CN114813405B - 一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置和方法 - Google Patents

一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及其爆破性能检测试验装置，属于石化企业安全领域。包括可视化爆炸系统、爆破片装置、点火系统、供气系统、喷粉系统、压力采集系统、温度采集系统、应变采集系统、冲击波振荡采集系统、油浴加热系统、图像采集系统、同步控制系统、程序控制与数据采集系统。通过点火系统引燃可视化爆炸系统内部的预混气体或气体/粉尘复合爆炸介质产生爆炸火焰和冲击波，实现高温冲击波动态载荷（不同升压速率）对爆破片爆破性能及其失效形式进行测试与研究。本发明创造通过研究动态载荷下石化装置爆破片爆破性能及其失效形式测试装置，填补了传统检测系统对动态载荷下石化装置爆破片失效形式及其爆破性能检测的空白。

Description

一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试 验装置和方法
技术领域
本发明创造属于石化企业安全领域，尤其是涉及一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置和方法。
背景技术
爆破片作为一种精密的安全泄放元件，广泛应用于压力容器、压力管道等具有超压风险的设备装置上，其主要作用是当承压设备超压时迅速泄压，避免承压设备内压过高而导致容器爆炸。随着承压设备安全及环境保护要求的不断提高，爆破片的性能和可靠性备受重视。爆破片是承压设备最后一道安全保护装置，其设备大多装有易燃、易爆 有毒介质，发生异常时应准确及时的将压力泄放，避免事故发生。然而，随着爆破片应用场合的不断扩大，新的问题不断出现，使得爆破片失效概率越来越多。例如爆破片的质量未能达到合格的性能指标，使用过程中必将发生爆破失效，给石化企业带来巨大的安全隐患。每年都将给人民群众的生命财产安全造成了巨大损失，严重危害着国家的经济发展和社会的稳定。
爆破片是一次性开启的安全泄放装置，其动作的准确性和可靠性是设备安全的重要保障。在国际上通常采用型式试验对其质量和性能进行评价。我国根据《国务院对确需保留的行政审批项目设定行政许可的决定》规定，安全附件的设计、制造单位应取得相应许可，所生产的产品应按国家标准在指定机构进行型式试验。国外对爆破片的研究与检验管理模式已成熟，然而国内专业检测机构较少且相应的测试技术方法和标准也不完善。爆破片试验检测装置研制将代表我国在爆破片型式试验的能力和水平，因此开展爆破片动态载荷（极短时间内载荷发生急剧变化，即较高的升压速率）下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测技术的研发并完善爆破性能检测基础理论是当务之急，这包括爆破片失效形式及影响因素、稳态静超压下爆破片爆破性能、不同机械损伤爆破片的爆破性能、快速升压速率下爆破片动态响应与爆破性能、以及材质和结构类型对爆破压力和性能的认识与理解，进而能够完善动态载荷工况下爆破片失效理论和爆破压力预测方法。这对于推动爆破片质量品质的提升，完善现有标准与规范有重要促进作用。
目前，国内外学者对爆破片的力学性能和失效形式做了大量实验研究，也相继开发了爆破片的型式试验的检测试验装置。然而，此实验装置与先前学者开发的装置所关注内容存在根本上不同；（1）当前学者多关注于准静态压力下的爆破失效性能的测试与检测研究，然而石化企业事故多由于容器内部发生气体、气体/粉尘复合爆炸或化学反应失控导致容器内部压力迅速上升过程所致。静态压力与动态载荷压力对容器或管道所产生的作用影响是完全不能等同的，在高温动态冲击波载荷作用下爆破片的失效机理及破裂形式更加复杂。此外相比于准静态超压，考虑高温动态载荷冲击波作用过程与实际工况更符合；（2）当前学者多关注于准静态压力下爆破片应力应变随时间响应变化以及爆破片的失效形式。在高温动态载荷作用下，结合快速响应的应力应变、温度场分布和破裂动态响应过程进行爆破片失效形式及其爆破性能检测研究，相关的实验研究装置尚未见报道。（3）通过安装爆炸容器和爆炸管道上的爆破片装置，实现对安装于石化装置容器与管道内部气体或气体/粉尘爆炸火焰和冲击波动态作用下的爆破片失效形式及其爆破性能的检测。同时爆破片爆破性能受诸多因素影响，本实验装置可开展爆破片失效形式及影响因素、稳态静超压下爆破片爆破性能、不同机械损伤爆破片的爆破性能、升压速率动态爆破片的爆破性能、材质和结构类型对爆破压力和性能的影响研究。重点提出基于静态超压作用下爆破片的设计压力适用于动态载荷下设计压力的对应关系式，完善爆破片失效理论和爆破压力预测方法。这对石化装置爆破片爆破性能检测的产业化升级与安全防护提供理论指导与技术支撑。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，包括：可视化爆炸系统、爆破片装置、点火系统、供气系统、喷粉系统、压力采集系统、温度采集系统、应变采集系统、冲击波振荡采集系统、油浴加热系统、图像数据采集系统、同步控制系统、程序控制与数据采集系统；
一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及其爆破性能检测试验装置和方法，其特征在于：包括可视化爆炸系统、爆破片装置、点火系统、供气系统、喷粉系统、压力采集系统、温度采集系统、应变采集系统、冲击波振荡采集系统、油浴加热系统、图像数据采集系统、同步控制系统、程序控制与数据采集系统；
