CN106290020A - 储罐内爆多场耦合实验测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是储罐内爆多场耦合实验测试装置，这种储罐内爆多场耦合实验测试装置的实验储罐上设置有点火器套筒、多个温度传感器套筒，点火器套筒与温度传感器套筒结构大小相同，温度传感器套筒分别布设在罐顶、罐壁上部、下部及两侧，点火咀与点火器套筒可拆卸连接，各温度传感器与相应的温度传感器套筒可拆卸连接；储水槽、氧气瓶、可燃气瓶分别与实验储罐连接；每个温度传感器对应安装一个压力传感器，罐壁对称布置两个位移传感器，自罐顶至罐壁下部同一直线及该直线垂直的直线上均设置多个应变传感器；上述温度传感器、压力传感器、位移传感器、应变传感器均与信号采集系统连接。本发明实现储罐内不同起爆点位置进行气—液—固三相耦合测试。

Description

储罐内爆多场耦合实验测试装置

技术领域

本发明涉及对储罐研究的实验装置，具体涉及储罐内爆多场耦合实验测试装置。

背景技术

立式储罐作为一种重要的储存设备，在各行业中应用非常广泛，特别是在石油石化行业介质储存中，各反应介质、成品油与原油均为该种结构的储存容器。由于其内部储存介质极易挥发出可燃气体，若有意外因素充当“点火源”，就会导致储罐发生爆炸。该类事故的发生，主要是由于其内部储存介质发生燃烧爆炸，导致储罐在瞬时超压和升温作用下发生内爆破坏。这类储罐结构的内爆破坏，是一种典型的气液内爆与结构相互作用的多场耦合动力学响应问题。当前我国石油对外依存度逐年增加，2014年已逼近60%，远超国际警戒线，特别自2014年7月以来，油价经历“十三连跌”之后，我国更增加了原油的进口与储存，这都使储罐的安全生产日益受到重视。罐内油气燃爆，不仅会导致储罐结构破坏，还有可能在整个罐区引发多米诺效应，造成人员伤亡和重大财产损失。

浙江大学邓贵德等人采用单层厚壁圆柱形容器，对其内部安放当量TNT爆炸后，圆柱形容器的轴向压力进行了测试。通过该实验装置可测量圆柱容器单一方向的压力变化情况。但该实验装置由于采用了厚壁圆柱形容器，与真实储罐薄壁结构差异较大。由于爆炸压力为空气压缩波，其爆炸压力的大小与结构形状密切相关，当结构为薄壁容器时，爆炸压力会使结构变形，而结构变形反过来会影响压缩波的形状进而影响爆炸压力的大小，即气体压力与结构的流固耦合作用。但该实验装置明显采用了厚壁结构，与储罐内爆的真实情况不符。

哈尔滨工业大学路胜卓等人通过乙炔和空气的混合气体，对拱顶储罐模型在外爆下的动力响应情况进行了测试，测试中可实现不同液位高度下储罐应变、压力的测试。但该实验装置主要是模拟储罐外爆载荷下的响应情况，且外爆载荷对储罐冲击位置无法调整。

从上述各实验测试装置来看，其共同的目的均是为了测量爆炸载荷作用下储罐结构的响应问题，但与储罐结构真实发生爆炸的情况相比具有以下几方面缺陷：一是对起爆点的模拟单一，二是测量参数单一，三是无法考虑气—液—固三相耦合问题，而这三个方面正是实验装置能否真实模拟储罐爆炸的关键问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供储罐内爆多场耦合实验测试装置，这种储罐内爆多场耦合实验测试装置用于解决现有储罐实验测试装置存在起爆点模拟单一、测量参数单一、无法考虑气—液—固三相耦合的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种储罐内爆多场耦合实验测试装置包括实验储罐、点火器、储水槽、氧气瓶、可燃气瓶，实验储罐上设置有点火器套筒、温度传感器套筒，点火器套筒与温度传感器套筒结构相同且尺寸相等，温度传感器套筒有多个，温度传感器套筒分别布设在实验储罐的罐顶、罐壁上部、罐壁下部，罐壁上部、罐壁下部的温度传感器套筒位于一条竖直线上，距该竖直线的最远的罐壁对称设置两个温度传感器套筒，点火器的点火咀与点火器套筒可拆卸连接，各温度传感器与相应的温度传感器套筒可拆卸连接；点火咀位于实验储罐内，储水槽通过水管连接至实验储罐，氧气瓶、可燃气瓶分别通过管线与实验储罐连接；每个温度传感器安装处对应安装一个压力传感器，实验储罐罐壁对称布置两个位移传感器，自实验储罐的罐顶至罐壁下部同一直线上均匀设置多个应变传感器，与该直线相垂直的一条直线上也同样均匀设置多个应变传感器；上述各温度传感器、压力传感器、位移传感器、应变传感器均与信号采集系统连接。

