CN110286058B - 遇水试验装置及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遇水试验装置及其控制系统，试验装置包括储水容器、反应容器、配套系统，其中，储水容器与反应容器为连通器结构，且均为压力容器；控制系统包括上位机和下位机系统，具有试验参数的设置、自循环控制、液位自动控制、试验状态监控、视频监控、数据存储、安全防护的功能。试验装置及控制系统能较真实反映试验件整体与水发生反应的过程、状态以及生成气体的测量等；此外，还可以对带涂层的产品在水环境下的耐受性的考核，以及涂层局部破坏后产品在水环境下的耐受性的考核，提供试验平台和对其安全性评估提供试验手段。

Description

遇水试验装置及其控制系统

技术领域

本发明涉及材料遇水放气试验仪技术领域，具体为一种遇水试验装置及其控制系统。

背景技术

国内现有的材料遇水放气试验仪主要用于对较小的材料件的遇水放气特性分析，仪器容量和能测试的放气量都非常小，仅能分析较少材料件的遇水放气特性。缺乏适用于不同大小的结构件(整个产品)遇水反应的试验装置及控制系统，不能真实反映试验件整体与水发生反应的过程、状态、特性以及生成气体的测量等。此外，对带涂层的产品在水环境下的耐受性的考核，以及涂层局部破坏后产品在水环境下的耐受性的考核，目前的试验仪都不能实现。

为了解决以上问题我方研发出了遇水试验装置及其控制系统。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种遇水试验装置及其控制系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

遇水试验装置，包括：

储水容器；

手动阀；储水容器顶部设置的进料/注水口与手动阀连接；

排气阀Ⅰ；储水容器顶部设置的排气管道连接排气阀Ⅰ；

反应容器；储水容器的上部与反应容器的上部通过软管(34)连通；反应容器的上下两件半容器通过法兰进行连接；

排水阀Ⅰ；

变频泵；

氮气置换阀Ⅰ；储水容器底部设置的出水管道分别连接排水阀Ⅰ、变频泵的进水口、氮气置换阀Ⅰ；排水阀Ⅰ的出水管道流向废水池；

溢流阀；变频泵的出水口连接溢流阀的进水口；

换向阀；溢流阀的出水口连接连接换向阀的进水口；

液体流量计；换向阀的A口与液体流量计的进水口连接；

注水阀；液体流量计的出水口与注水阀连接；

循环水管道；循环水管道的一端分别连接溢流阀的溢流口、换向阀的B口，循环水管道的另一端与储水容器的上部连接；

安装平台；试验件置于安装平台上，安装平台置于反应容器内底部。

排水阀Ⅱ；

应急排水阀；

氮气置换阀Ⅱ；反应容器底部的注/排水口分别与注水阀、排水阀Ⅱ、应急排水阀、氮气置换阀Ⅱ连接；

排水泵；排水阀Ⅱ与排水泵连接，排水泵和应急排水阀的出水管道流向废水池。

排气阀Ⅱ；

真空泵阀；

真空泵；反应容器顶部设置的排气通道与排气阀Ⅱ、真空泵阀连接，真空泵阀与真空泵连接；

氮气置换阀Ⅰ和氮气置换阀Ⅱ均与氮气瓶连接。

遇水试验装置的控制系统，包括：

上位机控制系统；上位机控制系统包括用于试验参数设置、试验状态监控、视频监控、传感器测量数据存储的主控计算机；

下位机控制系统；下位机控制系统包括PLC控制器，PLC控制器安装在电气控制柜内，PLC控制器的模拟输出模块连接变频泵，用于控制反应溶液注入的速率和流量，以控制试验的反应速率；PLC控制器的数字输出模块连接排水泵、真空泵、排气阀Ⅰ、排水阀Ⅰ、换向阀、注水阀、排水阀Ⅱ、排气阀Ⅱ、真空泵阀、应急排水阀、氮气置换阀Ⅰ、氮气置换阀Ⅱ，以控制排水泵、真空泵、排气阀Ⅰ、排水阀Ⅰ、换向阀、注水阀、排水阀Ⅱ、排气阀Ⅱ、真空泵阀、应急排水阀、氮气置换阀Ⅰ、氮气置换阀Ⅱ的开启和关闭；PLC控制器的模拟输入模块分别与液位传感器Ⅰ、液位传感器Ⅱ、氢气传感器、氧气传感器、压力传感器、气体流量计Ⅰ、气体流量计Ⅱ连接，用于采集传感器的信号；

