CN110058618B - 一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法,包括如下步骤:步骤1、制定先抑后扬的精确温度控制计划；步骤2、根据步骤1制定的精确温度控制计划，采用双通道并行的降温方法对大口径低温管道进行降温；步骤3、采用隔热材料全包覆的保温方法减缓管体温度变化；步骤4、根据变温时间公式计算得出无限精度的目标温度。本发明用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，可以有效精确控制管道的温度变化量，满足管道爆炸实验瞬时的温度高精度要求。

Description

一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，属于管道爆炸研究技术领域。
背景技术
高压管道道服役环境复杂，部分管线地处寒冷地区，站场环境极限温度可达到-30～-45℃。站场钢管、弯管和管件需裸露在极寒的外部环境下服役，低温脆断的敏感性相对提高。如果管道发生低温脆性导致的断裂事故，将会造成不可估量的损失。因此，为避免管道发生低温脆性断裂，国内外广泛开展了大口径低温高压金属管道道的断裂控制设计和韧性指标确定的研究。
大口径低温管道实验是进行管道低温脆性断裂控制的重要环节。近年来，大量的学者进行了低温试验，但是传统的低温实验方法通常是利用冷冻技术将管道温度降低至目标温度，或者目标温度(保留变温余量)，但是这两种方法由于温度无法实现绝对隔热，且对温度变化没有精确控制导致实验时温度与目标温度相差较大，难以实现温度的精准把控。爆炸实验存在瞬时性的特点，实验时要求在爆炸瞬间管体精确地达到目标温度，即对的时间对的温度。这就迫切需要一种新的温度控制方法以实现对温度的精确控制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对大口径低温管道实验对时间与温度的精确要求，提出一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，可以有效精确控制管道的温度变化量，满足管道爆炸实验瞬时的温度高精度要求。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法,包括如下步骤:
步骤1、根据变温时间公式计算温度变化量与变温时间t,变温时间公式如下：
假设隔热材料的绝热系数为λ(W/m·k)，隔热层厚度为δ(m)，则温度变化量ΔT与变温时间t的关系为：
Figure BDA0002049632770000021
式(1)中C1(C1>Te-To)是变温系数，可以通过试验获得；C2为时间系数，可以通过试验拟合得到。To是目标温度，Te是环境温度，λ和δ分别为隔热层的材料导热系数和隔热层厚度。
根据温度变化量ΔT与变温时间t制定如图1所示的先抑后扬精确温度控制计划；
步骤2、根据步骤1制定的精确温度控制计划中的升温温差ΔT与目标温度To，计算应该设置的初始负温度T-。然后采用干冰和液氮对大口径低温管道进行双通道并行降温；本发明采用管道内充液氮，管道外覆干冰的快速降温方法，实现大质量管体的温度迅速下降至初始负温度T-。
步骤3、根据步骤1的隔热材料与隔热层厚度，采取隔热材料全包覆的保温措施迟滞管体温度变化；
步骤4、根据步骤1的计划，在时间t后温度达到目标温度，开展实验。
本发明中的变温时间公式(式1)表达了温度变化量ΔT与变化时间t之间的函数关系，通过该公式，可以获得温度变化量与变化时间一一对应的解析,能够实现温度的精确控制。
采取迟滞温度变化措施以后，可以迟滞管体的温度向环境温度变化的速度，使温度接近于很定，但真实是无法实现绝对的绝热保温。因此，温度会以及其缓慢的速度发生改变。对于一些温度精度要求低的情况，采用常规的保温措施即可。但是对于大口径低温管道实验等高精度高要求的目标温度，需要解析每一瞬时温度的微量变化，以便在实验的瞬时温度精准达到目标温度。本发明公布的变温时间公式，该公式明确了温度变化量ΔT与变化时间t的函数关系，从而使温度变得可以精确控制。理论上，通过该解析解可以获得无限精度的目标温度。
进一步地，步骤1中精确温度控制计划为确定大口径低温管道降温至目标温度To的初始负温度T-，通过采取减缓温度变化措施控制温度回升速度，在预计的升温时间t内，使温度上升ΔT(ΔT＝To-T-)，确保实验瞬时(to)温度恰好在目标温度To。