上述方案中实验储罐固定在支座上，支座具有中心孔，中心孔的四周布置安装孔，实验储罐的罐底具有水管套筒，水管套筒从中心孔穿出，水管连接水管套筒，支座与实验储罐通过各安装孔固定连接；实验储罐还设置有进气套筒。

上述方案中位移传感器分别安装在支架，位移传感器顶在实验储罐的罐壁上，支架为工字型的，支架的底板与支座固定连接，位移传感器坐在支架的顶板上。

上述方案中温度传感器套筒有五个，实验储罐的罐顶一个，罐壁上部一个、罐壁下部一个以及所述对称设置的两个。

上述方案中自实验储罐的罐顶至罐壁下部同一直线上均匀设置六个应变传感器，与该直线相垂直的一条直线上也均匀设置六个应变传感器。

上述方案中实验储罐及所述的位移传感器均设置有防护罩内，防护罩的底部与支座固定连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明克服了以往实验装置点火位置单一，无法实现储罐内气—液—固三相耦合的测试弊端，可实现储罐内不同起爆点位置、不同液体储存液位、不同气体浓度、不同混合气体成分，储罐结构内爆多场耦合测试过程，具有真实模拟储罐爆炸的先进性。

2、本发明通过对实验储罐内爆载荷作用下的多场耦合测试，可达到可燃气体爆炸过程中储罐内部各位置处的压力、温度测量，也可同时对储罐在内爆载荷下的气液对储罐结构作用产生的应变与位移进行测量。测试数据一方面可为科研人员在理论计算过程中，提供计算边界条件；另一方面也为工程设计人员摸清储罐内爆载荷分布与结构响应情况，指导储罐结构设计。同时，也对储罐爆炸灾难发生后，事故的可靠救援提供指导。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中实验储罐与支座连接关系示意图；

图3是本发明中实验储罐的结构示意图；

图4 是图2的俯视图；

图5是本发明中支架的结构示意图；

图6本发明中支架的俯视图。

图中：1信号采集系统；2点火器；3位移传感器；4温度传感器；5压力传感器；6应变传感器；7实验储罐；8储水槽；9防护罩；10流量计；11安全阀；12离心泵；13可燃气瓶；14氧气瓶；15截止阀；16支座；17支架；18单向阀；19点火器套筒；20温度传感器套筒；21水管套筒；22进气套筒；23压力传感器套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4所示，这种储罐内爆多场耦合实验测试装置包括实验储罐7、点火器2、储水槽8、氧气瓶14、可燃气瓶13，实验储罐7上设置有点火器套筒19、温度传感器套筒20，点火咀位于实验储罐7内，点火器套筒19与温度传感器套筒20结构相同且尺寸相等，点火器2的点火咀与点火器套筒19通过螺纹连接，各温度传感器4与相应的温度传感器套筒20通过螺纹连接，这样可将点火器2拆卸下来，安装到不同的温度传感器套筒20，实现罐内不同起爆点位置的点火。储水槽8通过进水管连接至实验储罐7，进水管上设置有单向阀18和离心泵12，实验储罐7与储水槽8间还设置有出水管，出水管的末端伸入到储水槽8中，出水管上也设置有单向阀，进水管与出水管汇集后与实验储罐7连接，储水槽8、进水管、单向阀18、离心泵12、出水管构成液体注入部分，实现液体的注入和排放。氧气瓶14、可燃气瓶13分别通过分支管线汇合到进气管线，各分支管线上设置有流量计10和球阀，进气管线与实验储罐7的进气套筒22连接，进气管线上设置截止阀15，它们构成气体注入部分，实现可燃气体和氧气的注入、可调节气体组成成分、可燃气体浓度。

实验储罐7固定在支座16上，支座16具有中心孔，中心孔的四周布置安装孔，实验储罐7的罐顶设置有安全阀11，实验储罐7的罐底具有水管套筒21，水管套筒21从中心孔穿出，水管连接水管套筒21，支座16与实验储罐7通过各安装孔固定连接。实验储罐7及所述的位移传感器3均设置有防护罩9内，防护罩9的底部与支座16固定连接，实现罐外储罐内爆过程的可视观看和危险防护。

