CN109060399A - 泄漏诱发高压储罐冷bleve的实验系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的一种泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，包括由储罐及其下方支架构成的实验主体装置，储罐分别连接抽真空与补水系统、监测系统和爆破片；数据采集系统位于储罐外并通过导线连接监测系统，抽真空与补水系统通过导线连接控制系统，采用上述系统进行泄漏诱发高压储罐冷BLEVE规律测试，其方法简单有效。本发明所述的有益效果为：可研究在机械打击情形下在储罐不同位置产生裂口而导致超压的情形，监测内部温度和压力变化，并可以满足改变初始压力、裂口位置、液位以及裂口大小这四个变量，研究多因素耦合情况下对BLEVE的发展的影响，并判断造成BLEVE超压最严重时的工况，此外，还可研究次生超压或机械打击作用导致容器二次裂口情况下BLEVE的演变。
Description
技术领域
本发明涉及一种泄漏诱发储罐沸腾液体膨胀蒸气爆炸效应测试装置，以及采用该测试装置的泄漏诱发储罐沸腾液体膨胀蒸气爆炸效应测试系统。
背景技术
各类压力容器爆炸的原因多种多样，其中沸腾液体膨胀蒸气爆炸引发储罐爆炸(Boiling liquid expanding vapor explosion,BLEVE)现象是物理爆炸中最典型的一种。其发生的本质其实就是气液相共存状态的高压容器，由于外界机械打击或热辐射等原因产生裂口，瞬态的压降导致罐内液体到达过热极限而迅速气化，从而使内部物质过热迅速爆炸性沸腾，容器内大量蒸气及很高动能两相流体的超压作用导致储罐发生爆炸。BLEVE具有极大的破坏性，常常伴随着毁坏容器并将容器撕成碎片的冲击波，且高速抛射容器碎片对一定范围内建筑物、设施及人员造成严重伤害，甚至引发二次事故。因此，高压储罐BLEVE发生机理及灾害防治过程的基础技术问题被广泛研究。
国内外学者探究压力容器内部各参数（如初始压力、液位、开口大小、热分层）对BLEVE发展过程的影响，但是着重于单一因素的作用机制研究，缺少对多因素耦合对储罐BLEVE影响作用分析，且缺乏对机械打击作用导致储罐不同位置裂口对BLEVE发生过程的影响研究，及BLEVE次生超压或机械打击作用导致容器二次裂口的作用机理研究。
发明内容
目前，关于储罐BLEVE泄压过程的研究大都是探究液位、裂口大小、过热度、液相分层度等单因素对泄压过程的影响。为解决上述技术问题，本发明提供了一种可以全面测试储罐裂口大小、初始压力、液位、裂口位置等多因素耦合对BLEVE影响的系统与方法，可确定造成BLEVE后果最严重的情形，并可研究冷BLEVE事故中储罐不同位置产生裂口对BLEVE泄压过程的影响。此外，还可以研究二次裂口对冷BLEVE发展的影响，并可对引发BLEVE的参数临界量（临界液位、临界过热度）系统定量研究。
本发明所述的一种泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，其采用的技术方案为：包括抽真空与补水系统、实验主体装置、爆破片、监测系统、控制系统及数据采集系统，所述实验主体装置包括储罐和设在所述储罐下方的支架，所述抽真空与补水系统、监测系统、爆破片分别与储罐连接；数据采集系统位于储罐外并通过导线连接监测系统，所述抽真空与补水系统、爆破系统、数据采集系统分别通过导线与所述控制系统连接。
优选的，所述储罐前侧壁从上至下等距设有观察窗，所述储罐顶部开设有圆孔，所述圆孔上覆有耐压玻璃，所述玻璃上方设有LED灯，所述LED灯通过导线与控制系统连接，所述储罐内底部设有加热棒。
优选的，所述抽真空与补水系统包括水环真空泵、系统补水口、自动控制加水/真空阀、主管线、真空管和进水管，所述水环真空泵和系统补水口分别对应连接真空管和进水管，所述储罐顶部设有单相补水及真空阀口、排空阀口，所述排空阀口通过排空管连接安全排空阀，单相补水及真空阀口与主管线连接，所述主管线、真空管和进水管三者通过三通连接，所述真空管和进水管上分别安装有手动真空控制阀和手动补水控制阀，所述主管线上安装有自动控制加水/真空阀，所述自动控制加水/真空阀及安全排空阀分别通过导线与控制系统连接。
优选的，所述储罐顶部及右侧壁上分别设有爆破片口，所述爆破口数量大于两个，其中任意一个或任意两个爆破口对应连接爆破片；爆破片最多安装两个，设有多个爆破片口可方便调整爆破口的位置，以研究不同泄漏位置对BLEVE影响（多因素耦合中有泄漏位置这一因素）。