根据熵增原理，一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大，直到达到平衡态。任何实际中的保温措施都不可能实现完全的温度隔绝，内外两个存在温度差的系统总是趋向平衡的。针对实验的大口径低温管道这一特殊低温保温目标，提出先抑后扬的精确温度控制方法，确保实验时间温度恰好在目标温度To，如图1所示。先对大口径低温管道降温至目标温度To的初始负温度T-，通过采取减缓温度变化措施控制温度回升速度，在预计的升温时间t内，使温度上升ΔT(ΔT＝To-T-)，确保实验瞬时(to)温度恰好在目标温度To。
根据实验需求，在t时间后正式开始实验，需要在该时刻(to)温度达到To，结合实验条件与公式1，计算出温度余量ΔT，进而通过公式2计算出T-，使得后续升温时间t内，大口径低温管道恰好从温度T-回升至To。
进一步地，步骤2中的降温方法为：
采用管内管外双通道同步降温方法：向管内填充液氮，同时在管外覆设干冰。由于液氮和干冰均为低温物质，可以迅速对管体进行降温。双通道并进的降温方法将温度迅速降至权利要求书所述T-。
进一步地，步骤3的具体方法为：前期通过试验获取隔热材料的导热系数λ和最佳厚度δ的参数，将隔热材料包覆大口径低温管道，使隔热层厚度达到最佳厚度δ。
进一步地，在权利要求书2设计的升温时间t内完成实验的其它准备工作，在to时间开展实验。在设计的升温时间t内完成实验的其它准备工作，在to时间开展实验。
进一步地，所述步骤(2)中用于降温的装置包括低温高压氮气降温加压装置和液氮加注装置，所述管道的顶部两端设有第一接口和泄压管，第一接口通过第一阀门与低温高压氮气降温加压装置连接，所述管道上还设有第二接口，第二接口与液氮加注装置连接，在泄压管上安装有泄压阀，在管道内安装有温度传感器和压力传感器。
进一步地，所述低温高压氮气降温加压装置包含液氮罐、低温液体加压装置和气化器，液氮经低温液体加压装置进入气化器转化为低温高压氮气，再经低温高压氮气输送管，通过阀门连接方式将低温高压氮气注入管内气体中；所述低温高压氮气降温加压装置加压过程中，管内液体不断的降低管内气体的温度。
进一步地，所述步骤(2)中降温方法，包括以下步骤：
1)低温高压氮气降温加压单元快速将管内压力提高，检查测试单元器件的安装密封性；
2)完全打开泄压阀，将管内压力降低至大气压力；
3)液氮降温单元将金属管管壁、管内气体温度降低至初始负温度T-；
4)金属管外侧管壁敷设干冰，干冰将金属管外壁温度降低至初始负温度T-。
本发明中可以采用稀疏多孔的泡沫材料作为隔热材料，通过试验测定其导热系数λ。采用泡沫材料全包覆的方法减缓管体温度变化，随着包覆厚度的增加，隔热效果随之增加，管体温度变化随之减缓。但是隔热效果不可能无限增加，当隔热层厚度增加到一定程度时，获得比较良好的隔热效果，同时继续增加隔热效果没有明显加强，这个厚度确定为最佳厚度，记为δ。
本发明的工作原理为：基于熵增规律，提出针对大口径低温管道实验先抑后扬的温度精确控制方法；针对大口径低温管道实验的降温方法及其减缓温度变化的具体措施；提出应对不同材料不同厚度不同温度差的变温时间公式。
首先，在已知实验时间(to)和实验要求的精确目标温度(To)以及环境温度(Te)条件下，根据变温时间公式(式1)计算精确的温度余量(ΔT)；然后对管体进行降温，将其温度降至至低于目标温度(To)的初始负温度(T-＝To-ΔT)；再对管体采取减缓温度变化措施，其中隔热材料的导热系数λ与最佳厚度δ通过之前的试验已经确定，并与计算ΔT时所取值保持一致；最后在预定的实验时间(to)，精确达到需求的目标温度(To)。
有益效果：(1)本发明采用制定先抑后扬的精确温度控制计划，对大口径低温管道进行温度精确控制，此方法新颖，可操作性强，效果好；(2)采用双通道并行降温方法对大口径低温管道进行迅速降温温度；(3)根据本发明的变温时间公式，该公式明确了温度变化量ΔT与变化时间t的函数关系，从而使温度变得可以精确控制；(4)本发明提供的估算方法具有科学精确、操作性强，经济实用的特点，该方法实现了时间和温度两个维度上的精准对接，确保大口径低温管道实验在实验爆炸的瞬时精确达到实验需求的温度。
附图说明
图1为本发明实施例中的先抑后扬保温曲线。
图2为本发明中降温的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例
本实施例提供一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法,包括如下步骤:
步骤1、根据变温时间公式计算出温度变化量ΔT与变温时间t，根据ΔT与t制定先抑后扬的精确温度控制计划；
步骤2、根据步骤1制定的精确温度控制计划，采用干冰和液氮对大口径低温管道进行双通道并行降温；
步骤3、采用隔热材料全包覆的保温方法减缓管体温度变化；
步骤4、根据步骤1的计划，在时间t后温度达到目标温度，开展实验。
