CN111983133A - 一种模拟管廊管道火灾实验平台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟管廊管道火灾实验平台及其实验方法，包括：管道、管架、火灾模拟机构以及数据采集处理机构。所述火灾模拟机构包括油盆、喷火枪、燃料供应机构、风速调节机构、注液机构、以及压力调节机构。通过所述实验平台模拟实际管廊发生火灾时的环境因素、管道运行工况以及火灾事故类型，实时监测管廊管道温度、压力及管道形变情况，实现对不同环境因素、不同火灾工况下的不同尺寸和不同运输介质的管道温升规律和失效时间的研究。

Description

一种模拟管廊管道火灾实验平台及其实验方法

技术领域

本发明涉及消防安全技术领域，具体涉及一种模拟管廊管道火灾实验平台，还涉及此实验平台的实验方法。

背景技术

公共管廊是化工园区上下游企业间物料传输的桥梁，具有“成本低、效率高”等特点，被形容为化工园区间的动脉。随着化工园区的快速发展，公共管廊在各个工业园区得到了大力兴建，但是由于公共管廊内化工管道布置紧密且以高温、高压管道居多，危险性非常高。如果遇到工人违章作业、外力破坏、腐蚀等情况，管道很容易发生泄漏，如果加压的可燃物质泄漏形成射流，在泄漏口处点燃，由此形成喷射火灾；若可燃物质泄漏形成液池，遇到火源则会形成池火灾。管廊内一旦发生火灾，将造成严重的损失，严重影响居民生活和企业生产，如果对火灾事故处理不及时，甚至可能导致二次事故发生。因此，对公共管廊进行火灾特性研究显得尤为重要。

目前，人们对公共管廊的火灾研究主要由火灾实验模拟、数值模拟分析和理论分析三大类。针对公共管廊火灾进行的实验研究主要分为两种：（1）全尺寸实验（现场实验）研究；（2）缩比模型研究。全尺寸实验研究是对数值模拟、理论分析和缩比模型实验研究结果进行验证的重要手段。而全尺寸实验由于火灾的复杂性与随机性，不能完全实现模拟火灾工况，很难进行大量火灾工况研究。基于此，以相似理论为依据而建立的缩比火灾模型试验可以真实地再现火灾特征，并且可以节约时间成本、节省人力、物力、财力，在火灾研究方面具备独特的优越性，在管廊火灾研究中成为主流。

综合目前已公布的研究成果，国内外对于公共管廊的实验研究较少，整体而言，已有的实验模型没有体现综合现有管廊消防装置以及多层结构的管廊消防需求。其中大部分都为管廊内部火焰的研究，主要研究管道内部火焰扩散性及管道内壁的压力响应等，很少有针对管道外壁的火灾实验。而喷射型火灾和池火灾具有高发生率和强破坏性，大量存在于化工园区、油气田以及管道，并且此类型火灾的破坏方式主要为热辐射，其作用部位主要是容器或者是管道的外壁面。因此，针对管道外壁火灾实验的研究，对预测、预防、控制事故的发生、保障生产生活安全有很大的价值和实践意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种模拟管廊管道火灾实验平台及其实验方法，采用油盆模拟池火灾、喷火枪模拟喷射型火灾，并对火灾环境下的管道温度、压力、应力等参数进行实时监测，实现对管廊管道火灾的模拟及热力响应规律研究。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟管廊管道火灾实验平台，包括：管架、管道、火灾模拟机构以及数据采集处理机构；

所述管架包括至少两个放置层，每层所述放置层上放置多个不同管径的所述管道；所述管道的管径按照原型管廊缩比，每个所述管道壁面上设置有温度传感器和第一形变传感器，部分管道端部设置有压力检测件，所述管架上设置有第二形变传感器；

所述火灾模拟机构包括：油盆和/或喷火枪、风速调节机构、注液机构和压力调节机构；

所述油盆放置于所述管道下方，用于模拟池火灾；所述喷火枪朝向所述管道设置，用于模拟喷射型火灾；所述风速调节机构用于调节朝向管道的风速大小；所述注液机构用于向部分管道内部提供液体；所述压力调节机构用于向部分管道提供气体充装；