优选的，所述监测系统包括压力变送器和铠装热电偶，所述储罐的顶部及侧壁上分别设有压力变送器口，每个压力变送器口分别对应连接一个压力变送器，所述储罐底部还开设有排液口、热电偶口和加热棒口，所述铠装热电偶和电加热棒均位于储罐内并与热电偶口、加热棒口对应连接，所述压力变送器、铠装热电偶分别通过导线与数据采集系统连接，所述储罐底部设有与排液口连接的排泄管，所述排泄管上设有自动排泄阀，所述自动排泄阀与控制系统连接。
研究多因素耦合（泄漏位置、初始过热度、液位和裂口大小）对BLEVE的影响，采用上述实验系统进行测试的方法,测试方法，其步骤如下，
1）根据实验需要，选择一个裂口位置，安装爆破片，爆破片的口径根据实验选定；
2）对储罐进行抽真空，并加水至实验所需液位；
3）对储罐进行加压操作，使储罐中液体达到实验所需的加压状态；
4）待压力接近爆破片的爆破压力时，打开数据采集系统及高速摄影，开始采集数据和拍摄，容器内部压力达到爆破片的爆破压力后自动打开；
5）当裂口停止排出介质或者排出的介质很少时，视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集及高速摄影；
6）排放容器内部液体；
7）关闭电源；
8）根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图片，分析数据；
9）卸下爆破片，安装上旋塞。
研究次生超压或机械打击作用导致容器二次裂口情况下BLEVE的演变时，采用上述实验系统进行测试的方法，其步骤如下，
1）选择实验需要的两个裂口位置，分别安装爆破片，两个爆破片爆破压力接近；
2）对储罐进行抽真空与加水；
3）对储罐进行加压操作，使储罐中液体达到实验所需的加压状态；
4）待压力接近爆破压力较低的爆破片的爆破压力时，打开数据采集系统及高速摄影，开始采集数据和拍摄，容器内部压力达到爆破压力较低的爆破片的爆破压力后，第一个爆破片自动打开，由于BLEVE产生的超压，紧接着另一个爆破片也会相继打开；
5）当裂口停止排出介质或者排出的介质很少时，视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集及高速摄影；
6）排放容器内部液体；
7）关闭电源；
8）根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图片，分析数据；
9）卸下爆破片，安装上旋塞。
本发明所述的有益效果为：
1、本装置在储罐的侧壁安装了多处爆破口，包括气相和液相部分，可以模拟机械打击等情形下在储罐不同位置产生裂口而导致超压的情形，并可检测内部温度和压力变化，加压系统通过抽真空系统与电加热棒内部接触加热实现，热功率为2.5kW，调节真空度及加热时间以达到实验所需的高压状态；高速摄影设在实验室内，正对着储罐侧壁玻璃，可观察内部气泡及两相层的变化，并可综合分析多因素耦合（液位、初始压力、开口大小、开口位置）对BLEVE的影响；
2、在实际工业储罐的储存中，会在储罐上安装爆破片或安全阀，本装置可以研究储罐不同位置产生裂口对超压影响,还可研究由于BLEVE超压或机械打击引发二次裂口的情况下BLEVE的发展；
3、本装置在容器顶部中心安装LED灯照明孔，照亮容器内部，以更清楚地观察内部气泡和两相层的发展；
4、设计了抽真空及补水气动控制阀，通过三通管实现抽真空和加水，以保证实验过程中容器内部只有水的气液两态，不含空气，且进水（抽真空）口与进水（抽真空）主管线通过真空卡箍相连接，保证了密封性；
5、容器顶部压力变送器与安全排空阀联动（也可随时通过控制柜手动排空），以防容器超压，造成事故。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明主视结构示意图。
图2是储罐底部结构示意图。
图3是储罐顶部结构示意图。
图4是照明灯开孔示意图。
图5是实验因素及水平表。
图6 是多因素耦合下BLEVE过程压力演化规律记录表。