变温时间公式如下：
假设隔热材料的绝热系数为λ(W/m·k)，隔热层厚度为δ(m)，则温度变化量ΔT与变温时间t的关系为：
Figure BDA0002049632770000061
式(1)中C1(C1>Te-To)是变温系数，可以通过前期试验获得；C2为时间系数，可以通过前期试验拟合得到。To是目标温度，Te是环境温度，λ和δ分别为隔热层的材料导热系数和隔热层厚度。
根据实验计划的时间t，可以计算获得预留的温度变化量，即升温温差ΔT，也即可以知道应该设置的初始负温度T-：
△T＝To-T- (2)
或者已知初始负温度T-和时间t，已选定材料(导热系数λ)，可以根据需求设置隔热厚度δ。
采取减缓温度变化措施以后，可以减缓管体的温度向环境温度变化的速度，但是无法实现绝对的绝热保温。因此，温度会以缓慢的速度发生改变。对于一些温度精度要求低的情况，采用常规的保温措施即可。但是对于大口径低温管道实验等高精度高要求的目标温度，需要解析每一瞬时温度的微量变化，以便在实验的瞬时温度精准达到目标温度。本发明公布的变温时间公式，该公式明确了温度变化量ΔT与变化时间t的函数关系，从而使温度变得可以精确控制。理论上，通过该解析解可以获得无限精度的目标温度。
步骤1中精确温度控制计划为确定大口径低温管道降温至目标温度To的初始负温度T-，通过采取迟滞温度变化措施控制温度回升速度，在预计的升温时间t内，使温度上升ΔT(ΔT＝To-T-)，确保实验瞬时(to)温度恰好在目标温度To。
根据熵增原理，一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大，直到达到平衡态。任何实际中的保温措施都不可能实现完全的温度隔绝，内外两个存在温度差的系统总是趋向平衡的。针对实验的大口径低温管道这一特殊低温保温目标，提出先抑后扬的精确温度控制方法，确保实验时间温度恰好在目标温度To，如图1所示。先对大口径低温管道降温至目标温度To的初始负温度T-，通过采取减缓温度变化措施控制温度回升速度，在预计的升温时间t内，使温度上升ΔT(ΔT＝To-T-)，确保实验瞬时(to)温度恰好在目标温度To。
根据实验需求，在t时间后正式开始实验，需要在该时刻(to)温度达到To，结合实验条件与公式2，计算出温度余量ΔT，进而通过公式3计算出T-，使得后续升温时间t内，大口径低温管道恰好从温度T-回升至To。
步骤2中的降温方法为：采用管内管外双通道并行降温方法：向管内填充液氮，同时在管外覆设干冰。迅速对管体进行降温。双通道并进的降温方法将温度迅速降至权利要求书所述T-。所述步骤(2)中用于降温的装置包括低温高压氮气降温加压装置和液氮加注装置，所述管道的顶部两端设有第一接口和泄压管，第一接口通过第一阀门与低温高压氮气降温加压装置连接，所述管道上还设有第二接口，第二接口与液氮加注装置连接，在泄压管上安装有泄压阀，在管道内安装有温度传感器和压力传感器。
在本发明中，所述低温高压氮气降温加压装置包含液氮罐、低温液体加压装置和气化器，液氮经低温液体加压装置进入气化器转化为低温高压氮气，再经低温高压氮气输送管，通过阀门连接方式将低温高压氮气注入管内气体中；所述低温高压氮气降温加压装置加压过程中，管内液体不断的降低管内气体的温度。
所述步骤(2)中用于降温的装置包括低温高压氮气降温加压装置和液氮加注装置，所述管道的顶部两端设有第一接口和泄压管12，第一接口通过第一阀门4与低温高压氮气降温加压装置连接，所述管道上还设有第二接口9，第二接口9与液氮加注装置连接，在泄压管12上安装有泄压阀11，在管道内安装有温度传感器和压力传感器。所述低温高压氮气降温加压装置包含液氮罐1、低温液体加压装置2和气化器3，低温液体加压装置2连接有两根液氮输送管6，每根液氮输送管6上分别安装有通往气化器3的阀门4和液氮输送管阀门5，液氮经低温液体加压装置2进入气化器3转化为低温高压氮气，再经低温高压氮气输送管7，通过阀门4连接方式将低温高压氮气注入管内气体中；所述低温高压氮气降温加压装置加压过程中，管内液体不断的降低管内气体的温度。
步骤3的具体方法为：前期通过试验获取隔热材料的导热系数λ和最佳厚度δ的参数，将隔热材料包覆大口径低温管道，使隔热层厚度达到最佳厚度δ。
本实施例中针对长度为10.8m，直径为1422mm，壁厚0.021m的X90金属管进行温度精确控制试验，金属管降温采用如下步骤：
针对实验的大口径低温管道这一特殊低温保温目标，提出先抑后扬的低温保温方法，确保实验时间(某月某日的15:00左右)温度恰好在目标温度-30.00℃。通过前期试验，确定泡沫材料导热系数为λ＝0.031W/m·k，隔热层的最佳厚度为δ＝0.029m。当时环境温度Te＝25℃，前期试验获得变温系数C1＝59.3，时间系数C2＝1.013*10-5。
