2015,Vo1.44,No.4