所述温度传感器、第一形变传感器、第二形变传感器以及压力检测件均与所述数据采集处理机构电性连接。

进一步的，所述喷火枪设置在支架上，喷火枪与所述支架之间通过角度调节机构连接，所述角度调节机构用于调节所述喷火枪的喷射角度。

进一步的，所述火灾模拟机构还包括用于向所述喷火枪供应燃料的燃料供应机构。

进一步的，所述燃料供应机构包括：用于盛放燃料的气罐和燃料供应通道，气罐通过燃料供应通道连通所述喷火枪。

进一步的，所述注液机构包括：储液容器、液体输送通道和动力设备，所述储液容器用于储存液体介质，储液容器通过动力设备连通液体输送通道，液体输送通道的另一端连通管道。

进一步的，所述压力调节机构包括：空气压缩机、储气罐和注气通道，所述空气压缩机向所述储气罐进行增压，所述储气罐通过注气通道与所述管道连接，注气通道和管道之间设置有压力检测件。

进一步的，所述火灾模拟机构还包括用于记录整个实验过程的摄像机，所述摄像机与所述数据采集处理机构电连接。

进一步的，所述的摄像机和数据采集处理机构摆放在远离实验装置的位置，摄像机和数据采集处理机构与实验装置之间安放有防护装置。

相应的，本发明还提供了一种模拟管廊管道火灾实验平台的实验方法，其具体步骤如下：

S1：安装管架、管道、油盆、喷火枪、风速调节机构、温度传感器、第一形变传感器、第二形变传感器；

S2：连接注液机构、压力调节机构、压力检测件；根据原型管廊情况，设置各个管道的实验工况：

密闭工况的管道：管道内介质为液体时，对此部分管道使用注液机构进行充装液体，直至管内充满，然后封闭管道两端；管道内介质为气体时，对部分管道使用压力调节机构进行增压，增压至管内压力为原型管道的运行压力，然后封闭管道两端；

流动工况的管道：对此部分管道使用注液机构进行充装液体，使得管内液体流速为原型管道内液体的流速；

空载管道：无需任何操作；

S3：打开数据采集处理机构，记录管道内初始压力、温度、风速及风向，开始实验；

S4：将油盆内的燃料燃烧模拟池火灾，喷火枪燃烧模拟喷射型火灾，此两种模拟火灾单独进行或同时进行；持续燃烧一段时间后停止加热，管道进入降温阶段；

S5：待管道冷却至初始温度，由数据采集处理机构将实时接收所述温度传感器测量到的第一数据，接收所述压力检测件测量到的第二数据，接收所述第一形变传感器、第二形变传感器测量到的第三数据。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：采用油盆模拟油池、喷火枪模拟喷射火，通过改变油盆的直径、喷火枪的角度和位置、调节风速调节机构满足实验要求的不同工况，并使用温度传感器、压力检测件、第一形变传感器、第二形变传感器和摄像机等对火灾环境下的管道温度、压力、应力等参数进行实时监测，实现对管廊火灾热响应规律、力响应规律的研究，为开展火灾事故多米诺效应以及管廊火灾事故后果分析的研究提供了数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是模拟管廊管道火灾实验平台的结构示意图；

图2是模拟管廊管道火灾实验平台的俯视图；

图3是管道上传感器安装示意图。

附图标记说明：

1、管架；2、管道；3、喷火枪；4、支架；5、第一放置层；6、第二放置层；7、油盆；8、防护装置；9、摄像机；10、数据采集处理机构；11、燃料供应通道；12、流量检测件；13、气罐；14、风速调节机构；15、储液容器；16、动力设备；17、液体输送通道；18、温度传感器；19、压力检测件；20、第一形变传感器；21、第二形变传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

本发明实施例提供的一种模拟管廊管道火灾实验平台，参见图1，该模拟管廊管道火灾实验平台包括：按照原型管廊同比例缩小的管架1和管道2，以及火灾模拟机构和数据采集处理机构10。

所述管架1包括至少两个放置层，两个放置层分别记为第一放置层5和第二放置层6，所述第一放置层5、第二放置层6中的至少一层用于放置多个不同管径的所述管道2。

根据不同的实验工况需要在管架上两层放置层上放置多个不同管径的管道，既可以满足实验工况的要求，也能满足管架上上下两层管道各项参数的对比。具体的，管道的管径根据原型管廊的几何参数为基础通过力学相似和几何相似计算得到的缩比尺寸，在于能够保证管道的物理性能和力学性能变化与原型管道在真实火灾中相一致。