其中：1- 储罐，10-排空阀口，11-观察窗，12-LED灯，13-单相补水及真空阀口，14-自动控制加水/真空阀，15-主管线，16-爆破片口，17-加热棒口，18-排液口，19-热电偶口，2-支架，20-电加热棒，21-压力变送器口，3-水环真空泵，31-真空管，32-手动真空控制阀，4-系统补水口， 41-进水管，42-手动补水控制阀,5-爆破片，6-压力变送器，7-铠装热电偶，8-排泄管，9-自动排泄阀。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明所述的一种泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，包括抽真空与补水系统、实验主体装置、爆破片、监测系统、控制系统及数据采集系统，所述实验主体装置包括储罐1以及安装在其下方的支架2；所述储罐1为尺寸150mm×150mm×772mm的方形不锈钢非标储罐，其内容积为17L，最大耐压2.4MPa，耐温200℃；所述储罐1的前侧壁从上至下等距设有观察窗11，通过观察窗可以分别观测到容器20%±12%、50%±12%、80±12%高度范围的内部气泡及两相流的变化；所述储罐1的顶部开设有圆孔，圆孔上覆有耐压玻璃，所述耐压玻璃上方设有LED灯12，LED灯由控制系统控制开关，可以照亮容器内部，更清楚地观察内部气泡及两相流的变化。
所述抽真空与补水系统包括水环真空泵3、系统补水口4、主管线15、真空管31、进水管41、自动控制加水/真空阀14，所述水环真空泵3和系统补水口4分别对应连接真空管31和进水管41，所述储罐1的顶部设有单相补水及真空阀口13、排空阀口10，单相补水及真空阀口13通过主管线15连接自动控制加水/真空阀14，自动控制加水/真空阀既用作抽真空口，又来用作加水口；所述排空阀口10通过排空管连接安全排空阀，本实施中，安全排空阀与自动控制加水/真空阀重合，因此安全排空阀未在图1中显示；所述主管线15、真空管31和进水管41三者通过三通连接，所述真空管31和进水管41上分别安装有手动真空控制阀32和手动补水控制阀42。
所述爆破系统包括6个爆破片5，所述储罐顶部及右侧壁分别设有爆破片口16，每个爆破片口对应连接一个爆破片，侧壁上的爆破片分别安装在储罐的10%、30%、50%、70%及90%的高度，当容器内部压力达到其设计压力值便会自动泄放，不同裂口大小可以通过定制不同口径大小的爆破片来实现。
所述监测系统包括压力变送器6和铠装热电偶7，用以监测容器内部压力和温度的变化；本实施例中采用HM90型高频压力变送器（测压范围0-2MPa），所述储罐的顶部及侧壁上分别设有压力变送器口17，5个压力变送器分别分布在储罐的顶部以及侧壁30%、50%、70%、90%高度处，用以测量泄压过程中的容器内部的压力响应，且压力变送器的电缆线外部包有绝热胶布，以防止外界高温对线路造成损坏；所述储罐1的底部还开设有排液口18、热电偶口19和加热棒口17，电加热棒20设在储罐内部并与加热棒口17连接，通过抽真空系统与电加热棒内部接触加热实现系统加压，热功率为2.5kW，调节真空度及加热时间以达到实验所需的高压状态；不同长度的K型热电偶成束从容器底部插入，用于测量不同高度介质的温度响应；所述压力变送器、铠装热电偶分别通过导线与位于储罐外的数据采集系统连接；所述储罐底部设有与排液口连接的排泄管8，所述排泄管8上设有自动排泄阀9。
控制系统用于抽真空控制、加水控制、自动安全排空及动力系统控制；抽真空与加水系统的控制如前所述，自动排空阀与顶部压力变送器联锁，当压力达到一定限值时，安全排空阀接受压力变送器给予的信号后自动打开，当压力回到一定值时，阀门重新关闭；动力系统包括空压机，其独立于储罐外，空压机通过气管连接于各个气动球阀（包括自动控制加水/真空阀，安全排空阀，自动排泄阀），为各个气动球阀提供动力，为使附图简洁，图1中未显示空压机；控制系统控制自动控制加水/真空阀、排空阀、排泄阀及照明灯、水环真空泵、空压机的开/关。
进水管和系统补水口、排空管和排空口、排泄管和排液口分别通过真空卡箍连接，以保证加水、排气、排水的密封性，不泄漏。
实施例1
研究单裂口情况下，多因素耦合（泄漏位置、初始过热度、液位和裂口大小）对BLEVE的影响，进行泄漏诱发高压储罐冷BLEVE规律测试的操作方法，其步骤如下：
1）安装爆破片：根据实验需要，选择其中一个裂口位置，安装爆破片，本装置爆破片夹持器与储罐壁通过螺纹口连接，爆破片的口径根据实验需求定制，其余爆破片口用旋塞堵住；
2）抽真空与加水：
（1）打开空压机开关，控制系统控制空压机开始工作；
（2）手动打开真空控制阀、关闭补水控制阀；
（3）打开自动控制加水/真空阀进行抽真空操作；
（4）待抽真空操作结束后，手动关闭真空控制阀、打开补水控制阀进行加水操作；
（5）待液位到达实验所需求的液位后，先关闭自动控制加水/真空阀按钮，再关闭手动补水控制阀；
3）打开电加热棒，使储罐中液体达到实验所需的加压状态；
4）当压力接近爆破片的爆破压力时，打开数据采集系统及高速摄影（频率设为500帧每秒），开始采集数据和拍摄；数据采集系统采用美国安捷伦U2331A型多通道数据采集模块同步采集数据，采样率可高达单通道3MSa/s，多通道1MSa/s，分辨率为12bit；高速摄影机位于储罐外对着正面的玻璃窗进行拍摄；当压力达到爆破片爆破压力时，爆破片自动打开；
