CN109030245A - 储油罐实验平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种储油罐实验平台及其控制方法，包括：储油罐主体，加热装置，增压注油泵装置，温度、压力检测装置，数据采集和控制装置，外围保护装置组成；试验罐分成上下两个部分，中间用法兰连接，采用组合密封；采用高速摄像机拍摄；罐体底部做一套加压设备，通过非火场实验罐体在多少压力下爆炸及在多少压力下的罐体最大临界形变量。本发明实验平台，本系统即为一个试验研究平台，基于大型储油罐的结构形式及爆炸作用特点，制作相应的缩尺模型，进行爆炸冲击试验研究，通过对试验模型破坏形态及相应的数据曲线变化特征的对比分析，研究不同结构形式的储油罐试验模型在爆炸作用下的失效破坏规律，为大型钢制储油罐结构的抗爆设计及安全防护奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验平台，具体的说，是涉及一种储油罐实验平台。
背景技术
储油罐是油库的重要设备，储存着大量易燃烧、易爆炸、易挥发、易流失的油品，一旦发生爆炸所造成的损失难以估计。随着油气储备量的增加，储油罐的规模和数量也大幅度地增加，由其引发的爆炸事故时有发生。因此，如何安全有效地管理储油罐、提高储油罐的安全可靠性，已是当前安全管理工作所面临的一个重大课题。
多数事故案例表明，爆炸产生的冲击波对储油罐结构具有相当大的破坏作用。如果爆炸发生在大型油库或储备基地，必定波及多个储罐遭受破坏，造成大量石油产品泄露并诱发连环爆炸。目前，国内外对大型钢制油罐结构抵抗爆炸破坏的研究比较滞后，相关成果十分有限且尚不成熟，为此，开展大型钢制储油罐结构在爆炸作用下的破坏机理及其抗爆防护研究，必将具有重要的科学价值和现实意义。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种检测不同结构形式的储油罐试验模型在爆炸作用下的失效破坏状态进行分析，大型钢制储油罐结构的抗爆设计及安全防护奠定基础的储油罐实验平台。
本发明所采取的技术方案是：
一种储油罐实验平台，
包括：储油罐主体，加热装置，增压注油泵装置，温度、压力检测装置，数据采集和控制装置，外围保护装置组成；
储油罐主体包括：下部罐体和上部罐体，分成上下两个部分，中间用法兰连接，采用组合密封；
下部罐体钢板厚度大于上部罐体钢板厚度；
加压采用自动加压；
采用高速摄像机拍摄；
罐体底部做一套加压设备。
所述油罐的尺寸按实际油罐的尺寸缩小到内容积在0.2m3的油罐；罐体内径为600mm，内腔高度为700mm。
所述油罐内加注的液体在400℃下不自燃。
数据采集包括顶部位移采集，使用红外测距设备，安装在油罐顶部上方；
应变测量设备，应变片贴在罐顶上，成米子分布；
温度测量使用的是热电偶，在内部和外部各有一个；
视频采集使用高速摄像机，在罐体一侧的观察窗外约一米处设定；
红外测距装置，温度测量系统是集成在控制台上。
在罐体上布置有检测仪器接口和实验控制接口；
控制装置有压力控制装置，温度控制装置，二者集成在控制台系统中，压力控制实质是对油泵的控制。
加热装置是铜制的线圈，设置在罐底，在通电状态下对罐内的液体进行加热。
外围保护装置为四面钢板，其中三面上设有观察窗，另一面设有用于进出的门。
上罐体包括上罐体筒体；
上罐体法兰设置在上罐体筒体的下部；
上罐体筒体的上部设置有环状上罐体支架；
上罐体支架的上方设置有上罐体顶盖。
上罐体顶盖通过上罐体支架与上罐体筒体相连接。
下罐体包括下罐体筒体；
下罐体法兰设置在下罐体筒体的上部；
下罐体筒体的下部设置有下罐体底部；
下罐体底部设置有通孔；
下罐体底部下方设置有导流套筒；
导流套筒上端与下罐体底部相连接；
加热器前端贯穿导流套筒和通孔深入下罐体内；
贯穿导流套筒的下部与加热器中部通过石墨垫片相连接；
石墨垫片为密封垫片；
穿导流套筒设置有排油管，排油管设置有排油直角法兰15；下罐体底部设置有进油口管，进油管设置有进油管直角法兰；下罐体底部设置有热电偶。
一种储油罐实验平台的控制方法，包括如下步骤：
启动加热再增压装置；
开始加热；
判断温度是否达到设定的数值时，压力是否失效；
如发生失效，则油罐上半罐体的焊缝处会首先开裂；
温度没有达到设定的温度值，压力失效；
关闭增压油泵、关闭加热装置；
实验终止；实验终止后，需泄压，回收油品，装置降温；
温度达到设定的温度值，压力没有失效；
实验相关设定；
开启激光、贴片检测和高速摄像：
进行压力传感器判别实验：
判断压力是否失效；
压力没有失效，继续注油增压；
