CN109708982B - 火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台及方法是一种对储罐的力学以及热力学相关的破坏作用进行分析的实验平台及其实验方法。包括储罐模型、支架、辐射式电加热装置、实验测量采集系统和爆炸冲击波发生装置；储罐模型安装在支架上；辐射式电加热装置为独立的部分；实验测量采集系统包括高速摄像仪、箔式电阻应变片、热电偶、压力传感器、激光位移传感器和数据采集器；所述爆炸冲击波发生装置包括药柱、雷管和引爆器，所述药柱采用TNT药柱；在储罐模型上部还开有注水口。可针对特定几何形状、材质的模型进行实验研究，具有普遍的适用性；实验参数调控简便，模拟在储罐不同油品充液高度状况不同位置发生爆炸的实验模拟研究。
Description
技术领域
本发明火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台及方法是一种钢制储罐在外部火灾、内部液态油品汽化加压以及内部油品蒸汽燃爆等多灾种耦合作用下，对储罐的力学以及热力学相关的破坏作用进行分析的实验平台及其实验方法。
背景技术
随着液化石油气、天然气使用的日益广泛，大型油库、油气罐区越来越多。罐区内火灾、爆炸等事故引发事故扩展的情况时有发生，从而导致火灾热辐射和爆炸冲击波多灾种同时作用于邻近储罐，其产生的影响比单灾种情况下的事故后果严重得多，故对储罐在多灾种耦合状况下引发的事故研究十分有必要。
然而目前实验研究人员所采用的实验装置平台功能单一，大多只能对单一事故状况下储罐的受破坏作用进行分析，不能够满足对于多灾种耦合状况的模拟研究。
由于火灾等外部因素而导致的储罐受热失效甚至发生爆炸的事故也时有发生，但因为针对储罐爆炸破坏的实验模拟有相当的危险性与难度，故目前普遍采用的基于储罐尺寸以及其他实体参数的比例尺寸模拟实验方法也是一种比较科学、安全、经济、合理的实验设计方法。在以前的实验设计中，我们往往过多关注了外界因素如热辐射对于储罐力学性能的破坏作用，而可能忽视了内部液态油品加压或者油品蒸汽发生燃爆对于罐壁的破坏。
考查参照目前国际上的相关实验装置平台，发现大都不能满足着重对于多灾种耦合模拟的实验要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐模型破坏实验平台及方法，可同时模拟外部热辐射、液态油品汽化加压以及内部油品蒸汽燃爆的场景，并且能够实时依据温度测量系统的反馈，研究在储罐模型达到不同温度条件下，内部油品蒸汽燃爆对于储罐罐壁破坏的作用；也可以满足实验研究者对不同材质的储罐模型在不同的温升速率下储罐罐壁的多项力学性能研究的需求。
本发明是采取以下技术方案实现的：
火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，包括储罐模型、支架、辐射式电加热装置、实验测量采集系统和爆炸冲击波发生装置；储罐模型安装在支架上；所述储罐模型是带有顶盖的中空立体容器；
辐射式电加热装置为独立的部分，辐射式电加热装置包括半圆柱面状的框架，在所述框架半圆柱面外侧的上顶和下底之间固定有若干根加热管，各加热管之间采用并联的方式通过导线与温度控制箱相连；温度控制箱的每一个输出通道连接控制一个加热管，接线完成后，将温度控制箱外接380V三相四线制交流电即可进行加热；使用时，辐射式电加热装置放置在储罐模型附近，通过通电后的加热管向外辐射热量对储罐模型进行加热。
实验测量采集系统包括WP-UT050/M型高速摄像仪、箔式电阻应变片、热电偶、压力传感器、松下HG-C1100型激光位移传感器和DE-WE43型数据采集器；高速摄像仪、箔式电阻应变片、热电偶、压力传感器和激光位移传感器分别与数据采集器相连；高速摄像仪布置在储罐模型的周围；箔式电阻应变片、热电偶均匀分布于储罐模型的外壁上；在储罐模型外壁上打有安装孔，压力传感器设置在安装孔内；激光位移传感器置于辐射式加热装置的侧面，避免高温的直接辐射，用于测量储罐模型热量吸收集中位置处的形变位移量，采集测量得到的数据实时地导入数据采集器中；高速摄像仪分布在储罐模型的四周，可以依据实验要求、目的及条件适当调节高速摄像仪的数量与摆放位置，高速摄像仪记录的形变过程通过线缆实时传输进数据采集器中。