5）当裂口停止排出介质或者排出的介质很少时，视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集及高速摄影；
6）打开控制柜自动排泄按钮，容器底部的气动球阀自动打开，排出容器内部液体，待容器内部液体排尽，关闭球阀；
7）关闭空压机，关闭电源；
8）根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图片，分析数据；
9）卸下爆破片，安装上旋塞。
本装置可以综合研究介质初始过热度（即初始压力）、液位、裂口大小及开口位置对BLEVE的影响，判断各个因素对BLEVE的影响程度，以及导致BLEVE超压最严重的情况；由于每个因素的水平数较多，可采用正交实验（拟水平）的方法简化实验；由于开口位置的水平数与其余3个因素不同，所以采用拟水平法，缺少的水平用气相代替，详见图5，图5中过热度是指压力泄放前过热水的初始温度与水的常压沸点，即与100℃之差；实验记录表见图6，图6中Pmax为泄压后的第一个压力峰值，Pi为爆破片设定的初始爆破压力，△trise是压力上升的时间，△Prise=Pmax-Pi，为相对压力上升值，1’表示用水平1代替缺失的水平4。
实施例2
研究次生超压或机械打击作用导致容器二次裂口情况下BLEVE的演变时，其操作方法步骤如下：
1）安装爆破片：选取两个爆破压力分别为a MPa和b MPa（a略小于b）的爆破片，口径均为40mm，选择90%高度和顶部的裂口位置，安装爆破片，其余爆破片口用旋塞堵住；
2）抽真空与加水：
（1）打开空压机开关，控制系统控制空压机开始工作；
（2）手动打开真空控制阀、关闭补水控制阀；
（3）打开自动控制加水/真空阀进行抽真空操作；
（4）待抽真空操作结束后，手动关闭真空控制阀、打开补水控制阀进行加水操作；
（5）待液位到达实验所需求的液位后，先关闭自动控制加水/真空阀按钮，再关闭手动补水控制阀；
3）打开电加热棒，使储罐中液体达到实验所需的加压状态；
4）待压力接近爆破片的爆破压力aMPa时，打开数据采集系统及高速摄影（频率设为500帧每秒），开始采集数据和拍摄；数据采集系统采用美国安捷伦U2331A型多通道数据采集模块同步采集数据，采样率可高达单通道3MSa/s，多通道1MSa/s，分辨率为12bit；高速摄影机位于储罐外对着正面的玻璃窗进行拍摄，容器内部压力达到爆破片的爆破压力（a MPa）后自动打开，由于压力骤降会导致液体过热沸腾并产生超压，若超压高于b MPa，则顶部的爆破片也会打开；
5）当裂口停止排出介质或者排出的介质很少时，视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集及高速摄影；
6）打开控制柜自动排泄按钮，容器底部的气动球阀自动打开，排出容器内部液体，待容器内部液体排尽，关闭球阀；
7）关闭空压机，关闭电源；
8）根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图片，分析数据；
9）卸下爆破片，安装上旋塞。
在实际工业储罐的储存中，会在储罐上安装爆破片或安全阀，初次打击导致了BLEVE的发生，如果由于内部BLEVE引发的超压导致爆破片或安全阀打开，这就形成了二次裂口，即由于机械打击导致了二次裂口。本装置还可以研究在BLEVE超压引发二次裂口(或是碎片二次打击导致二次裂口)的情况下BLEVE的发展。
如附图1，当容器内液位为50%时，选用顶部和高度为90%处的爆破片，其余几处爆破片用旋塞堵住，90%处爆破片的设定压力比顶部处略低；当加热导致内部压力达到90%处爆破片的设定压力后，爆破片瞬间打开，若选取初始爆破压力和爆破片口口径足够大，则内部会产生高于初始爆破压力的超压值，此时顶部的爆破片会打开，通过高速摄影观察该过程内部气泡、两相层及压力的变化。
本装置可研究在机械打击情形下在储罐不同位置产生裂口而导致超压的情形，监测内部温度和压力变化，并可以满足改变过热度、裂口位置、液位以及裂口大小（通过安装不同口径的爆破片实现）这几个变量，研究多因素耦合情况下对BLEVE的发展的影响，并判断造成BLEVE超压最严重时的工况。
通过改变液位以及过热水气相的初始压力，探究能造成BLEVE超压的临界液位和临界过热度，同时容器多处爆破片的设置可研究二次裂口对BLEVE发展过程的影响，高速摄影透过玻璃窗可观察内部气泡及两相层的变化。