压力失效，关闭增压油泵；
延迟关闭激光、贴片检测和高速摄像：
数据存储；
实验结束。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明储油罐实验平台，为一个试验研究平台，基于大型储油罐的结构形式及爆炸作用特点，制作相应的缩尺模型，进行爆炸冲击试验研究，通过对试验模型破坏形态及相应的数据曲线变化特征的对比分析，研究不同结构形式的储油罐试验模型在爆炸作用下的失效破坏规律，为大型钢制储油罐结构的抗爆设计及安全防护奠定基础。
附图说明
图1是本发储油罐明实验平台的控制流程示意图；
图2是本发储油罐明实验平台的主视结构示意图；
图3是图2的A-A剖视结构示意图；
图4是本发储油罐明实验平台的俯视结构示意图；
图5是本发储油罐明实验平台的下罐体的主视结构示意图；
图6是图5的C-C剖视结构示意图；
图7是本发储油罐明实验平台的下罐体的侧视结构示意图；
图8是本发储油罐明实验平台的上罐体的主视结构示意图；
图9是图8的B-B剖视结构示意图；
图10是图8的A的局部放大示意图。
附图中主要部件符号说明：
图中：
1、储油罐 2、防护罩
3、油盘 4、支撑架
5、扶梯 6、油箱
7、高压油管 8、油管
9、油管 10、地面
11、下罐体法兰 12、进油口直角法兰
13、热电偶 14、压力变送器
15、排油直角法兰 16、加热器
17、石墨垫片 18、下罐体底部
19、下罐体筒壁 20、导流套筒
21、上罐体法兰 22、上罐体筒体
23、上罐体支架 24、上罐体顶盖。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：
附图1-10可知，一种储油罐实验平台，
包括：储油罐主体1，加热装置，增压注油泵装置，温度、压力检测装置，数据采集和控制装置，外围保护装置组成；
油罐顶部设计成能够更换的易损件；
储油罐主体包括：下罐体和上罐体，分成上下两个部分，中间用法兰连接，采用组合密封；
密封为上下罐体分为公母口，中间加入铝制密封垫，在外部用螺丝紧固；
下罐体钢板厚度大于上部罐体钢板厚度；
上罐体钢板厚度可以根据实验要求进行调节，如可根据不同油罐设计分别制作为2.5mm，3mm，4mm，5mm，6mm，下部钢板厚度是：10mm。
上罐体通过上罐体法兰21与下罐体的下罐体法兰11相连接；
上罐体包括上罐体筒体22；
上罐体法兰21设置在上罐体筒体22的下部；
上罐体筒体22的上部设置有环状上罐体支架23；
上罐体支架23的上方设置有上罐体顶盖24。
上罐体顶盖24通过上罐体支架23与上罐体筒体22相连接。
下罐体包括下罐体筒体19；
下罐体法兰11设置在下罐体筒体19的上部；
下罐体筒体19的下部设置有下罐体底部18；
下罐体底部18设置有通孔；
下罐体底部18下方设置有导流套筒20；
导流套筒20上端与下罐体底部18相连接；
加热器16前端贯穿导流套筒20和通孔深入下罐体内；
贯穿导流套筒20的下部与加热器中部通过石墨垫片17相连接；
石墨垫片17为密封垫片；
穿导流套筒20设置有排油管，排油管设置有排油直角法兰15；
下罐体底部18设置有进油口管，进油管设置有进油管直角法兰12；
下罐体底部18设置有热电偶13。
罐体加压采用自动加压；
采用高速摄像机拍摄；
罐体底部做一套加压设备。
所述油罐的尺寸按实际油罐的尺寸缩小到内容积在0.2m3的油罐；罐体内径为600mm，内腔高度为700mm。
所述油罐内加注的液体在400℃下不自燃。
数据采集包括顶部位移采集，使用红外测距设备，安装在油罐顶部上方；
应变测量设备，应变片贴在罐顶上，成米子分布；
温度测量使用的是热电偶，在内部和外部各有一个；
视频采集使用高速摄像机，在罐体一侧的观察窗外约一米处设定；
红外测距装置，温度测量系统是集成在控制台上。应变和视频需另设电脑进行操控。
在罐体上布置有检测仪器接口和实验控制接口；
控制装置有压力控制装置，温度控制装置，二者集成在控制台系统中，压力控制实质是对油泵的控制。
加热装置是铜制的线圈，设置在罐底，在通电状态下对罐内的液体进行加热。
外围保护装置为四面钢板，其中三面上设有观察窗，另一面设有用于进出的门。
设置依据是在爆炸时会有大量油品写泄漏，为了节省油品，同时保证周边人员和设备安全，特别在四周设立用于保护的钢板。
一种储油罐实验平台的控制方法，包括如下步骤：
启动加热再增压装置；
开始加热；
判断温度是否达到设定的数值时，压力是否失效；
如发生失效，则油罐上半罐体的焊缝处会首先开裂；
温度没有达到设定的温度值，压力失效；
关闭增压油泵、关闭加热装置；