上位机控制系统和下位机控制系统通讯连接。

本发明的有益效果在于：

本发明一种遇水试验装置及其控制系统可实现对较大的试验件遇水放气反应过程的状态监控、参数测量、生成气体的测量、测量数据的实时储存以及试验过程的自动控制和安全防护；能较真实反映试验件整体与水发生反应的过程、状态、特性以及生成气体的测量等；此外，还可以对带涂层的产品在水环境下的耐受性的考核，以及涂层局部破坏后产品在水环境下的耐受性的考核，提供试验平台和对其安全性评估提供试验手段。

附图说明

图1为本发明中遇水试验装置的结构示意图；

图2为本发明中遇水试验装置的控制系统图；

图中：1、储水容器；2、液位传感器Ⅰ；3、手动阀；4、排气阀Ⅰ；5、气体流量计Ⅰ；6、排水阀Ⅰ；7、变频泵；8、溢流阀；9、换向阀；10、液体流量计；11、注水阀；12、反应容器；13、排水阀Ⅱ；14、排水泵；15、压力传感器；16、氢气传感器；17、氧气传感器；18、照明灯Ⅰ；19、安全阀；20、摄像机Ⅰ；21、排气阀Ⅱ；22、气体流量计Ⅱ；23、真空泵阀；24、真空泵；25、液位传感器Ⅱ；26、摄像机Ⅱ；27、照明灯Ⅱ；28、轴流风扇；29、应急排水阀；31、氮气置换阀Ⅰ；32、氮气置换阀Ⅱ；33、氮气瓶；34、软管；35、法兰Ⅰ；36、法兰Ⅱ；37、法兰Ⅲ；38、循环水管道；39、穿墙密封插座；41、安装平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1，如图1所示；

遇水试验装置，包括：

储水容器1；储水容器1为整体式结构的压力容器，顶部与底部为球形封头，材质为不锈钢，整体固定在基座上；储水容器1顶部设置四个对称的起吊点，方便储水容器的吊装；

手动阀3；储水容器1顶部设置的进料/注水口与手动阀3连接；用于进料和注水；料口/注水口用手动阀3实现开启和关闭；

排气阀Ⅰ4；储水容器1顶部设置的排气管道连接排气阀Ⅰ4；排气阀Ⅰ4用于排气；

反应容器12；储水容器1的上部与反应容器12的上部通过软管34连通；反应容器12的上下两件半容器通过法兰37进行连接；反应容器12为分体式结构的压力容器，顶部与底部为球形封头，材质为不锈钢；反应容器整体固定在基座上；反应容器顶部设置四个对称的起吊点，方便反应容器的吊装；软管为可拆卸，将软管拆卸后反应容器的法兰用盲板密封，通过是否拆卸软管来改变反应容器的上部与储水容器的上部是否连通的状态，从而改变试验时容器内腔的空间大小，即可以根据试验件的大小或试验产生的气体量的多少更改试验的有效空间，以适应不同大小的试验件反应所产生的气体的准确测量；

排水阀Ⅰ6；用于将试验结束后储水容器1中剩余的水全部排出；

变频泵7；

氮气置换阀Ⅰ31；储水容器1底部设置的出水管道分别连接排水阀Ⅰ6、变频泵7的进水口、氮气置换阀Ⅰ31；排水阀Ⅰ6的出水管道流向废水池；

溢流阀8；变频泵7的出水口连接溢流阀8的进水口；

换向阀9；溢流阀8的出水口连接换向阀9的进水口；

液体流量计10；换向阀9的A口与液体流量计10的进水口连接；

注水阀11；液体流量计10的出水口与注水阀11连接；注水阀11用于向反应容器12注入反应溶液(水流动的方向为方向Ⅱ)；储水容器1可切换至自循环(水流动的方向为方向Ⅰ)，用于搅拌储水容器1内的水和进料，使得水与进料(比如盐)充分混合，实现自动配置反应液体(比如盐水配置)；