为了监测火灾实验过程中的管架管道形变情况，所述管道2壁面上设置有温度传感器18和第一形变传感器20，所述管架1上设置有第二形变传感器21。温度传感器是用来采集管道及管道周围温度场变化的，第一形变传感器是用来采集管道在火场中应力变化情况，第二形变传感器是用来采集管架在火场中应力变化情况的。由于管架在火场中也会受到热辐射、热对流或是管架完全在火灾中的影响。采集管架形变参数就是为了能够得出管架在火场中达到不同破坏程度的时间。各传感器的个数依据实际情况确定，可以为1个或多个。

火灾模拟机构包括：支架4；

用于模拟池火灾的油盆7，所述油盆7放置于所述管道2下方；

用于模拟喷射型火灾的喷火枪3；所述喷火枪3固定在所述支架4上并朝向所述管道2；

用于向所述喷火枪3供应燃料的燃料供应机构；

用于调节风速大小的风速调节机构14；

用于向所述管道内部提供液体的注液机构；

用于调节所述管道内部压力大小的压力调节机构。

具体的，所述油盆7为盛放燃料的无盖耐高温容器（上端呈敞口状），用于模拟池火灾的液池，其具有中空的腔体结构。所述油盆内壁设置有刻度线，可根据刻度线准确记录已经加入所述油盆中燃料的量。

在本发明实施例中，所述喷火枪3设置在单独的支架4上，为了实现喷火枪的喷射角度自由调节，喷火枪3与所述支架4之间通过角度调节机构连接，所述角度调节机构用于调节所述喷火枪的喷射角度，所述角度调节机构可拆卸的安装在所述支架4上。更具体的，所述角度调节机构包括但不限于角度连接器，所述喷火枪3通过紧固件固定在所述角度连接器上，所述角度连接器通过螺栓固定在所述支架4上，旋紧螺栓将喷火枪固定在所述支架4上，旋松螺栓可上下调节喷火枪的高度。

在本发明实施例中，所述燃料供应机构包括：气罐13和燃料供应通道11，所述气罐13用于盛放燃料，气罐13通过燃料供应通道11连通所述喷火枪3，为喷火枪3提供燃料。具体的，所述燃料供应通道11可以为塑料材质，具体材质不做限定，其具有相对的两端，一端连通气罐13，所述气罐13上设置有气量控制阀，气量控制阀后设置流量检测件12，所述气量控制阀的接口与流量检测件12的接口、燃料供应通道11的直径大小相匹配，可以进行无缝连接，防止气体泄漏。所述流量检测件12用于检测气罐13内气体流量参数，为了更方便地控制喷火枪内燃料流出的速度。

具体的，所述的风速调节机构14主要是用来满足实验工况下的风速和风向要求，风速调节机构14可以是风洞装置，也可以是其他可以满足实验工况下风速和风向要求的装置，主要是满足实验主体部分（管架+管道）的风速要求，以达到模拟实际管廊发生火灾时的风速条件。考虑到风洞是体积庞大，且是固定的，可根据实验工况要求调整实验平台的摆放位置，以满足实验要求的风速和风向工况。

实验装置能满足两种实验工况，一是管道密闭工况，二是管道内有流体流动工况。两种实验工况可以单独或者同时进行。管架的两个放置层分别放置许多根管道，有的管道是封闭的，有的管道是流动的。封闭状态下的管道内可以是液体也可以是气体。可以根据实验目的对管道的工况条件进行调整。

当进行密闭工况实验时（管道一端安装封头进行封闭），需要检测整个实验过程中管道内部压力变化，所以需要在管道一端安装压力检测件19。管廊发生火灾时，会采取关阀措施避免事故进一步扩大，这个时候两端阀门关闭，中间的管道就形成了密闭管道，密闭工况就是模拟这种情况下的，所以在管道内部需要充装液体或者是气体。本发明采用注液机构向部分管道内部充装液体或提供流动液体；采用压力调节机构调节部分管道内部压力。

在本发明实施例中，所述注液机构包括：储液容器15、液体输送通道17和动力设备16，所述储液容器15用于储存液体介质，储液容器15通过动力设备16连通液体输送通道17，液体输送通道17的另一端连通管道2，储液容器15内液体在动力设备16驱动下通过液体输送通道17向管道2内流动。此注液机构可以实现两个作用：一是给流动工况的管道提供流动的液体，二是给密闭工况的管道进行液体充装。