计划升温时间为120min，则根据式2计算温度变化量ΔT：
Figure BDA0002049632770000081
即120min的温度变化量为9.108k，那么初始负温度T-应该为：
T-＝To-△T＝-30.00-9.11＝-39.11℃
即初始负温度应为-39.11℃。
采用双通道并行降温方法对管体进行降温，使管体温度降至-39.11℃。
实际实验时在13:26:04时到达-39.11℃，遂进一步制定计划，在120min后，即15:26:04时起爆管道。
降温结束同时包覆隔热材料，减缓管体温度变化速度。最终在15:26:04时刻，测得管体温度为-30℃，有效实现了温度精确控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法,包括如下步骤:
步骤1、根据变温时间公式计算得出温度变化量对应的变温时间；变温时间公式如下：
假设隔热材料的绝热系数为λ(W/m·k)，隔热层厚度为δ(m)，则温度变化量ΔT与变温时间t的关系为：
Figure FDA0002779004330000011
式(1)中C1是隔热材料的变温系数，通过试验获得，其中C1>Te-To；C2为时间系数，通过试验拟合得到，To是目标温度，Te是环境温度，根据计算得出的温度变化量ΔT与变温时间t制定先抑后扬的精确温度控制计划；所述步骤1中精确温度控制计划为确定大口径半气体低温管道降温至目标温度To的初始负温度T-，通过采取减缓温度变化措施控制温度回升速度，在预计的变温时间t内，使温度上升ΔT，确保实验瞬时to温度恰好在目标温度To，ΔT＝To-T-；
步骤2、根据步骤1制定的精确温度控制计划，采用干冰和液氮对大口径半气体低温管道进行双通道并行降温；
步骤3、采用隔热材料全包覆的保温方法迟滞大口径半气体低温管道管体温度变化；
步骤4、根据步骤1的计划，在变温时间t后温度达到目标温度，开展实验。
2.根据权利要求1所述的用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，其特征在于：所述步骤2中同时开展大口径半气体低温管道管内填充液氮与大口径半气体低温管道管外覆设干冰的双通道并行降温，将大口径半气体低温管道管体温度迅速降至所述T-。
3.根据权利要求2所述的用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，其特征在于：所述步骤2中用于大口径半气体低温管道管内填充液氮的装置包括低温高压氮气降温加压装置和液氮加注装置，所述大口径半气体低温管道的顶部两端设有第一接口和泄压管，第一接口通过第一阀门与低温高压氮气降温加压装置连接，所述大口径半气体低温管道上还设有第二接口，第二接口与液氮加注装置连接，在泄压管上安装有泄压阀，在大口径半气体低温管道内安装有温度传感器和压力传感器。
4.根据权利要求3所述的用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，其特征在于：所述低温高压氮气降温加压装置包含液氮罐、低温液体加压装置和气化器，液氮经低温液体加压装置进入气化器转化为低温高压氮气，再经低温高压氮气输送管，通过阀门连接方式将低温高压氮气注入大口径半气体低温管道管内气体中；所述低温高压氮气降温加压装置加压过程中，大口径半气体低温管道管内的氮气不断的降低大口径半气体低温管道管内气体的温度。
5.根据权利要求1所述的一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，其特征在于：所述步骤2中降温方法，包括以下步骤：
1)低温高压氮气降温加压装置快速提高大口径半气体低温管道内压力，检查测试单元器件的安装密封性；
2)完全打开泄压阀，将大口径半气体低温管道内压力降低至大气压力；
3)液氮将大口径半气体低温管道内壁、管内气体温度降低至目标温度To的初始负温度T-；
4)大口径半气体低温管道外侧管壁敷设干冰，干冰将大口径半气体低温管道外壁温度降低至目标温度To的初始负温度T-。
6.根据权利要求1所述的一种用于大口径半气体低温管道实验的温度精确控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：前期通过试验获取隔热材料的绝热系数λ和最佳厚度δ的参数，将隔热材料包覆大口径半气体低温管道，使隔热层厚度达到最佳厚度δ，这时隔热层对大口径半气体低温管道管体温度变化具有最大迟滞效果。
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