循环水管道38；循环水管道38的一端分别连接溢流阀8的溢流口、换向阀9的B口，循环水管道38的另一端与储水容器1的上部连接；

安装平台41；试验件置于安装平台41上，安装平台41置于反应容器12内底部。

排水阀Ⅱ13；

应急排水阀29；在试验出现紧急情况或容器内压力超过安全压力时将反应液体迅速从反应容器排出，阻断试验的进一步反应；

氮气置换阀Ⅱ32；反应容器底部的注/排水口分别与注水阀11、排水阀Ⅱ13、应急排水阀29、氮气置换阀Ⅱ32连接；

排水泵14；排水阀Ⅱ13与排水泵14连接，排水泵14和应急排水阀29的出水管道流向废水池；排水泵14用于将反应剩余的液体排出；

排气阀Ⅱ21；与排气阀Ⅱ21连接的气体流量计22用于测量生成气体的流速和流量；

真空泵阀23；

真空泵24；反应容器12顶部设置的排气通道与排气阀Ⅱ21、真空泵阀23连接，真空泵阀23与真空泵24连接；

氮气置换阀Ⅰ31和氮气置换阀Ⅱ32均与氮气瓶33连接。试验前和试验后通过氮气置换，使得反应容器内的氧气和生成气体排出，以确保试验安全性。

实施例2，如图1所示：

本实施例与实施例1的区别在于：遇水试验装置还包括：

气体流量计Ⅰ5；排气阀Ⅰ4连接气体流量计Ⅰ5；

液位传感器Ⅰ2；液位传感器Ⅰ2安装在储水容器1侧壁；液位传感器Ⅰ为可视液位传感器，用于观察储水容器1中的液体高度；及将储水容器1中的液位高度值传送给上位机；

液位传感器Ⅱ25；液位传感器Ⅱ为可视液位传感器，用于观察反应容器12中的液体高度；及将反应容器12中的液位高度值传送给上位机；

穿墙密封插座39；反应容器侧壁安装液位传感器Ⅱ25和穿墙密封插座39。穿墙密封插座39的密封压力1Mpa，用于将反应容器内部的测量信号传输到上位机；

实施例3，如图1所示：

本实施例与实施例1的区别在于：遇水试验装置还包括：

安装照明灯Ⅰ18、摄像机Ⅰ20；反应容器12顶部设置两个玻璃窗口，安装照明灯Ⅰ18和摄像机Ⅰ20分别置于两个玻璃窗口处并分别用于反应容器12内的照明和摄像；

气体流量计Ⅱ22；排气阀Ⅱ21与气体流量计Ⅱ22的连接，气体流量计Ⅱ22安装在排气通道上，排气通道的末端设置回火阀；

压力传感器15；压力传感器15实时测量反应容器12内部压力以及将反应容器12内部压力值传送给上位机；

氢气传感器16；

氧气传感器17；以检测反应容器内生成气体的浓度以及将用所述气体浓度值传送给上位机；

安全阀19；压力传感器15、氢气传感器16、氧气传感器17、安全阀19均安装在反应容器12顶部；安全阀19设置压力为1Mpa，当反应容器内的压力超过1Mpa时，安全阀自动打开泄压；

