CN106945955A - 一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统及方法，所述系统包括外层壳体和设置于外层壳体内的内层壳体，外层壳体和内层壳体之间为真空夹层；真空夹层内设置有至少若干工质浓度传感器；在内层壳体内设置有压力传感器和温度传感器；若干工质浓度传感器、压力传感器和温度传感器连接监控主机。本发明在内层容器由于裂纹引起工质泄漏后：通过设置在真空夹层内的传感器可及时探测并报警；根据泄漏工质的浓度变化率折算工质泄漏流量，换算裂纹开口尺寸，与容器发生爆裂时的临界裂纹尺寸对比，确定裂纹的稳定状态，来判定是否有足够的时间停车、泄压或转注等，降低容器爆裂事故发生的可能。

Description

一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统及方法

技术领域

本发明涉及低温容器技术领域，特别涉及一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统及方法。

背景技术

低温容器，如液氢、液氧、液氮、液化天然气等容器，为减少漏热，采用真空粉末绝热或高真空多层绝热结构。在容器制造过程中，焊缝及热影响区内，微小的裂纹无损探伤往往是无法发现的。在载荷的作用下，表面的微小的裂纹将逐步扩展并发展至穿透裂纹。内层容器在由表面裂纹穿透容器壁发生泄漏，直至容器爆裂的过程中，容器外侧无法及时发现，发生此类事故是不可挽回的。

如何能够在低温容器内层容器泄漏后及时发现，并根据容器的安全状态做出相应的应急处置措施，对于降低爆裂事故发生的可能，减少人身和财产损失，是至关重要的课题。尤其在航空航天领域，在火箭发射前的液氢、液氧推进剂贮存、运输、加注或转注过程中，及时发现容器泄漏并进行应急处置，对于确保航天发射的顺利进行，保证发射场和人员的安全，有着极为重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统及方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统，包括外层壳体和设置于外层壳体内的内层壳体，外层壳体和内层壳体之间为真空夹层；真空夹层内设置有至少若干工质浓度传感器；在内层壳体内设置有压力传感器和温度传感器；若干工质浓度传感器、压力传感器和温度传感器连接监控主机。

进一步的，若干工质浓度传感器包括低浓度区工质浓度传感器、中浓度区工质浓度传感器和高浓度区工质浓度传感器。

进一步的，低浓度区工质浓度传感器、中浓度区工质浓度传感器和高浓度区工质浓度传感器的检测范围相互衔接，或有部分重叠。

进一步的，三个浓度区的传感器监测范围有重叠时，在重叠范围内的监测数据以更高浓度区的传感器为准。

一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、初始参数输入至监控主机，包括：

低温容器几何参数：外层壳体的外径φ_o、厚度t_o、长度L_o；内层壳体的外径φ、厚度t、长度L；

低温容器材料力学性能参数：屈服强度σ_s、弹性模量E、断裂韧度K_IC；

工质状态参数：压力P、温度T；

初始裂纹尺寸a₀；

2)、采用监控主机对低温容器进行适用性评价：

2.1)厚度评价：容器内层壳体厚度应大于材料屈服极限对应的厚度，t＞PRm/σs，式中R_m为内层壳体中径；

2.2)应力强度因子评价：穿透裂纹尖端的应力强度因子应小于材料的平面应力断裂韧度，K_I＜K_ⅠC；式中K_I为穿透裂纹尖端的应力强度因子，

如果所监测低温容器均满足2.1)和2.2)中的关系式，进行第3)步；

3)、在役设备监控：

泄漏工质浓度监控：工质浓度传感器报警值设置为可检测浓度下限值工质浓度传感器监测到工质浓度高于时进入步骤4)发出报警消息；

泄漏工质浓度监控的同时同步进行压力、温度监控：通过内层壳体内部设置的压力和温度传感器，实时监控工质状态参数，当压力P、温度T超出设定的正常波动范围时，进入步骤4)发出报警信息；