所述爆炸冲击波发生装置包括药柱、雷管和引爆器，所述药柱采用TNT药柱；在储罐模型顶盖上设有放置孔，药柱装在雷管的端部，雷管带着药柱通过放置孔伸入储罐模型内部，雷管的另一端通过导爆索与引爆器相连。
在储罐模型上部还开有注水口，用于向储罐模型内加入液态水，作为实验中的模拟液态油品。
通过控制雷管深入储罐模型内部的长度，进而控制药柱爆炸的高度来模拟不同的点火位置。
所述箔式电阻应变片沿着储罐模型所需测量各点的经向及纬向粘贴。
所述加热管均布在框架的半圆柱面外侧，并通过设置在框架的上顶和下底上对称的固定孔固定。
所述热电偶采用K型铠装热电偶。
数据采集器采用DE-WE43型数据采集器。
在框架下部设有设备支架，使用时通过改变设备支架的高度，模拟研究不同火焰高度下对储罐模型的破坏作用差异。
所述设备支架为不锈钢支架。
所述支架为不锈钢支架，用于平稳支撑储罐模型。
所述框架为不锈钢框架。
所述加热管采用石英管或陶瓷加热管。
其中，储罐模型为大型储罐常用的低合金钢板材材质；支架用以固定模型以及各种实验装置，材质多为不锈钢；辐射式电加热装置主要采用石英管热辐射的方式对模型进行加热，同时包含有一个智能温度控制箱，可以实时对储罐模型表面的温度进行监测；实验测量采集系统用于在模拟实验中对储罐罐壁的各项数据测量、采集以及处理。
所述储罐模型为常见的材质为低合金钢Q345的储罐模型。
所述的辐射式电加热装置通过调节加热装置功率以调控模型的温升速率，用以研究不同温升速率下储罐模型的受破坏影响的差异；通过调节加热装置与储罐的距离以研究不同距离储罐模型受热辐射破坏作用的差异。
所述高速摄影仪用于记录储罐模型的形变过程。
所述实验测量采集系统通过箔式电阻应变片传来的数据，记录储罐模型的应力应变，可以满足对储罐模型在受到灾种耦合状况时，不同位置处的经向、纬向应力应变进行分析；通过热电偶采集在实验模拟过程中各时刻储罐模型的温度场数据；通过压力传感器采集在储罐模型内液态油品受热汽化时，储罐模型罐壁各位置处的压力场数据。
发明优点：针对现有的实验装置大都功能性较为单一的缺陷，本发明为对储罐在外部热辐射、内部液态油品汽化加压以及内部油品蒸汽燃爆耦合作用下的力学及热力学实验及研究提供一种实验装置平台及实验方法。本发明平台和方法可同时模拟储罐在受外部热辐射作用、内部液态油品汽化加压以及内部油品蒸汽燃爆冲击多灾种耦合时对罐壁的破坏性作用研究实验；可以针对特定几何形状、材质的模型进行实验研究，具有普遍的适用性；本发明的实验各项基本参数调控简便，如控制模型的温升速率，只需调节辐射式电加热装置与模型之间的距离或者通过温度控制箱加热器的热辐射功率即可。同时可以通过改变TNT药柱放置的位置以及储罐内水的液位高度，模拟在储罐不同油品充液高度状况下不同位置处发生爆炸的实验模拟研究。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明平台的整体结构示意图；
图2是沿图1中A-A面中性面截面方向切开的储罐模型内部示意图。
图中：1、高速摄像仪；2、压力传感器；3、储罐模型；4、雷管；5、箔式电阻应变片；6、热电偶；7、数据采集器；8、支架；9、混凝土底座；10、激光位移传感器；11、加热管；12、框架；13、温度控制箱；14、引爆器；15、压力传感器；16、注水口；17、液态水；18、药柱；19、雷管；20、固定孔；21、设备支架。
具体实施方式
本发明提供了一种基于外部火灾、内部液态油品汽化加压以及内部油品蒸汽燃爆等多灾种耦合作用下，对储罐模型的力学以及热力学相关的破坏作用进行分析的实验平台及其实验方法。
下面结合附图和具体实施例对本发明作出详细的说明。
参照附图1，火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，包括储罐模型3、支架8、辐射式电加热装置、实验测量采集系统和爆炸冲击波发生装置；储罐模型3安装在支架8上；所述储罐模型3是带有顶盖的中空立体容器，本实施例中采用了柱状容器；