摄像机Ⅱ26、照明灯Ⅱ27；反应容器12侧壁设置有两个玻璃窗口，摄像机Ⅱ26和照明灯Ⅱ27分别置于两个玻璃窗口处并分别用于反应容器内的照明和摄像。

实施例4，如图1所示：

本实施例与实施例1的区别在于：遇水试验装置还包括：

法兰Ⅰ35、法兰Ⅱ36；软管34的两端分别与储水容器1、反应容器12的连接处采用法兰Ⅰ35、法兰Ⅱ36密封。

实施例5，如图1所示：

本实施例与实施例1的区别在于：法兰37的法兰面采用密封圈进行密封。

实施例6，如图1所示：

本实施例与实施例3的区别在于：遇水试验装置还包括轴流风扇28，轴流风扇28安装在排气通道的下风口。轴流风扇28用于快速驱散反应释放气体，提供系统的安全性。

实施例7，如图2所示：

本实施例与实施例1的区别在于：遇水试验装置的控制系统，包括：

上位机控制系统；上位机控制系统包括用于试验参数设置、试验状态监控、视频监控、传感器测量数据存储的主控计算机；上位机控制系统设置在远距离的控制室；

下位机控制系统；下位机控制系统包括PLC控制器，PLC控制器安装在电气控制柜内，PLC控制器的模拟输出模块连接变频泵7，用于控制反应溶液注入的速率和流量，以控制试验的反应速率；PLC控制器的数字输出模块连接排水泵14、真空泵24、排气阀Ⅰ4、排水阀Ⅰ6、换向阀9、注水阀11、排水阀Ⅱ13、排气阀Ⅱ21、真空泵阀23、应急排水阀29、氮气置换阀Ⅰ31、氮气置换阀Ⅱ32，以控制排水泵14、真空泵24、排气阀Ⅰ4、排水阀Ⅰ6、换向阀9、注水阀11、排水阀Ⅱ13、排气阀Ⅱ21、真空泵阀23、应急排水阀29、氮气置换阀Ⅰ31、氮气置换阀Ⅱ32的开启和关闭；PLC控制器的模拟输入模块分别与液位传感器Ⅰ2、液位传感器Ⅱ25、氢气传感器16、氧气传感器17、压力传感器15、气体流量计Ⅰ5、气体流量计Ⅱ22连接，用于采集传感器的信号；

下位机控制系统设置在遇水试验装置附近；

上位机控制系统和下位机控制系统通过光纤实现远距离数据通信。

实施例8，如图2所示：

本实施例与实施例7的区别在于：上位机控制系统通过交换机、光纤分别与PLC控制器、摄像机Ⅰ20、摄像机Ⅱ26进行通讯连接。

本申请的控制过程：

系统初始化，关闭所有控制阀，打开轴流风扇。将换向阀置为模式1(自循环模式)，启动变频泵，则储水容器内的水进行自循环，使得储水容器中添加的溶剂快速均匀溶解。反应溶液配置完成后，关闭变频泵。打开真空泵阀，启动真空泵对反应容器和储水容器进行抽真空，直到容器内压力≤1kPa，关闭真空泵阀，关闭真空泵。打开氮气置换阀Ⅱ，对反应容器内充入氮气，直到反应容器内压力与反应容器外大气压力相等，关闭氮气置换阀Ⅱ。打开真空泵阀，启动真空泵对反应容器进行第二次抽真空，直到容器内压力≤1kPa，关闭真空泵阀。打开注水阀，将换向阀设置为模式2(液位控制模式)，启动变频泵，将储水容器中的溶液注入反应容器，注水速率为上位机控制系统中设置的液位加载速率，液位加载速率可根据试验需求进行设置。反应容器内的液位保载值和保载时间为上位机控制系统中设置的液位保载值和保载时间，液位保载值和保载时间可根据试验需求进行设置多级保载值和相应的保载时间。压力传感器实时测量反应容器中的压力，并反馈给上位机系统实时监控；氢气传感器实时测量反应容器中生成的氢气含量，并反馈给上位机系统实时监控；氧传感器实时测量反应容器中的氧气含量，并反馈给上位机系统实时监控；摄像头系统实时监控反应容器中的反应过程，并反馈给上位机系统实时监控。当反应容器内的压力达到放气压力时，放气压力为上位机控制系统中所设置的放气压力，放气压力值可根据试验需求进行设置(如0.5MPa)，排气阀Ⅰ、排气阀Ⅱ开启，气体流量计Ⅰ、气体流量计Ⅱ实时测量反应容器释放的气体流量，并反馈给上位机系统实时监控。直到反应容器中的试验件反应完毕。

若试验过程中，反应容器内的压力超过安全压力时，安全压力为安全阀设置的安全压力，安全压力值可根据试验需求进行设置(如1MPa)，安全阀开启、应急排水阀开启，迅速降压、排水。以上过程全部为自动控制，所有传感器的测量数据自动储存。

