CN114264551A - 一种压力容器的爆破试验方法及试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力容器的爆破试验技术领域，公开了一种压力容器的爆破试验方法，具体为：压力容器内部预先充装有介质，所述介质为具有临界温度的液态气体，且预先充装在压力容器内部的介质的温度低于该介质的临界温度；不断提高压力容器的外部环境温度，同时记录压力容器中的压力变化；直至压力容器发生破裂，得到发生破裂时的压力容器中的压力值即为爆破压力，以及得到压力容器发生破裂处的段口形态。本发明能够部分表征气瓶在气爆下的失效形态，试验效果更好，且降低了试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及压力容器的爆破试验技术领域，尤其是一种压力容器的爆破试验方法及试验系统。
背景技术
压力容器中的气瓶广泛应用于日常的生产生活，如家用的液态石油气气瓶，工业生产过程中用到的乙炔、压缩天然气气瓶，医疗领域使用的氮气、氧气气瓶等。气瓶作为一个储存容器，多数存储的是高压的压缩气体。在正常操作、充装以及运输过程中，有时会发生强度失效及疲劳断裂，造成重大的人员伤亡和财产损失。
爆破压力是气瓶等批量检验的压力容器在设计和制造阶段衡量耐压能力的重要参数，爆破压力与设计压力的比值能在一定程度上表征气瓶的安全裕度。一般情况下，气瓶的爆破压力是其工程压力的2.5至3倍以上。目前测试气瓶的爆破压力是根据GB/T15385《气瓶水压爆破试验方法》中规定的方法测定的，测定方法为：通过高压水泵向被测气瓶中不断充入水，使气瓶的压力升高，直至气瓶破裂，记录气瓶破裂前的压力作为爆破压力。
但是，该测定方法存在一些技术上的不足：
(1)需要配置高压的水泵，由于配置的水泵输出压力需要大于预计的气瓶爆破压力，且在气瓶爆破前需要不断的加压，因此水泵需要很大的占地空间和大功率电机，操作过程中，由于工况恶劣，时常会出现由于进出口单向阀故障、柱塞密封失效等造成停机故障，从而造成爆破试验的意外中止；
(2)目前爆破试验使用的介质都是水，只能模仿液压爆破下气瓶的失效，由于液体的可压缩性较小，气瓶在初始爆破形成破口后，内部压力下降很快，能量释放时间短，因此与气瓶实际使用中的气爆存在一定的差异；
(3)试验过程中气瓶往往被卧置于空气中，爆破时喷出的水流以及水流给气瓶的反作用力会对周围设施产生破坏性影响。
另外，现有技术中也存在一些先进的设计方法可以降低气瓶强度和疲劳失效的风险，例如弹塑性应力分析、断裂力学计算等，但是由于气瓶是批量规模化生产，在制造过程中难免出现瑕疵，为了保险起见，现行的标准法规中对于气瓶和简单容器等大批量生产制造的压力容器，仍以抽样爆破试验来进行某一批次产品的质量验证。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种压力容器的爆破试验方法，能够部分表征气瓶在气爆下的失效形态，效果更好，还降低了试验成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种压力容器的爆破试验方法，包括以下步骤：
S1，压力容器内部预先充装有介质，所述介质为液态气体；预先充装在压力容器内部的介质的温度低于该介质的临界温度；
S2，不断提高压力容器的外部环境温度，同时记录压力容器中的压力变化；
S3，直至压力容器发生破裂，得到发生破裂时的压力容器中的压力值即为爆破压力，以及得到压力容器发生破裂处的段口形态。
步骤S2中，将压力容器浸没于水中，不断提高水的温度，同时记录压力容器中的压力变化。
介质为一氧化二氮或二氧化碳。
本发明还提供了一种压力容器的爆破试验系统，包括：介质加注单元、水冷机组以及用于放置压力容器的压力容器储槽；
所述介质加注单元用于向压力容器内充装介质，所述介质为液态气体；
所述介质加注单元包括：介质储槽、第一连接软管、高压泵机组、第二连接软管、加注管路；
所述介质储槽用于存储充装到压力容器内的介质，即液态气体；
所述介质储槽与高压泵机组之间通过第一连接软管2连接；
所述高压泵机组用于对介质进行增压，增压至一定压力后，通过加注管路注入压力容器；