具体的，所述液体输送通道17可为PVC输水管，具体材质不做限定。当进行部分管道内有流体流动实验时，在液体输送通道17与管道2的连通处安装有流量控制阀，所述流量控制阀用于调节液体流量大小，控制管道内介质的传输速度。所述流量控制阀的接口与所述液体输送通道17的直径大小相匹配，可以进行无缝连接，防止液体泄漏。

在本发明实施例中，所述压力调节机构包括：空气压缩机、储气罐和注气通道，所述空气压缩机向所述储气罐进行增压，所述储气罐通过注气通道与所述管道2连接，注气通道和管道2之间设置有压力检测件19和压力控制阀。

压力调节机构是用来对密闭管道内进行气体充装，使管内的压力达到原型管廊内管道的运行压力。具体的实现过程是，空气压缩机对储气罐进行增压，打开储气罐阀门、压力控制阀对所述管道2进行增压，观察压力检测件19，当压力达到原型管廊内管道运行压力时，关闭阀门，增压结束。

在本发明的优选实施例中，实验平台还包括用于记录整个实验过程的摄像机9。

所述数据采集处理机构10与所述温度传感器18、所述第一形变传感器20、所述第二形变传感器21、所述压力检测件19、所述摄像机9均电性连接。

所述的摄像机9和数据采集处理机构10摆放在距离实验装置以外的位置，摄像机9和数据采集处理机构10与实验装置之间安放有防护装置8，以保护摄像机9和数据采集处理机构10。所述防护装置8具体为耐高温、具有防爆特性、透明性和抗冲击能力的玻璃板。

本发明的实验平台采用油盆模拟油池、喷火枪模拟喷射火，通过改变油盆的直径、喷火枪的角度和位置、调节风速调节机构满足实验要求的不同工况，并使用温度传感器、压力检测件、第一形变传感器、第二形变传感器和摄像机等对火灾环境下的管道温度、压力、应力等参数进行实时监测，实现对管廊火灾热响应规律、力响应规律的研究，为开展火灾事故多米诺效应以及管廊火灾事故后果分析的研究提供了数据支撑。

本发明一种模拟管廊管道火灾实验平台的实验方法，其具体步骤如下：

步骤S1：将所述实验平台设置好管道2、油盆7、喷火枪3、风速调节机构14、温度传感器18、第一形变传感器20、第二形变传感器21；

步骤S2：连接燃料供应机构、注液机构、压力调节机构、压力检测件19，当安装好实验装置后，设置好各个管道2的实验工况：

密闭工况的管道：管道内介质为液体时，对此部分管道使用注液机构进行充装液体，直至管内充装率达到100%，然后封闭管道两端；管道内介质为气体时，对部分管道使用压力调节机构进行增压，增压至管内压力为原型管道的运行压力，然后封闭管道两端；

流动工况的管道：对部分管道使用注液机构进行充装液体，使得管内液体流速为原型管道内液体的流速；

空载管道：无需任何操作。

步骤S3：打开数据采集处理机构10，记录管道2内初始压力、温度、风速及风向，开始实验；其中初始压力是由压力检测件19获得，初始温度是由温度传感器18获得。

步骤S4：将油盆内的燃料燃烧模拟池火灾，喷火枪燃烧模拟喷射型火灾，此两种模拟火灾可单独进行，也可同时进行。持续燃烧一段时间后（达到破坏温度之前），停止加热，管道2进入降温阶段；

步骤S5：待管道2冷却至初始温度，由第一形变传感器20记录管道2不同部位的形变程度；

步骤S6：数据采集处理机构10将实时接收所述温度传感器18测量到的第一数据，接收所述压力检测件19测量到的第二数据，接收所述第一形变传感器20、第二形变传感器21测量到的第三数据。温度传感器检测到的温度场变化情况，压力检测件检测到的管道内部压力变化情况，第一和第二形变传感器检测到的形变情况，这些数据可以用来对管廊火灾力相应规律和热相应规律、温升规律和失效时间的研究。

本发明的有益效果是：本发明提供的模拟管廊火灾的实验平台的管架参数和管道的摆放位置通过原型管廊的几何参数为基础根据力学相似公式计算得到的缩比尺寸，能够更好的模拟管廊管道火灾事故发生时周围温度、压力以及管道和管架的应变情况。当原型管廊参数改变或模拟不同参数的管廊时，可根据力学相似公式计算得到的结果更换实验装置某一部件，使得实验得到的最终结果更贴合实际情况，从而减小了因装置的尺寸缩小对整个实验结果的影响，提高了实验的精准度。