试验正常反应结束后，打开氮气置换阀Ⅱ，打开排气阀Ⅱ，进行反应容器内氮气置换；打开氮气置换阀Ⅰ，打开排气阀Ⅰ，进行储水容器内氮气置换；根据容器内的压力、氢气含量、氧气含量判断是否置换完毕。氮气置换完毕后，打开排水阀Ⅱ，打开抽水泵，将反应容器内的剩余液体排出到废水箱；打开排水阀Ⅰ，将储水容器内的剩余液体排出到废水箱。

本申请中，若反应产生的气体为易燃气体，则所有传感器和控制阀需满足防爆要求。

再结合图1和图2，举例说明，本申请的试验过程：

打开手动阀3，向储水容器1中注入一定比例的工业盐和水，启动储水容器1的自循环模式，充分搅拌储水容器1内的盐水，完成盐水配置。将反应容器12的上半容器吊开，把试验件安装在安装平台41上，若试验还需监测其它状态(如试验件温度和盐水温度)，则将安装的状态测量传感器信号(如温度信号)与穿墙密封插座39连接，穿墙密封插座39的外部信号与PLC控制器连接，将反应容器12的上半容器与下半容器密封安装。若反应容器的空间能满足生成气体量的要求，则拆除软管34，用盲板与法兰Ⅱ36密封。在上位机控制系统中设置试验参数，所述试验参数包含液位加载速率、液位保载值、液位保载时间、试验放气压力、试验安全压力。启动第一次抽真空，抽真空结束后观察容器内的压力变化，检查容器的密封性。容器密封性符合要求，则开启氮气置换阀Ⅱ32，充氮气，直到容器内压力与容器外大气压力相等。启动第二次抽真空。第二次抽真空结束后，启动液位控制模式，反应容器内的盐水根据上位机设置的控制参数自动加载，上位机实时显示试验过程的视频、状态、储存数据等，直到试验结束。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.遇水试验装置，其特征在于，包括：