4)泄漏工质浓度监控和压力、温度监控同时发出报警信息后，进入步骤5)，否则重复步骤3)进行在役设备监控；

5)、工质泄漏流量计算：

5.1)夹层容积计算；

5.2)泄漏工质浓度变化率计算：泄漏工质浓度变化率通过传感器检测数据计算；

5.3)工质泄漏流量通过夹层容积V和泄漏工质浓度变化率计算；

6)、裂纹开口面积计算：裂纹开口面积COA按两相流体经小孔泄漏的流量计算方法计算，其中泄漏流量等于工质泄漏流量

7)、裂纹长度计算：假定裂纹穿透后的形状为矩形，则裂纹高度等于内层壳体厚度t，裂纹长度L_C由矩形面积公式计算，其中矩形面积等于COA；

8)、临界裂纹长度计算：临界裂纹长度L_Cr在已知初始裂纹尺寸a₀的条件下，通过J-a图或J-T图或EPRI工程法得到；

9)、裂纹稳定性判别：考虑多裂纹同时存在的影响，以及一定的安全裕度，取安全系数为α，则裂纹稳定的判据应为：αL_C＜L_Cr，根据判据进行判定：

若αL_C＜L_Cr，当前裂纹长度尚未达到临界裂纹长度，裂纹处于稳定扩展阶段；若αL_C≥L_Cr，当前裂纹长度已达到临界裂纹长度，裂纹处于失稳阶段。

进一步的，安全系数为α的取值为5-10。

进一步的，若αL_C＜L_Cr时，通过停车、泄压、转注措施卸载，避免裂纹进一步扩展至失稳后引发爆裂。

进一步的，若αL_C≥L_Cr时，发出应急撤离报警信息。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在内层容器由于裂纹引起工质泄漏后：通过设置在真空夹层内的传感器可及时探测并报警；根据泄漏工质的浓度变化率折算工质泄漏流量，换算裂纹开口尺寸，与容器发生爆裂时的临界裂纹尺寸对比，确定裂纹的稳定状态，来判定是否有足够的时间停车、泄压或转注等，与现有技术相比，可在容器爆裂之前判断容器的安全状态，降低容器爆裂事故发生的可能。

附图说明

图1为一种液氢低温容器内层容器泄漏报警监测系统示意图；

图2为一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，为一种液氢低温容器内层容器泄漏报警监测系统，但本发明的内容并不限于液氢容器。

一种液氢低温容器内层容器泄漏报警监测系统，包括外层壳体1和设置于外层壳体1内的内层壳体2，外层壳体1和内层壳体2之间为真空夹层；真空夹层内设置有氢气传感器3(检测范围为2000ppm以下低浓度区)、氢气传感器4(检测范围为2000ppm～4％的中浓度区)和氢气传感器5(检测范围为1％～100％高浓度区)，在内层壳体2内设置有压力传感器6和温度传感器7。氢气传感器3、4、5及压力传感器6和温度传感器7的信号经数据线传输至监控主机8。三个浓度区的传感器监测范围有可能有重叠，在重叠范围内的监测数据以更高浓度区的传感器为准。

对于承受静态载荷的低温压力容器来讲，假定其制造过程中并未产生较大的裂纹，或即便产生也已经无损探伤识别且被返修处理，但该容器焊缝部位仍存在探伤无法识别的微小裂纹，这些裂纹将成为引起容器泄漏的主要缺陷。

请参阅图2所示，本发明给出了一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法，具体包括以下步骤：

1).初始参数输入至监控主机8：包括低温容器几何结构(外层壳体的外径φ_o、厚度t_o、长度L_o；内层壳体的外径φ、厚度t、长度L)、低温容器材料力学性能(屈服强度σ_s、弹性模量E、断裂韧度K_IC)、工质状态参数(压力P、温度T)、初始裂纹尺寸a₀(按无损探伤可识别的裂纹尺寸下限)。

2).采用监控主机对低温容器进行适用性评价：

2.1)厚度评价：容器内层壳体厚度应大于材料屈服极限对应的厚度，t＞PRm/σs，即：裂纹扩展为穿透裂纹时，内层壳体的强度仍有一定裕度，不至于在裂纹穿透之前或穿透后立即爆裂。式中R_m为内层壳体中径。

2.2)应力强度因子评价：穿透裂纹尖端的应力强度因子应小于材料的平面应力断裂韧度，K_I＜K_ⅠC；式中K_I为穿透裂纹尖端的应力强度因子，

如果均满足2.1)和2.2)中的关系式，则该低温容器能够使用本发明一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法进行监测，进行第3)步。

3).在役设备监控：

泄漏工质浓度监控：真空夹层内设置有工质浓度传感器，为提高检测精度，同时避免工质浓度超出传感器检测范围而造成数据失真，传感器应能在低、中、高浓度区均能正常响应。传感器报警值设置为可检测浓度下限值工质浓度高于时进入步骤4)发出报警消息。

泄漏工质浓度监控的同时同步进行压力、温度监控：通过内层壳体内部设置的压力和温度传感器，实时监控工质状态参数。设定正常工质蒸发和泄压而造成的压力P、温度T波动值，当压力P、温度T异常升高，超出设定的正常波动范围时(泄压阀失效或工质泄漏而降低真空绝热效果)，进入步骤4)发出报警信息。

4)泄漏工质浓度监控和压力、温度监控同时发出报警信息后，进入步骤5)，否则重复进行步骤3)的设备监控；

5).工质泄漏流量计算：

5.1)夹层容积计算：夹层容积V通过容器长度、内外层壳体外径、厚度几何参数计算。

5.2)泄漏工质浓度变化率计算：泄漏工质浓度变化率通过传感器检测数据计算。

5.3)工质泄漏流量通过夹层容积V和泄漏工质浓度变化率计算。

6).裂纹开口面积计算：裂纹开口面积COA按两相流体经小孔泄漏的流量计算方法计算，其中泄漏流量等于工质泄漏流量

7).裂纹长度计算：假定裂纹穿透后的形状为矩形，则裂纹高度等于内层壳体厚度t，裂纹长度L_C由矩形面积公式计算，其中矩形面积等于COA。

8)临界裂纹长度计算：临界裂纹长度L_Cr在已知初始裂纹尺寸a₀的条件下，通过J-a图或J-T图或EPRI工程法得到。

9).裂纹稳定性判别：考虑多裂纹同时存在的影响，以及一定的安全裕度，取安全系数为α(建议取值为5-10)，则裂纹稳定的判据应为：αL_C＜L_Cr，根据判据进行判定：