本发明提供的模拟管廊火灾的实验平台中，用于测量火灾发生时管道周围温度变化的温度传感器、管道内部压力的压力检测件、管道应变状况的第一形变传感器和管架应变状况的第二形变传感器与数据采集处理机构采用电性连接，数据采集处理系统自动实时记录数据的变化，省时省力，减小了工作量。

本发明提供的模拟管廊管道火灾的实验平台比较于全尺寸实验平台具有以下优点：全尺寸实验由于火灾的复杂性与随机性，不能完全实现模拟火灾工况，并且全尺寸实验平台耗费大量的材料、燃料以及时间，很难进行大量火灾工况研究。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，包括：管架、管道、火灾模拟机构以及数据采集处理机构；

所述管架包括至少两个放置层，每层所述放置层上放置多个不同管径的所述管道；所述管道的管径按照原型管廊缩比，每个所述管道壁面上设置有温度传感器和第一形变传感器，部分管道端部设置有压力检测件，所述管架上设置有第二形变传感器；

所述火灾模拟机构包括：油盆和/或喷火枪、风速调节机构、注液机构和压力调节机构；

所述油盆放置于所述管道下方，用于模拟池火灾；所述喷火枪朝向所述管道设置，用于模拟喷射型火灾；所述风速调节机构用于调节朝向管道的风速大小；所述注液机构用于向部分管道内部提供液体；所述压力调节机构用于向部分管道提供气体充装；

所述温度传感器、第一形变传感器、第二形变传感器以及压力检测件均与所述数据采集处理机构电连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述喷火枪设置在支架上，喷火枪与所述支架之间通过角度调节机构连接，所述角度调节机构用于调节所述喷火枪的喷射角度。

3.根据权利要求1所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述火灾模拟机构还包括用于向所述喷火枪供应燃料的燃料供应机构。

4.根据权利要求3所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述燃料供应机构包括：用于盛放燃料的气罐和燃料供应通道，气罐通过燃料供应通道连通所述喷火枪。

5.根据权利要求1所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述注液机构包括：储液容器、液体输送通道和动力设备，所述储液容器用于储存液体介质，储液容器通过动力设备连通液体输送通道，液体输送通道的另一端连通管道。

6.根据权利要求1所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述压力调节机构包括：空气压缩机、储气罐和注气通道，所述空气压缩机向所述储气罐进行增压，所述储气罐通过注气通道与所述管道连接，注气通道和管道之间设置有压力检测件。

7.根据权利要求1所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述火灾模拟机构还包括用于记录整个实验过程的摄像机，所述摄像机与所述数据采集处理机构电性连接。

8.根据权利要求7所述的一种模拟管廊管道火灾实验平台，其特征是，所述的摄像机和数据采集处理机构摆放在远离实验装置的位置，摄像机和数据采集处理机构与实验装置之间安放有防护装置。

9.根据权利要求1-8任一项所述一种模拟管廊管道火灾实验平台的实验方法，其特征是，具体步骤如下：

S1：安装管架、管道、油盆、喷火枪、风速调节机构、温度传感器、第一形变传感器、第二形变传感器；

S2：连接注液机构、压力调节机构、压力检测件；根据原型管廊情况，设置各个管道的实验工况：

密闭工况的管道：管道内介质为液体时，对此部分管道使用注液机构进行充装液体，直至管内充满，然后封闭管道两端；管道内介质为气体时，对部分管道使用压力调节机构进行增压，增压至管内压力为原型管道的运行压力，然后封闭管道两端；

流动工况的管道：对此部分管道使用注液机构进行充装液体，使得管内液体流速为原型管道内液体的流速；

S3：打开数据采集处理机构，记录管道内初始压力、温度、风速及风向，开始实验；

S4：将油盆内的燃料燃烧模拟池火灾，喷火枪燃烧模拟喷射型火灾，此两种模拟火灾单独进行或同时进行；持续燃烧一段时间后停止加热，管道进入降温阶段；

S5：待管道冷却至初始温度，由数据采集处理机构实时接收所述温度传感器测量到的第一数据，接收所述压力检测件测量到的第二数据，接收所述第一形变传感器、第二形变传感器测量到的第三数据。

Images