加注管路的输入端与高压泵机组的输出端相连接；加注管路上沿介质加注方向依次设有第一单向阀、介质预冷器、电磁阀、切断装置；加注管路的输出端通过第二连接软管与压力容器连接；
所述介质预冷器用于对介质进行冷却；
所述水冷机组用于向压力容器储槽提供热源，即注入热水。
一种压力容器的爆破试验系统，还包括：抽真空单元；
所述抽真空单元用于对压力容器和系统管路进行抽真空；
所述抽真空单元包括：真空泵、抽真空管路；
所述真空泵通过抽真空管路与加注管路相连接，且接入点位于加注管路上的电磁阀和切断装置之间；
所述抽真空管路上沿真空泵到加注管路的方向上，依次设有第二单向阀、截止阀。
所述水冷机组的输出端通过热水加注管路与压力容器储槽的顶部相连接；
所述压力容器储槽的底部通过回流管路与水冷机组的输入端相连接。
一种压力容器的爆破试验系统，还包括：测量控制单元；
所述测量控制单元包括：计算机，以及分别与计算机相连接的重量检测部、第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、压力变送器、摄像头、真空计、第一压力检测器、第二压力检测器；
所述重量检测部设置于介质储槽的底部，用于采集介质充装前后的介质储槽的重量；
所述压力变送器接在加注管路上，且接入点位于切断装置和第二连接软管之间，用于采集加注管路上的压力；
所述第一温度变送器接在热水加注管路上，用于采集压力容器储槽中所注入的热水的温度；
所述第二温度变送器接在回流管路上，用于采集压力容器储槽中所回流的水的温度；
所述第三温度变送器接在加注管路上，且接入点位于切断装置和第二连接软管之间，用于采集加注管路中所流经的介质的温度；
所述第一压力检测器和第二压力检测器均接在加注管路上，接入点均位于切断装置和第二连接软管之间，均用于采集加注管路上的压力；
所述摄像头镜头对准压力容器，用于采集压力容器在爆破试验过程中的破裂影像；
所述真空计接在抽真空管路上，且接入点位于截止阀与加注管路之间，用于采集抽真空管路中的真空度；
重量检测部、第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器、压力变送器、摄像头、真空计、第一压力检测器、第二压力检测器分别将所采集的数据发送至计算机。
压力容器的爆破试验方法，具体如下所示：
S1，将压力容器放置于压力容器储槽中的支架上，此时，压力容器储槽中还未注入热水；
S2，打开抽真空单元进行抽真空，待真空计所采集的真空度达到设定数值后，关闭抽真空单元；
S3，打开介质加注单元向压力容器中充装介质，并控制所充装介质的温度低于介质的临界温度；
S4，待压力容器中充装满介质后，停止介质充装，断开压力容器与介质加注单元之间的连接；
S5，通过水冷机组，以及热水加注管路和回流管路循环向压力容器储槽中注入热水，持续提高压力容器储槽中的温度，同时，记录压力容器中的压力变化，直至压力容器发生破裂，得到发生破裂时的压力容器中的压力值即为爆破压力，以及得到压力容器发生破裂处的段口形态。
所述计算机还与系统中的各个开关、阀门相连接，用于控制系统中的各个开关、阀门。
所述水冷机组还与介质预冷器相连接，用于向介质预冷器提供冷源。
本发明的优点在于：
(1)由于本发明的试验的介质为具有临界温度的液态气体，包括高压液态气体和低压液态气体，压力容器爆破时的介质超过其临界温度，因此在爆破产生瞬间，介质处于超临界状态，从压力容器的瓶体释放出来的介质迅速转化为气态，在爆破区域处于气爆的状态，能量释放介于液爆和气爆之间，能够部分表征气瓶在气爆下的失效形态。
(2)由于本发明的压力容器整体浸没在水中，爆破产生的冲击波可由水吸收一部分，能够有效地减小爆破产生的危害。
(3)由于压力容器中经常储存高压液态气体和低压液态气体，可利用压力容器本身储存的惰性介质如一氧化二氮、二氧化碳等进行爆破试验，更加贴合实际的模拟出压力容器在操作工况的失效模式，进一步表征压力容器的失效机理。
(4)试验的介质为一氧化二氮、二氧化碳等具有临界温度的液态气体，容易获得且成本较低，降低了整个试验成本，介质与压力容器的材料相容，能取得更好的效果。
(5)由于本发明只需要将试验的介质充入气瓶即可，因此本发明的试验准备时间可适当延长，本发明的试验系统中无需配备大流量的高压压缩机，仅使用高压小流量水泵即可，可减少试验装备的建设成本。