实验终止；实验终止后，需泄压，回收油品，装置降温；
温度达到设定的温度值，压力没有失效；
实验相关设定；
开启激光、贴片检测和高速摄像：
高速摄像机自行架设，使用相关软件，在电脑上录制实验视频，应变仪则是通过开启专用的应变检测仪，并在电脑上控制，激光检测和温度控制，监测是同一套系统，在操作台上控制。
进行压力传感器判别实验：
判断压力是否失效；
压力没有失效，继续注油增压；
压力失效，关闭增压油泵；
延迟关闭激光、贴片检测和高速摄像：
数据存储；
实验结束。
本发明储油罐实验平台，本系统即为一个试验研究平台，基于大型储油罐的结构形式及爆炸作用特点，制作相应的缩尺模型，进行爆炸冲击试验研究，通过对试验模型破坏形态及相应的数据曲线变化特征的对比分析，研究不同结构形式的储油罐试验模型在爆炸作用下的失效破坏规律，为大型钢制储油罐结构的抗爆设计及安全防护奠定基础。
本发明储油罐实验平台，真实模拟储油罐在失效时试验场景，油罐的尺寸按实际油罐的尺寸缩小到内容积在0.2m3的小油罐。油罐顶部设计成可更换的易损件，在每次实验结束只需要更换油罐顶部就可继续做实验。油罐内加注的液体选用在400℃下不得自燃。加热方式可采用电加热。爆炸罐周围做好防护措施，防止飞溅。实验过程中采用高速摄像机拍摄，做好相应的起停控制。爆炸罐须有压力(压力要考虑罐体顶部不同厚度所需要的爆炸压力，实验中Q345钢板的厚度及Q345钢板焊缝)，温度检测。罐体底部做一套加压设备，先可通过非火场确定实验罐体在多少压力下爆炸及在多少压力下的罐体最大临界形变量，加压采用自动加压，压力小于罐体最大临界形变量的压力。
实验系统主要由储油罐主体，加热装置，增压注油泵装置，温度、压力检测装置，数据采集和控制装置，外围保护装置等部分组成，通过模拟各种油类在不同强度的储油罐内受热施压发生的罐体爆破和油品燃烧爆炸实验，监测过程数据并进行采集处理，采集数据包括温度、压力变化曲线，罐体顶部形变量检测，以及罐体变形爆炸实验过程的高速摄像记录。
通过对试验模型破坏形态及相应的数据曲线变化特征的对比分析，研究不同强度结构的储油罐试验模型在爆炸作用下的失效破坏规律，通过模拟储油罐在火灾中的爆炸情况，研究其爆炸特性，并对储油罐爆炸火灾现场的安全指挥和处置方法进行总结研究。
1、设计依据及分析
试验平台主要由固定试验平台、试验部分、防护部分、加压部分、电器控制部分、试验数据采集部分、监控部分等组成。在试验部分设计时，充分考虑不同强度结构的储油罐试验模型在爆炸作用下的失效破坏规律，让试验更贴近真实。
a、建模分析
实验储油罐是基于大型储油罐的结构形式及爆炸作用特点，制作的相应的缩尺模型。试验罐分成上下两个部分，中间用法兰连接，采用组合密封，罐体下部采用较厚钢板制成，并安装有压力、温度、进出油及加热等元器件，在每次试验实验过程中不能有破坏。上罐体部分尽最大程度接近真实情况，通过每次试验造成破坏后的失效规律，来研究油罐的失效破坏规律。
建模分析具体如下：
⑴0.5Mpa下设计的试验装置受力分布情况及受力下的各个部位的形变情况。
⑵1Mpa下设计的试验装置受力分布情况及受力下的各个部位的形变情况。
⑶2Mpa下设计的试验装置受力分布情况及受力下的各个部位的形变情况。
根据现有实验，油罐实验平台中发生撕裂时，2mm焊缝，2.5mm罐壁的实验罐所受压力基本在5Mpa左右，如为4mm焊缝，6mm罐壁，其撕裂压力达到约7Mpa；2Mpa时有些变形，但不会出现撕裂情况。
通过以上的设计分析，本次设计的试验装置符合我们的试验要求及试验目的。为此，我们对试验装置做了初步设计。试验平台主要由固定试验平台、试验部分、防护部分、加压部分、电器控制部分、试验数据采集部分、监控部分等组成。
b、设计示意图
2、系统原理示意图
a、储油罐系统
实验储油罐是基于大型储油罐的结构形式及爆炸作用特点，制作的相应的缩尺模型，实验储油罐按照真实油罐缩小到容积为0.2m3，其中罐体内径为600mm，内腔高度为700mm。
储油罐分成上下两个部分，中间用法兰连接，采用组合密封，罐体上部采用不同厚度的钢板制成，实验过程造成破坏后进行更换。罐体底部为能承受所有实验压力和温度的高强结构，在实验过程中不变形、不损坏。
在罐体上布置有各种检测仪器接口，和实验控制接口。
整个储油罐材料采用的是Q345R(16MnR)锅炉和压力容器用钢。
b、电器系统
系统说明：
系统采用上位HMI搭载PLC控制系统。HMI实现在炉体温度、压力等的数据显示及储存，PLC实现外围传感器信号的采集及外围执行器件的控制。
系统采用超高速摄像机完成试验过程的图像的记录，已供完成后续分析教学的资料依据.