为了满足对实验储罐7在内爆条件下不同位置处的温度、压力、应变和位移的测量，本发明将温度传感器4、压力传感器5、位移传感器3、应变传感器6做如下布置：

温度传感器套筒20有五个，实验储罐7的罐顶一个，罐壁上部一个、罐壁下部一个温度传感器套筒20，罐壁上部、罐壁下部的温度传感器套筒20位于一条竖直线上，距该竖直线的最远的罐壁对称设置两个温度传感器套筒20，每个温度传感器套筒20安装一个温度传感器4，二者通过螺纹连接，可方便的拆卸下来，根据需要更换上点火器2，在实验测试过程中，分别实现点火器2在实验储罐7靠近罐顶、靠近罐壁和靠近罐底三个典型位置的不同起爆点位置。每个温度传感器4安装处对应安装一个压力传感器5，压力传感器5的安装与温度传感器4相同，通过压力传感器套筒23安装。

实验储罐7罐壁对称布置两个位移传感器3，位移传感器3分别安装在支架17上，位移传感器3顶在实验储罐7的罐壁上，参阅图5、图6，支架17为工字型的，支架17的底板与支座16固定连接，位移传感器3坐在支架17的顶板上。

自实验储罐7的罐顶至罐壁下部同一直线上均匀设置六个应变传感器6，与该直线相垂直的一条直线上也同样均匀设置六个应变传感器6。

本发明中各温度传感器4、压力传感器5、位移传感器3、应变传感器6均与信号采集系统1连接，构成测试部分，实现罐内不同位置的压力、温度和罐外不同位置应变、位移的动态测试，可根据测试需求调整点火能量、测量量程和精度。

通过气体注入部分注入可燃混合气体为爆炸源，模拟石油化工产品中可燃蒸气云的爆炸过程，若要分析不同可燃气体的爆炸情况，则可通过更换氧气瓶14和可燃气瓶13实现。实验中为模拟液态石油等化工产品的传压作用，通过液体注入部分在实验储罐7内注入清水来代替。当实验储罐7内按一定比例注入混合气体后，通过点火部分作为引燃能量点火，可燃混合气体由于满足爆炸比例条件，将发生爆炸。爆炸形成的冲击波和高温气体，将对实验储罐7产生作用；其中测试部分主要通过压力传感器5和温度传感器4，对高温燃烧气体对实验储罐7内壁面各位置的压力和温度进行动态采集；而实验储罐7结构的响应则通过外部的动态应变传感器6和位移传感器3采集到；由传感器采集到的电信号经信号采集系统1转换后，最终形成可视信号。在整个测试过程中，可分别调整可燃气体混合浓度与成分、注入液体液位高度以及调整起爆点的位置，通过这些方法则可真实再现储罐实际内爆情况。整个爆炸测试过程，可透过防护罩9观察整个实验过程现象。在整个测试过程结束之后，通过实验储罐7的安全阀11对储罐泄压，并通过液体注入部分放空储罐内储存液体。

本发明设计了实验储罐7不同起爆点位置；且能够满足对实验储罐7爆炸过程中的压力、温度，储罐结构响应参数：应变、位移进行测量；同时通过实验储罐7内不同液位高度的调节，实现气—液—固三相耦合的动态测试。综上，本发明可真实再现实验储罐7内爆情况下的各种参数测量。

本发明实验方法如下：

（1）实验装置安装：

将支座16摆放平稳，将实验储罐7放置在支座16上；将储水槽8与进水单向阀18、离心泵12、进水管线和出水管线、出水单向阀按照图1连接好，并将液体注入部分与实验储罐7底部通过螺纹连接；依次将可燃气瓶13、可燃气球阀、可燃气流量计10、氧气瓶14、氧气球阀、氧气流量计、进气管线、进气管线上的截止阀15按照图1连接好，并将气体注入部分与实验储罐7通过螺纹连接；将动态位移传感器3、动态温度传感器4、动态压力传感器5、动态应变传感器6分别安装到实验储罐7相应位置，并与信号采集系统1相连接；安装点火器2、安全阀11、防护罩9，整套实验装置安装完毕。