(6)本发明在试验过程中高压泵机组无需连续工作，只是在试验前的介质充装过程中进行工作，可降低试验成本。
(7)本发明对压力容器和系统管路进行抽真空，防止压力容器和系统管路中原有的空气影响试验结果。
附图说明
图1为本发明的一种压力容器的爆破试验系统的整体示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种压力容器的爆破试验方法，如下所示：
对压力容器中预先充装一定质量和一定压力的介质，介质为低压液态气体或高压液态气体，一定质量是以充满压力容器为准，使压力容器中的压力达到P1；不断提高压力容器的外部环境温度，同时检测压力容器中的压力变化，直至压力容器发生破裂，记录压力容器发生破裂时的压力，并观察压力容器发生破裂处的段口形态。
由图1所示，一种压力容器的爆破试验系统，包括：介质加注单元、抽真空单元、测量控制单元、水冷机组26、压力容器储槽15，以及压力容器13；
本实施例中，所试验的压力容器13为气瓶。
压力容器储槽15内设有支架14，用于放置压力容器13。
所述介质加注单元用于向压力容器13内充装液态高临界点的介质，例如，一氧化二氮、二氧化碳等具有临界温度的液态气体；
所述介质加注单元包括：介质储槽1、第一连接软管2、高压泵机组3、第一单向阀4、介质预冷器5、电磁阀6、切断装置7、第二连接软管12、加注管路I；
所述介质储槽1用于存储充装到压力容器13内的介质；
所述介质储槽1与高压泵机组3之间通过第一连接软管2连接；
所述高压泵机组3用于对介质储槽1中的介质进行增压，增压至指定压力后，通过加注管路I注入压力容器13；
加注管路I的输入端与高压泵机组3的输出端连接；加注管路I上沿介质加注方向依次设有第一单向阀4、介质预冷器5、电磁阀6、切断装置7；加注管路I的输出端通过第二连接软管12与压力容器13连接；
所述介质预冷器5用于对经高压泵机组3增压导致发热的介质进行冷却。
所述抽真空单元用于对压力容器13和系统管路进行抽真空，防止压力容器13和系统管路中原有的空气影响试验结果。
所述抽真空单元包括：真空泵18、第二单向阀19、截止阀20、抽真空管路II；
所述真空泵用于抽真空；所述真空泵18通过抽真空管路II与加注管路I相连接，且接入点位于加注管路I上的电磁阀6和切断装置7之间；
所述抽真空管路II上沿真空泵18到加注管路I的方向上，依次设有第二单向阀19、截止阀20；
所述第二单向阀19用于防止抽真空过程中空气的回流。
所述水冷机组26的输出端通过热水加注管路III与压力容器储槽15的顶部相连接，水冷机组26向压力容器储槽15提供热源即注入热水；
所述压力容器储槽15的底部通过回流管路IV与水冷机组26的输入端相连接，压力容器储槽15中的水通过回流管路IV回流至所述水冷机组26中。
所述水冷机组26还与介质预冷器5相连接，向介质预冷器5提供冷源。
所述测量控制单元包括：计算机23、分别与计算机相连接的电子秤22、第一温度变送器24、第二温度变送器25、第三温度变送器11、压力变送器9、摄像头17、真空计21、第一压力表8、第二压力表10；
所述电子秤22设置于介质储槽1的底部，用于测量压力容器充装介质前后的介质储槽1的重量，并将采集到的介质储槽1的重量发送至计算机23中，从而控制充装到压力容器13内的介质的质量；
所述压力变送器9接在加注管路I上，且接入点位于切断装置7和第二连接软管12之间，用于采集加注管路I上的压力，并将采集到的加注管路I的压力发送至计算机23中；
所述第一温度变送器24接在热水加注管路III上，用于采集压力容器储槽15中所注入的热水的温度，并将采集到的所注入的热水的温度发送至计算机23中；
所述第二温度变送器25接在回流管路IV上，用于采集压力容器储槽15所回流的水的温度，并将采集到的所回流的水的温度发送至计算机23中；
所述第三温度变送器11接在加注管路I上，且接入点位于切断装置7和第二连接软管12之间，用于采集加注管路I中所流经的介质的温度，并将采集到的加注管路I中所流经的介质的温度发送至计算机23中；计算机23根据加注管路I中所流经的介质的温度，控制介质预冷器5的功率，从而实现对介质温度的调控；