以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，其特征在于，包括抽真空与补水系统、实验主体装置、爆破片、监测系统、控制系统及数据采集系统，所述实验主体装置包括储罐和设在所述储罐下方的支架，所述抽真空与补水系统、监测系统、爆破片分别与储罐连接；数据采集系统位于储罐外并通过导线连接监测系统，所述抽真空与补水系统通过导线连接所述控制系统。
2.根据权利要求1所述的泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，其特征在于，所述储罐前侧壁从上至下等距设有观察窗，所述储罐顶部开设有圆孔，所述圆孔上覆有耐压玻璃，所述玻璃上方设有LED灯，所述LED灯通过导线与控制系统连接，所述储罐内底部设有加热棒。
3.根据权利要求1所述的泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，其特征在于，所述抽真空与补水系统包括水环真空泵、系统补水口、自动控制加水/真空阀、主管线、真空管和进水管，所述水环真空泵和系统补水口分别对应连接真空管和进水管，所述储罐顶部设有单相补水及真空阀口、排空阀口，所述排空阀口通过排空管连接安全排空阀，单相补水及真空阀口与主管线连接，所述主管线、真空管和进水管三者通过三通连接，所述真空管和进水管上分别安装有手动真空控制阀和手动补水控制阀，所述主管线上安装有自动控制加水/真空阀，所述自动控制加水/真空阀及安全排空阀分别通过导线与控制系统连接。
4.根据权利要求1所述的泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，其特征在于，所述储罐顶部及右侧壁上分别设有爆破片口，所述爆破口数量大于两个，其中任意一个或任意两个爆破口对应连接爆破片，其余爆破片口用旋塞堵住。
5.根据权利要求1所述的泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统，其特征在于，所述监测系统包括压力变送器和铠装热电偶，所述储罐的顶部及侧壁上分别设有压力变送器口，每个压力变送器口分别对应连接一个压力变送器，所述储罐底部设有排液口、热电偶口和加热棒口，所述铠装热电偶和电加热棒均位于储罐内并与热电偶口、加热棒口对应连接，所述压力变送器、铠装热电偶分别通过导线与数据采集系统连接，所述储罐底部设有与排液口连接的排泄管，所述排泄管上设有自动排泄阀，所述自动排泄阀与控制系统连接。
6.采用权利要求1-5任一项所述的泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统进行测试的方法，其步骤如下，
1) 根据实验需要，选择一个裂口位置，安装爆破片，爆破片的口径根据实验选定；
2）对储罐进行抽真空与加水；
3）对储罐进行加压操作，使储罐中液体达到实验所需的加压状态；
4）待压力接近爆破片的爆破压力时，打开数据采集系统及高速摄影，开始采集数据和拍摄，容器内部压力达到爆破片的爆破压力后自动打开；
5）当裂口停止排出介质或者排出的介质很少时，视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集及高速摄影；
6）排放容器内部液体；
7）关闭电源；
8）根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图片，分析数据；
9）卸下爆破片，安装上旋塞。
7.采用权利要求1-5任一项所述的泄漏诱发高压储罐冷BLEVE的实验系统进行测试的方法，其步骤如下，
1）选择实验需要的两个裂口位置，分别安装爆破片，两个爆破片爆破压力接近；
2）对储罐进行抽真空与加水；
3）对储罐进行加压操作，使储罐中液体达到实验所需的加压状态；
4）待压力接近爆破压力较低的爆破片的爆破压力时，打开数据采集系统及高速摄影，开始采集数据和拍摄，容器内部压力达到爆破压力较低的爆破片的爆破压力后，第一个爆破片自动打开，由于BLEVE产生的超压，紧接着另一个爆破片也会相继打开；
5）当裂口停止排出介质或者排出的介质很少时，视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集及高速摄影；
6）排放容器内部液体；
7）关闭电源；
8）根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图片，分析数据；
9）卸下爆破片，安装上旋塞。
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