（2）实验装置测试：

由于本实验装置包含可燃气体，测试过程中应严格按照操作流程执行，避免危险事故的发生。具体测试步骤如下：

①实验测试装置启动前必须检查实验装置各部分连接螺纹紧固程度、各部分是否完好无损、气密性良好，并保证各阀门处于关闭状态、测试仪器未通电、实验现场无明火；

②打开安全阀11，使实验储罐7与外界大气相连通；打开进水单向阀18并启动离心泵12，按照实验需求向实验储罐7内注入所需水量，注入水量参照储水槽8水位刻度线，注水完成后，关闭离心泵12、进水单向阀18；

③关闭安全阀11，依次开启截止阀15、氧气流量计、氧气球阀向实验储罐7内注入一定体积氧气，依次关闭氧气球阀、氧气流量计，依次开启可燃气流量计10、可燃气球阀向实验储罐7内注入一定体积可燃气体，依次关闭可燃气球阀、可燃气流量计10，并关闭截止阀15。

④固定防护罩9。

⑤人员撤离到安全范围，启动信号采集系统1电源，仪器调平衡，启动点火器2引爆储罐内可燃气体。

⑥通过信号采集系统1进行数据采集，当观测到动态压力传感器5和动态温度传感器4在较低数值并维持较长时间不发生变化时，测试过程结束。

⑦关闭信号采集系统1和点火器2电源，打开防护罩9，并依次打开安全阀11、出水单向阀将实验储罐内气体和液体放空，实验储罐放空后，依次关闭出水单向阀、安全阀11

⑧调整点火器2和动态温度传感器4位置，并重复①~⑦步骤，进行下一次测试过程。

Claims (6)

1.一种储罐内爆多场耦合实验测试装置，其特征在于：这种储罐内爆多场耦合实验测试装置包括实验储罐（7）、点火器（2）、储水槽（8）、氧气瓶（14）、可燃气瓶（13），实验储罐（7）上设置有点火器套筒（19）、温度传感器套筒（20），点火器套筒（19）与温度传感器套筒（20）结构相同且尺寸相等，温度传感器套筒（20）有多个，温度传感器套筒（20）分别布设在实验储罐（7）的罐顶、罐壁上部、罐壁下部，罐壁上部、罐壁下部的温度传感器套筒（20）位于一条竖直线上，距该竖直线的最远的罐壁对称设置两个温度传感器套筒（20），点火器（2）的点火咀与点火器套筒（19）可拆卸连接，各温度传感器（4）与相应的温度传感器套筒（20）可拆卸连接；点火咀位于实验储罐（7）内，储水槽（8）通过水管连接至实验储罐（7），氧气瓶（14）、可燃气瓶（13）分别通过管线与实验储罐（7）连接；每个温度传感器（4）安装处对应安装一个压力传感器（5），实验储罐（7）罐壁对称布置两个位移传感器（3），自实验储罐（7）的罐顶至罐壁下部同一直线上均匀设置多个应变传感器（6），与该直线相垂直的一条直线上也同样均匀设置多个应变传感器（6）；上述各温度传感器（4）、压力传感器（5）、位移传感器（3）、应变传感器（6）均与信号采集系统（1）连接。

2.根据权利要求1所述的储罐内爆多场耦合实验测试装置，其特征在于：所述的实验储罐（7）固定在支座（16）上，支座（16）具有中心孔，中心孔的四周布置安装孔，实验储罐（7）的罐底具有水管套筒（21），水管套筒（21）从中心孔穿出，水管连接水管套筒（21），支座（16）与实验储罐（7）通过各安装孔固定连接。

3.根据权利要求2所述的储罐内爆多场耦合实验测试装置，其特征在于：所述的位移传感器（3）分别安装在支架（17）上，位移传感器（3）顶在实验储罐（7）的罐壁上，支架（17）为工字型的，支架（17）的底板与支座（16）固定连接，位移传感器（3）坐在支架（17）的顶板上。

4.根据权利要求3所述的储罐内爆多场耦合实验测试装置，其特征在于：所述的温度传感器套筒（20）有五个，实验储罐（7）的罐顶一个，罐壁上部一个、罐壁下部一个以及所述对称设置的两个。

5.根据权利要求4所述的储罐内爆多场耦合实验测试装置，其特征在于：所述的自实验储罐（7）的罐顶至罐壁下部同一直线上均匀设置六个应变传感器（6），与该直线相垂直的一条直线上也均匀设置六个应变传感器（6）。

6.根据权利要求5所述的储罐内爆多场耦合实验测试装置，其特征在于：所述的实验储罐（7）及所述的位移传感器（3）均设置有防护罩（9）内，防护罩（9）的底部与支座（16）固定连接。