若αL_C＜L_Cr，则意味着在考虑安全系数的基础上，当前裂纹长度尚未达到临界裂纹长度，裂纹处于稳定扩展阶段。此时，可通过停车、泄压、转注等措施卸载，避免裂纹进一步扩展至失稳后引发爆裂。

若αL_C≥L_Cr，则意味着在考虑安全系数的基础上，当前裂纹长度已达到临界裂纹长度，裂纹处于失稳阶段，继续扩展，容器将很快因双端剪切而发生爆裂。此时，发出应急撤离报警信息。

Claims (8)

1.一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统，其特征在于，包括外层壳体(1)和设置于外层壳体(1)内的内层壳体(2)，外层壳体(1)和内层壳体(2)之间为真空夹层；

真空夹层内设置有若干工质浓度传感器；

在内层壳体(2)内设置有压力传感器(6)和温度传感器(7)；

若干工质浓度传感器、压力传感器和温度传感器连接监控主机(8)。

2.根据权利要求1所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统，其特征在于，若干工质浓度传感器包括低浓度区工质浓度传感器、中浓度区工质浓度传感器和高浓度区工质浓度传感器。

3.根据权利要求2所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统，其特征在于，低浓度区工质浓度传感器、中浓度区工质浓度传感器和高浓度区工质浓度传感器的检测范围相互衔接，或有部分重叠。

4.根据权利要求3所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统，其特征在于，三个浓度区的传感器监测范围有重叠时，在重叠范围内的监测数据以更高浓度区的传感器为准。

5.一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法，其特征在于，基于权利要求1至4中任一项所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测系统，包括以下步骤：

1)、初始参数输入至监控主机，包括：

低温容器几何参数：外层壳体的外径φ_o、厚度t_o、长度L_o；内层壳体的外径φ、厚度t、长度L；

低温容器材料力学性能参数：屈服强度σ_s、弹性模量E、断裂韧度K_IC；

工质状态参数：压力P、温度T；

初始裂纹尺寸a₀；

2)、采用监控主机对低温容器进行适用性评价：

2.1)厚度评价：容器内层壳体厚度应大于材料屈服极限对应的厚度，t＞PR_m/σ_s，式中R_m为内层壳体中径；

2.2)应力强度因子评价：穿透裂纹尖端的应力强度因子应小于材料的平面应力断裂韧度，K_I＜K_ⅠC；式中K_I为穿透裂纹尖端的应力强度因子，

如果所监测低温容器均满足2.1)和2.2)中的关系式，进行第3)步；

3)、在役设备监控：

泄漏工质浓度监控：工质浓度传感器报警值设置为可检测浓度下限值工质浓度传感器监测到工质浓度高于时进入步骤4)发出报警消息；

泄漏工质浓度监控的同时同步进行压力、温度监控：通过内层壳体内部设置的压力和温度传感器，实时监控工质状态参数，当压力P、温度T超出设定的正常波动范围时，进入步骤4)发出报警信息；

4)泄漏工质浓度监控和压力、温度监控同时发出报警信息后，进入步骤5)，否则重复步骤3)进行在役设备监控；

5)、工质泄漏流量计算：

5.1)夹层容积计算；

5.2)泄漏工质浓度变化率计算：泄漏工质浓度变化率通过传感器检测数据计算；

5.3)工质泄漏流量通过夹层容积V和泄漏工质浓度变化率计算；

6)、裂纹开口面积计算：裂纹开口面积COA按两相流体经小孔泄漏的流量计算方法计算，其中泄漏流量等于工质泄漏流量

7)、裂纹长度计算：假定裂纹穿透后的形状为矩形，则裂纹高度等于内层壳体厚度t，裂纹长度L_C由矩形面积公式计算，其中矩形面积等于COA；

8)、临界裂纹长度计算：临界裂纹长度L_Cr在已知初始裂纹尺寸a₀的条件下，通过J-a图或J-T图或EPRI工程法得到；

9)、裂纹稳定性判别：考虑多裂纹同时存在的影响，以及一定的安全裕度，取安全系数为α，则裂纹稳定的判据应为：αL_C＜L_Cr，根据判据进行判定：

若αL_C＜L_Cr，当前裂纹长度尚未达到临界裂纹长度，裂纹处于稳定扩展阶段；若αL_C≥L_Cr，当前裂纹长度已达到临界裂纹长度，裂纹处于失稳阶段。

6.根据权利要求5所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法，其特征在于，安全系数为α的取值为5-10。

7.根据权利要求5所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法，其特征在于，若αL_C＜L_Cr时，通过停车、泄压、转注措施卸载，避免裂纹进一步扩展至失稳后引发爆裂。

8.根据权利要求5所述的一种低温容器内层容器泄漏报警监测方法，其特征在于，若αL_C≥L_Cr时，发出应急撤离报警信息。