储水容器（1）；

手动阀（3）；储水容器（1）顶部设置的进料/注水口与手动阀（3）连接；

排气阀Ⅰ（4）；储水容器（1）顶部设置的排气管道连接排气阀Ⅰ（4）；

反应容器（12）；储水容器（1）的上部与反应容器（12）的上部通过软管（34）连通；反应容器（12）的上下两件半容器通过法兰（37）进行连接；

排水阀Ⅰ（6）；

变频泵（7）；

氮气置换阀Ⅰ（31）；储水容器（1）底部设置的出水管道分别连接排水阀Ⅰ（6）、变频泵（7）的进水口、氮气置换阀Ⅰ（31）；排水阀Ⅰ（6）的出水管道流向废水池；

溢流阀（8）；变频泵（7）的出水口连接溢流阀（8）的进水口；

换向阀（9）；溢流阀（8）的出水口连接换向阀（9）的进水口；

液体流量计（10）；换向阀（9）的A口与液体流量计（10）的进水口连接；

注水阀（11）；液体流量计（10）的出水口与注水阀（11）连接；

循环水管道（38）；循环水管道（38）的一端分别连接溢流阀（8）的溢流口、换向阀（9）的B口，循环水管道（38）的另一端与储水容器（1）的上部连接；

安装平台（41）；试验件置于安装平台（41）上，安装平台（41）置于反应容器（12）内底部；

排水阀Ⅱ（13）；

应急排水阀（29）；

氮气置换阀Ⅱ（32）；反应容器底部的注/排水口分别与注水阀（11）、排水阀Ⅱ（13）、应急排水阀（29）、氮气置换阀Ⅱ（32）连接；

排水泵（14）；排水阀Ⅱ（13）与排水泵（14）连接，排水泵（14）和应急排水阀（29）的出水管道流向废水池；

排气阀Ⅱ（21）；

真空泵阀（23）；

真空泵（24）；反应容器（12）顶部设置的排气通道与排气阀Ⅱ（21）、真空泵阀（23）连接，真空泵阀（23）与真空泵（24）连接；

氮气置换阀Ⅰ（31）和氮气置换阀Ⅱ（32）均与氮气瓶（33）连接；

遇水试验装置还包括：

气体流量计Ⅰ（5）；排气阀Ⅰ（4）连接气体流量计Ⅰ（5）；

液位传感器Ⅰ（2）；液位传感器Ⅰ（2）安装在储水容器（1）侧壁；

液位传感器Ⅱ（25）；

穿墙密封插座（39）；反应容器侧壁安装液位传感器Ⅱ（25）和穿墙密封插座（39）；

遇水试验装置还包括：

安装照明灯Ⅰ（18）、摄像机Ⅰ（20）；反应容器（12）顶部设置两个玻璃窗口，安装照明灯Ⅰ（18）和摄像机Ⅰ（20）分别置于两个玻璃窗口处并分别用于反应容器（12）内的照明和摄像；

气体流量计Ⅱ（22）；排气阀Ⅱ（21）与气体流量计Ⅱ（22）的连接，气体流量计Ⅱ（22）安装在排气通道上，排气通道的末端设置回火阀；

压力传感器（15）；

氢气传感器（16）；

氧气传感器（17）；

安全阀（19）；压力传感器（15）、氢气传感器（16）、氧气传感器（17）、安全阀（19）均安装在反应容器（12）顶部；

摄像机Ⅱ（26）、照明灯Ⅱ（27）；反应容器（12）侧壁设置有两个玻璃窗口，摄像机Ⅱ（26）和照明灯Ⅱ（27）分别置于两个玻璃窗口处并分别用于反应容器内的照明和摄像。

2.根据权利要求1所述的遇水试验装置，其特征在于，遇水试验装置还包括：

法兰Ⅰ（35）、法兰Ⅱ（36）；软管（34）的两端分别与储水容器（1）、反应容器（12）的连接处采用法兰Ⅰ（35）、法兰Ⅱ（36）密封。

3.根据权利要求1所述的遇水试验装置，其特征在于，法兰（37）的法兰面采用密封圈进行密封。

4.根据权利要求1所述的遇水试验装置，其特征在于，遇水试验装置还包括轴流风扇（28），轴流风扇（28）安装在排气通道的下风口。

5.根据权利要求1-4任一项所述的遇水试验装置的控制系统，其特征在于，包括：

上位机控制系统；上位机控制系统包括用于试验参数设置、试验状态监控、视频监控、传感器测量数据存储的主控计算机；

下位机控制系统；下位机控制系统包括PLC控制器，PLC控制器安装在电气控制柜内，PLC控制器的模拟输出模块连接变频泵（7），用于控制反应溶液注入的速率和流量，以控制试验的反应速率；PLC控制器的数字输出模块连接排水泵（14）、真空泵（24）、排气阀Ⅰ（4）、排水阀Ⅰ（6）、换向阀（9）、注水阀（11）、排水阀Ⅱ（13）、排气阀Ⅱ（21）、真空泵阀（23）、应急排水阀（29）、氮气置换阀Ⅰ（31）、氮气置换阀Ⅱ（32），以控制排水泵（14）、真空泵（24）、排气阀Ⅰ（4）、排水阀Ⅰ（6）、换向阀（9）、注水阀（11）、排水阀Ⅱ（13）、排气阀Ⅱ（21）、真空泵阀（23）、应急排水阀（29）、氮气置换阀Ⅰ（31）、氮气置换阀Ⅱ（32）的开启和关闭；PLC控制器的模拟输入模块分别与液位传感器Ⅰ（2）、液位传感器Ⅱ（25）、氢气传感器（16）、氧气传感器（17）、压力传感器（15）、气体流量计Ⅰ、气体流量计Ⅱ连接，用于采集传感器的信号；

上位机控制系统和下位机控制系统通讯连接。

6.根据权利要求5所述的遇水试验装置的控制系统，其特征在于，上位机控制系统通过交换机、光纤分别与PLC控制器、摄像机Ⅰ（20）、摄像机Ⅱ（26）进行通讯连接。