辐射式电加热装置包括半圆柱面状的框架12，在所述框架12半圆柱面外侧的上顶和下底之间固定有若干根加热管11，各加热管11之间采用并联的方式通过导线与温度控制箱13相连，所述加热管11不少于6根；温度控制箱13的每一个输出通道连接控制一个加热管11，同时温度控制箱13外接380V三相四线制交流电；使用时，辐射式电加热装置放置在储罐模型附近，通过通电后的加热管向外辐射热量对储罐模型3进行加热。
图1中，加热管11均布在框架12的半圆柱面外侧，并通过设置在框架的上顶和下底上对称的固定孔20固定。
高速摄像仪1、箔式电阻应变片5、热电偶6、压力传感器2、激光位移传感器10和数据采集器7构成了本实施例中的实验测量采集系统；高速摄像仪1、箔式电阻应变片5、热电偶6、压力传感器2和激光位移传感器10分别与数据采集器7相连；高速摄像仪1布置在储罐模型3的周围；箔式电阻应变片5、热电偶6均匀分布于储罐模型3的外壁上；在储罐模型3外壁上打有安装孔，压力传感器2设置在安装孔内，从而实现将压力传感器2安装在储罐模型3外壁上，安装孔的深度为2-3mm；在实际使用中，可依据研究目的自行设定压力传感器2的数量与具体位置；高速摄像仪1分布在储罐模型3的四周，可以依据实验要求、目的及条件适当调节高速摄像仪1的数量与摆放位置，应用中一般布置在储罐模型3的上半部，高速摄像仪1记录的形变过程通过线缆实时传输进数据采集器7中。
在框架下部设有设备支架，使用时通过改变设备支架的高度，模拟研究不同火焰高度下对储罐模型的破坏作用差异。
激光位移传感器10置于辐射式加热装置的侧面，避免高温的直接辐射，用于测量储罐模型3热量吸收集中位置处的形变位移量，采集测量得到的数据实时地导入数据采集器7中。
温度控制箱13可选用ZWK-11-60KW便携式智能热处理温度控制箱，具体参数见下表一。
表一 ZWK-11-60KW便携式智能热处理温度控制箱参数表
为了使得储罐模型3能够稳定地摆放在一个适合实验研究要求的高度，本实施例在支架下部还设有一个混凝土底座9。
本实施例中，爆炸冲击波发生装置包括药柱18、雷管19和引爆器14，所述药柱18采用TNT药柱；在低合金钢Q345、Q235制成的储罐模型3的顶盖上设有放置孔，药柱18固定在雷管19的端部，雷管19带着药柱18通过放置孔伸入储罐模型3内部，雷管19的另一端与引爆器14相连，用以引爆储罐模型3内的TNT炸药。用以当量模拟各种气体在各种温度、状态下燃爆对于储罐壁面的破坏实验。
箔式电阻应变片5采用箔式电阻应变片，可采用502胶或其他专用胶水固定，贴一层聚乙烯薄膜保护，并排出气泡，用加热机烘干，胶水固化至少4小时后方可进行实验，或者常温固化24小时以上。
热电偶6用于测量储罐模型3表面的温度场及其分布，并实时地向实验操作者反馈储罐模型3的各项温度参数等信息。
所述支架8为不锈钢支架，用以平稳支撑储罐模型3。
数据采集器7主要负责将各传感器测量得到的数据进行汇总、处理、分析工作。
高速摄像仪1分布在储罐模型的四周，可以依据实验要求、目的及条件适当调节高速摄像仪的数量与摆放位置，高速摄像仪记录的形变过程通过线缆实时传输进数据采集器7中。
图2为沿储罐模型中性面截开的储罐模型内部的剖面图，压力传感器15固定在储罐模型3外壁上，用以采集储罐储罐模型内的压力场分布状况。
在储罐模型3上部还开有注水口16，用于向储罐模型3内加入液态水17，作为实验中的模拟液态油品。
本平台的实验方法，包括如下步骤：
实施例一：先加热，后爆炸
1）实验环境的布置
1-1）将箔式电阻应变片5粘贴在储罐模型表面，均匀的分布在模型的一侧，沿着储罐模型的经向及纬向方向粘贴，用专用胶水粘贴固定，并在表面覆盖聚乙烯薄膜，加热固化4小时以上，或者常温固化至少24小时；
1-2）将热电偶6通过焊接的方法焊在储罐模型的一侧表面上；
1-3）将压力传感器15安装在储罐模型3外壁的安装孔内；将激光位移传感器10安放在水平对准模型中心位置；通过储罐模型顶盖上设有的放置孔置入带药柱的雷管；将高速摄像仪1放置在实验所需观测位置，并打开电源，设为摄像状态；
1-4）检查确保箔式电阻应变片5、热电偶6、激光位移传感器10、高速摄像仪1均与数据采集器7通过线缆连接；
1-5）在通过注水口16向储罐模型3内部注入液态水17后，将储罐模型3密封，放置在支架8上，并使支架8与混凝土底座9固定连接；
1-6）将装有加热管11的框架12与温度控制箱13接线；