所述第一压力表8和第二压力表10均接在加注管路I上，接入点均位于切断装置7和第二连接软管12之间，均用于采集加注管路I上的压力，并将采集到的加注管路I的压力均发送至计算机23中；第一压力表8和第二压力表10的接入点位置均尽量靠近压力容器13；
所述摄像头17用于拍摄压力容器13，采集压力容器13在爆破试验过程中的破裂影像，并将采集到的压力容器13的破裂影像发送至计算机23中；爆破试验场地中，压力容器储槽15的周围设置有围堰，所述摄像头17可设置于试验场地的围堰上；
所述真空计21接在抽真空管路II上，且接入点位于截止阀20与加注管路I之间，在抽真空过程中采集抽真空管路II中的真空度，并将所采集的抽真空管路II中的真空度发送至计算机23中，从而判断整个系统中的真空度。
基于该爆破试验系统进行爆破试验的过程，如下所示：
S1，将压力容器13即气瓶放置于压力容器储槽15中的支架14上，此时压力容器储槽15中还未注入热水；
S2，打开抽真空单元，进行抽真空，待整个试验系统的管路中的真空度达到-100Pa以下，即待真空计21所采集的真空度达到-100Pa时，关闭抽真空单元；
S3，通过介质加注单元向压力容器13即气瓶中充装一定质量的介质，使得压力容器13中的压力达到P1；所充装介质的质量通过电子秤22进行控制；介质充装过程中，通过水冷机组26向介质预冷器5提供冷源，并通过第三温度变送器11采集加注管路I中所流经的介质的温度，从而控制介质预冷器5的功率，实现对介质温度的调控；
S4，通过压力变送器9、第一压力表8、第二压力表10检测压力容器13中的压力，待压力容器13中的压力达到P1后，停止介质充装，即打开电磁阀6，闭合切断装置7，断开压力容器13与介质加注单元之间的连接；
S5，通过水冷机组26，以及热水加注管路III和回流管路IV循环向压力容器储槽15中注入热水，持续提高压力容器储槽15中热水的温度，同时记录压力容器13中的压力变化，直至压力容器13发生破裂，获取压力容器13发生破裂时的压力值即爆破压力；后续的，对压力容器13发生破裂处的段口形态进行观察。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种压力容器的爆破试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，压力容器内部预先充装有介质，所述介质为液态气体；预先充装在压力容器内部的介质的温度低于该介质的临界温度；
S2，不断提高压力容器的外部环境温度，同时记录压力容器中的压力变化；
S3，直至压力容器发生破裂，得到发生破裂时的压力容器中的压力值即为爆破压力，以及得到压力容器发生破裂处的段口形态。
2.根据权利要求1所述的一种压力容器的爆破试验方法，其特征在于，步骤S2中，将压力容器浸没于水中，不断提高水的温度，同时记录压力容器中的压力变化。
3.根据权利要求1所述的一种压力容器的爆破试验方法，其特征在于，介质为一氧化二氮或二氧化碳。
4.一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，包括：介质加注单元、水冷机组(26)以及用于放置压力容器(13)的压力容器储槽(15)；
所述介质加注单元用于向压力容器(13)内充装介质，所述介质为液态气体；
所述介质加注单元包括：介质储槽(1)、第一连接软管(2)、高压泵机组(3)、第二连接软管(12)、加注管路(I)；
所述介质储槽(1)用于存储充装到压力容器(13)内的介质，即液态气体；
所述介质储槽(1)与高压泵机组(3)之间通过第一连接软管2连接；
所述高压泵机组(3)用于对介质进行增压，增压至一定压力后，通过加注管路(I)注入压力容器(13)；
加注管路(I)的输入端与高压泵机组(3)的输出端相连接；加注管路(I)上沿介质加注方向依次设有第一单向阀(4)、介质预冷器(5)、电磁阀(6)、切断装置(7)；加注管路(I)的输出端通过第二连接软管(12)与压力容器(13)连接；
所述介质预冷器(5)用于对介质进行冷却；
所述水冷机组(26)用于向压力容器储槽(15)提供热源，即注入热水。
5.根据权利要求4所述的一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，还包括：抽真空单元；