C、介质油物理特性：
抗燃油主要应用于冶金.机械军工的行业高温高压.液压润滑系统，还可推广到其它高温热源或明火附近工作的液压系统。ZR-881-G抗燃油主要应用于300MW以上大型发电机组的EH系统，是一种保障发电机组安全运行的可靠的工作介质。其具有良好的润滑性和抗磨性，主要技术指标等同优于进口油品，目前已在全国大部分电厂主要机组应用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种储油罐实验平台，其特征在于，
包括：储油罐主体，加热装置，增压注油泵装置，温度、压力检测装置，数据采集和控制装置，外围保护装置组成；
储油罐主体包括：下部罐体和上部罐体，分成上下两个部分，中间用法兰连接，采用组合密封；
下部罐体钢板厚度大于上部罐体钢板厚度；
加压采用自动加压；
采用高速摄像机拍摄；
罐体底部做一套加压设备。
2.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：所述油罐的尺寸按实际油罐的尺寸缩小到内容积在0.2m3的油罐；罐体内径为600mm，内腔高度为700mm。
3.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：所述油罐内加注的液体在400℃下不自燃。
4.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：
数据采集包括顶部位移采集，使用红外测距设备，安装在油罐顶部上方；
应变测量设备，应变片贴在罐顶上，成米子分布；
温度测量使用的是热电偶，在内部和外部各有一个；
视频采集使用高速摄像机，在罐体一侧的观察窗外约一米处设定；
红外测距装置，温度测量系统是集成在控制台上。
5.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：
在罐体上布置有检测仪器接口和实验控制接口；
控制装置有压力控制装置，温度控制装置，二者集成在控制台系统中，压力控制实质是对油泵的控制。
6.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：
加热装置是铜制的线圈，设置在罐底，在通电状态下对罐内的液体进行加热。
7.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：
外围保护装置为四面钢板，其中三面上设有观察窗，另一面设有用于进出的门。
8.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：
上罐体包括上罐体筒体；
上罐体法兰设置在上罐体筒体的下部；
上罐体筒体的上部设置有环状上罐体支架；
上罐体支架的上方设置有上罐体顶盖。
上罐体顶盖通过上罐体支架与上罐体筒体相连接。
9.根据权利要求1所述储油罐实验平台，其特征在于：
下罐体包括下罐体筒体；
下罐体法兰设置在下罐体筒体的上部；
下罐体筒体的下部设置有下罐体底部；
下罐体底部设置有通孔；
下罐体底部下方设置有导流套筒；
导流套筒上端与下罐体底部相连接；
加热器前端贯穿导流套筒和通孔深入下罐体内；
贯穿导流套筒的下部与加热器中部通过石墨垫片相连接；
石墨垫片为密封垫片；
穿导流套筒设置有排油管，排油管设置有排油直角法兰15；
下罐体底部设置有进油口管，进油管设置有进油管直角法兰；
下罐体底部设置有热电偶。
10.一种权利要求1至9任意一项所述的储油罐实验平台的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
启动加热再增压装置；
开始加热；
判断温度是否达到设定的数值时，压力是否失效；
如发生失效，则油罐上半罐体的焊缝处会首先开裂；
温度没有达到设定的温度值，压力失效；
关闭增压油泵、关闭加热装置；
实验终止；实验终止后，需泄压，回收油品，装置降温；
温度达到设定的温度值，压力没有失效；
实验相关设定；
开启激光、贴片检测和高速摄像：
进行压力传感器判别实验：
判断压力是否失效；
压力没有失效，继续注油增压；
压力失效，关闭增压油泵；
延迟关闭激光、贴片检测和高速摄像：
数据存储；
实验结束。
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