2）步骤（1）中所有装置安装连接完成后，接通所有电源，调整温度控制箱13，使得热辐射式电加热装置运作，通过调节热辐射式电加热装置的功率来改变储罐模型的温升速率，从而对模型在不同温升速率下的力学性能进行研究。改变设备支架21的高度，用以模拟研究不同火焰高度下对储罐模型的破坏作用差异；
3）实时关注数据采集器中对热电偶测得的数据，当储罐模型的表面温度达到实验研究者要求的温度时，按下引爆器14的引爆按钮；实现对相同规格的储罐模型进行在几种不同温度下的实验模拟，用以研究在模型达到不同温度下，内部气体燃爆对于储罐模型的罐壁的破坏作用研究。
步骤（1-2）中热电偶的具体数量视储罐高度、直径确定，通常垂直底面的竖直方向均匀放置5个，将中性面一侧的圆柱面4等分，共布置25个。
激光位移传感器距离储罐模型约1m左右。
通过以上实验装置平台及实验方法步骤，完成了对储罐壁面在外部火灾，内部液态油品汽化加压以及内部油品蒸汽燃爆耦合状况下对储罐的破坏性作用的研究。
实施例二：先爆炸，后加热
1）实验环境的布置
1-1）将箔式电阻应变片5粘贴在储罐模型表面，均匀的分布在模型的一侧，沿着储罐模型的经向及纬向方向粘贴，用专用胶水粘贴固定，并在表面覆盖聚乙烯薄膜，加热固化4小时以上，或者常温固化至少24小时；
1-2）将热电偶6通过焊接的方法焊在储罐模型的一侧表面上；
1-3）将压力传感器15安装在储罐模型3外壁的安装孔内；将激光位移传感器10安放在水平对准模型中心位置；通过储罐模型顶盖上设有的放置孔置入带药柱的雷管；将高速摄像仪1放置在实验所需观测位置，并打开电源，设为摄像状态；
1-4）检查确保箔式电阻应变片5、热电偶6、激光位移传感器10、高速摄像仪1均与数据采集器7通过线缆连接；
1-5）在通过注水口16向储罐模型3内部注入液态水17后，将储罐模型3密封，放置在支架8上，并使支架8与混凝土底座9固定连接；
1-6）将装有加热管11的框架12与温度控制箱13接线；
2）按下引爆器14的引爆按钮；
3）调节设备支架21的高度，用以模拟研究不同的火焰高度对储罐模型的破坏作用差异。
4）完成上述步骤后，接通所有电源，调节温度控制箱13，使得热辐射式电加热装置运作，通过调节热辐射式电加热装置的功率来改变储罐模型的温升速率；实现对相同规格的储罐模型在不同温升速率下的实验模拟，用以研究储罐模型在内部油品蒸汽燃爆影响后，遭到不同强度外部热力辐射作用下，对于储罐的破坏性作用的研究。
Claims (7)
1.一种火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，其特征在于：包括储罐模型、支架、辐射式电加热装置、实验测量采集系统和爆炸冲击波发生装置；储罐模型安装在支架上；所述储罐模型是带有顶盖的中空立体容器；
辐射式电加热装置为独立的部分，辐射式电加热装置包括半圆柱面状的框架，在所述框架半圆柱面外侧的上顶和下底之间固定有若干根加热管，各加热管之间采用并联的方式通过导线与温度控制箱相连；温度控制箱的每一个输出通道连接控制一个加热管，接线完成后，将温度控制箱外接380V三相四线制交流电即可进行加热；使用时，辐射式电加热装置放置在储罐模型附近，通过通电后的加热管向外辐射热量对储罐模型进行加热；
实验测量采集系统包括高速摄像仪、箔式电阻应变片、热电偶、压力传感器、激光位移传感器和数据采集器；高速摄像仪、箔式电阻应变片、热电偶、压力传感器和激光位移传感器分别与数据采集器相连；高速摄像仪布置在储罐模型的周围；箔式电阻应变片、热电偶均匀分布于储罐模型的外壁上；在储罐模型外壁上打有安装孔，压力传感器设置在安装孔内；激光位移传感器置于辐射式加热装置的侧面，避免高温的直接辐射，用于测量储罐模型热量吸收集中位置处的形变位移量，采集测量得到的数据实时地导入数据采集器中；高速摄像仪分布在储罐模型的四周；高速摄像仪记录的形变过程通过线缆实时传输进数据采集器中；
所述爆炸冲击波发生装置包括药柱、雷管和引爆器，所述药柱采用TNT药柱；在储罐模型顶盖上设有放置孔，药柱装在雷管的端部，雷管带着药柱通过放置孔伸入储罐模型内部，雷管的另一端通过导爆索与引爆器相连；
在储罐模型上部还开有注水口，用于向储罐模型内加入液态水，作为实验中的模拟液态油品；
所述加热管均布在框架的半圆柱面外侧，并通过设置在框架的上顶和下底上对称的固定孔固定；