所述抽真空单元用于对压力容器(13)和系统管路进行抽真空；
所述抽真空单元包括：真空泵(18)、抽真空管路(II)；
所述真空泵(18)通过抽真空管路(II)与加注管路(I)相连接，且接入点位于加注管路(I)上的电磁阀(6)和切断装置(7)之间；
所述抽真空管路(II)上沿真空泵(18)到加注管路(I)的方向上，依次设有第二单向阀(19)、截止阀(20)。
6.根据权利要求5所述的一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，所述水冷机组(26)的输出端通过热水加注管路(III)与压力容器储槽(15)的顶部相连接；
所述压力容器储槽(15)的底部通过回流管路(IV)与水冷机组的输入端相连接。
7.根据权利要求5所述的一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，还包括：测量控制单元；
所述测量控制单元包括：计算机(23)，以及分别与计算机(23)相连接的重量检测部、第一温度变送器(24)、第二温度变送器(25)、第三温度变送器(11)、压力变送器(9)、摄像头(17)、真空计(21)、第一压力检测器、第二压力检测器；
所述重量检测部设置于介质储槽(1)的底部，用于采集介质充装前后的介质储槽(1)的重量；
所述压力变送器(9)接在加注管路(I)上，且接入点位于切断装置(7)和第二连接软管(12)之间，用于采集加注管路(I)上的压力；
所述第一温度变送器(24)接在热水加注管路(III)上，用于采集压力容器储槽(15)中所注入的热水的温度；
所述第二温度变送器(25)接在回流管路(IV)上，用于采集压力容器储槽(15)中所回流的水的温度；
所述第三温度变送器(11)接在加注管路(I)上，且接入点位于切断装置(7)和第二连接软管(12)之间，用于采集加注管路(I)中所流经的介质的温度；
所述第一压力检测器和第二压力检测器均接在加注管路(I)上，接入点均位于切断装置(7)和第二连接软管(12)之间，均用于采集加注管路(I)上的压力；
所述摄像头(17)镜头对准压力容器(13)，用于采集压力容器(13)在爆破试验过程中的破裂影像；
所述真空计(21)接在抽真空管路(II)上，且接入点位于截止阀(20)与加注管路(I)之间，用于采集抽真空管路(II)中的真空度；
重量检测部、第一温度变送器(24)、第二温度变送器(25)、第三温度变送器(11)、压力变送器(9)、摄像头(17)、真空计(21)、第一压力检测器、第二压力检测器分别将所采集的数据发送至计算机(23)。
8.根据权利要求7所述的一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，压力容器的爆破试验方法，具体如下所示：
S1，将压力容器(13)放置于压力容器储槽(15)中的支架(14)上，此时，压力容器储槽(15)中还未注入热水；
S2，打开抽真空单元进行抽真空，待真空计(21)所采集的真空度达到设定数值后，关闭抽真空单元；
S3，打开介质加注单元向压力容器(13)中充装介质，并控制所充装介质的温度低于介质的临界温度；
S4，待压力容器(13)中充装满介质后，停止介质充装，断开压力容器(13)与介质加注单元之间的连接；
S5，通过水冷机组(26)，以及热水加注管路(III)和回流管路(IV)循环向压力容器储槽(15)中注入热水，持续提高压力容器储槽(15)中的温度，同时，记录压力容器(13)中的压力变化，直至压力容器(13)发生破裂，得到发生破裂时的压力容器(13)中的压力值即为爆破压力，以及得到压力容器(13)发生破裂处的段口形态。
9.根据权利要求7所述的一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，所述计算机(23)还与系统中的各个开关、阀门相连接，用于控制系统中的各个开关、阀门。
10.根据权利要求4所述的一种压力容器的爆破试验系统，其特征在于，所述水冷机组(26)还与介质预冷器(5)相连接，用于向介质预冷器(5)提供冷源。
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