所述支架为不锈钢支架，用于平稳支撑储罐模型。
2.根据权利要求1所述的火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，其特征在于：数据采集器采用支持无线网络通讯的工业数据采集器。
3.根据权利要求1所述的火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，其特征在于：所述箔式电阻应变片沿着盛装在储罐模型内的圆柱型模型所需测量各点的经向及纬向粘贴。
4.根据权利要求1所述的火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，其特征在于：所述框架为不锈钢框架。
5.根据权利要求1所述的火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台，其特征在于：所述加热管采用石英管或陶瓷加热管。
6.权利要求1所述的火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）实验环境的布置；
1-1）将箔式电阻应变片粘贴在储罐模型表面，均匀分布在模型的一侧，沿着储罐模型的经向及纬向方向粘贴，用胶水粘贴固定，并在表面覆盖聚乙烯薄膜，加热固化4小时以上，或者常温固化至少24小时；
1-2）将若干个热电偶通过焊接的方法焊在储罐模型的一侧表面上；
1-3）将压力传感器安装在储罐模型外壁的安装孔内；将激光位移传感器安放在水平对准模型中心位置；通过储罐模型顶盖上设有的放置孔置入带药柱的雷管；将高速摄像仪放置在实验所需观测位置，并打开电源，设为摄像状态；
1-4）检查确保箔式电阻应变片、热电偶、激光位移传感器、高速摄像仪均与数据采集器通过线缆连接；
1-5）在通过注水口向储罐模型内部注入液态水后，将储罐模型密封，放置在支架上，并使支架与混凝土底座固定连接；
1-6）将装有加热管的框架与温度控制箱接线；
2）步骤（1）中所有装置安装连接完成后，接通所有电源，调整温度控制箱，使得热辐射式电加热装置运作，通过调节热辐射式电加热装置的功率来改变储罐模型的温升速率，从而对模型在不同温升速率下的力学性能进行研究；
改变设备支架的高度，用以模拟研究不同火焰高度下对储罐模型的破坏作用差异；
3）实时关注数据采集器中对热电偶测得的数据，当储罐模型的表面温度达到实验研究者要求的温度时，按下引爆器的引爆按钮；实现对相同规格的储罐模型进行在几种不同温度下的实验模拟，用以研究在模型达到不同温度下，内部气体燃爆对于储罐模型的罐壁的破坏作用研究。
7.权利要求1所述的火灾、爆炸及其耦合作用下储油罐破坏实验平台的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）实验环境的布置；
1-1）将箔式电阻应变片粘贴在储罐模型表面，均匀的分布在模型的一侧，沿着储罐模型的经向及纬向方向粘贴，用胶水粘贴固定，并在表面覆盖聚乙烯薄膜，加热固化4小时以上，或者常温固化至少24小时；
1-2）将热电偶通过焊接的方法焊在储罐模型的一侧表面上；
1-3）将压力传感器安装在储罐模型3外壁的安装孔内；将激光位移传感器安放在水平对准模型中心位置；通过储罐模型顶盖上设有的放置孔置入带药柱的雷管；将高速摄像仪放置在实验所需观测位置，并打开电源，设为摄像状态；
1-4）检查确保箔式电阻应变片、热电偶、激光位移传感器、高速摄像仪均与数据采集器通过线缆连接；
1-5）在通过注水口向储罐模型内部注入液态水后，将储罐模型密封，放置在支架上，并使支架与混凝土底座固定连接；
1-6）将装有加热管的框架与温度控制箱接线；
2）按下引爆器的引爆按钮；
3）调节设备支架的高度，用以模拟研究不同的火焰高度对储罐模型的破坏作用差异；
4）完成上述步骤后，接通所有电源，调节温度控制箱，使得热辐射式电加热装置运作，通过调节热辐射式电加热装置的功率来改变储罐模型的温升速率；实现对相同规格的储罐模型在不同温升速率下的实验模拟，用以研究储罐模型在内部油品蒸汽燃爆影响后，遭到不同强度外部热力辐射作用下，对于储罐的破坏性作用的研究。
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