所述可视化爆炸系统由可视化爆炸容器1、变截面筒体2、爆炸管道27和球阀26组成。可视化爆炸容器1为柱体容器结构，其壁面安装可视化视窗观测内部气体或气体/粉尘复合爆炸的引燃与火焰发展演变过程，底端通过端部盲板法兰29-1密封，与变截面筒体2通过法兰连接，与爆炸管道27刚性连接。爆炸管道27端部通过端部盲板法兰29-2密封，在其端部安装针阀实现产物的排放。通过球阀26的开启与关闭，可分别进行安装在容器与管道上的爆破片性失效形式及其爆破性能检测研究。
可视化爆炸容器1左下侧连接针阀并与压缩机10相连，实现容器内部确定的超压值以及对容器内部产物进行吹扫与置换；通过针阀与真空泵11相连，实现容器内部确定的真空度。可视化爆炸容器1右侧通过针阀连接真空压力表17-2，调控与监测容器内部的初始压力值。
所述爆破片装置由夹持器3-1、爆破片4-1或3-2和4-2组成。夹持器3-1和3-2分别通过螺栓安装在变截面筒体2和爆炸管道27的开口法兰上端。通过更换变截面筒体2改变上端面法兰尺寸，进而实现不同尺寸及结构形式的爆破片性能检测试验研究。
所述点火系统由点火电极9、可调高能点火器28、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。点火电极9对称安装于可视化爆炸容器1垂直高度中心位置，并在其内部中心区域点火，通过可调高能点火器28实现点火能量的调控。
所述供气系统由可燃气体气瓶21和空气气瓶22、气体流量计18-1和18-2、预混罐16、压力表17-1和电磁阀14所组成。通过气体流量计18-1和18-2实现预混罐内不同浓度和压力预混气体的配置。通过程序控制与数据采集系统20控制电磁阀14的开启与关闭，实现可视化爆炸容器1中预混气体的进入以及粉尘的扬尘过程，单向阀13能够阻止可视化爆炸容器1内部爆炸产生的火焰和冲击波沿着管路反向传播。
所述喷粉系统由哈特曼喷粉装置12组成，并安装在端部盲板法兰29-1的中心区域。粉尘置于哈特曼喷粉装置槽内，底端管束喷出的高速预混气体流经哈特曼喷粉装置时，由于半球形“蘑菇帽”的阻挡，形成自下而上的涡流，将凹槽中的粉尘扬起并形成粉尘云，该种喷粉结构能够实现相对均匀的粉尘云浓度。通过改变粉尘种类、浓度和粒径等参数，可实现对不同工贸涉粉企业安装使用的爆破片爆破性能进行检测与研究。
所述压力采集系统由高频压力传感器5-1、5-2和5-3，以及同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高频压力传感器5-1采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的压力值变化；高频压力传感器5-2采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的压力值变化；高频压力传感器5-3采集爆炸管道靠近爆破片位置的压力值变化，测试研究爆破片在不同爆炸冲击波载荷作用下的物理特性变化。
所述温度采集系统由高频温度热电偶6-1、6-2和6-3，以及同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高频压力传感器6-1采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的温度值变化；高频压力传感器6-2采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的温度值变化；高频压力传感器6-3采集爆炸管道靠近爆破片位置的温度值变化。同时，采用高速红外热成像仪25记录爆破片在受到高温火焰和动态冲击波载荷作用后的温度分布及变化速率，以及爆破片爆破之后的泄放火焰温度。实现受高温作用后动态冲击波载荷对爆破片的失效形式及其力学性能的影响研究，并进行爆破性能检测。
所述应变采集系统由水凝胶应变传感器23、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。在爆破片4-1、4-2中心区域和沿周向垂直安装水凝胶应变传感器23，动态且快速监测在高温冲击波载荷作用下爆破片中心区域以及沿周向的压力-应变实时响应变化。
所述冲击波振荡采集系统由高频压阻式加速度传感器7-1和7-2、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高频压阻式加速度传感器7-1和7-2靠近爆破片4-1和4-2并与其方向平行，使爆炸冲击波垂直作用于爆破片4-1、4-2和高频压阻式加速度传感器7-1和7-2，测定在冲击波振荡作用下爆破片4-1和4-2所受应力响应随时间变化，并结合压力-应变快速响应变化，分析爆破片在高温动态冲击波载荷作用下产生的疲劳失效形式。
所述油浴加热系统由高温油浴加热器15和夹套8所组成。通过油浴加热方式实现可视化爆炸系统内部初始温度的调控，使其符合实际爆破片的使用环境。
图像数据采集系统由高速摄像机24、高速红外热成像仪25、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。通过高速摄像机24对可视化爆炸容器内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰形态发展演变过程，以及爆破片4-1和4-2在高温动态冲击波载荷作用下发生快速响应的破裂过程进行图像数据采集，包括破裂初始响应区域及其破裂动态发展过程。通过高速红外热成像仪25对可视化爆炸容器1内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰温度，以及爆破片4-1和4-2在高温动态冲击波载荷作用下的温度分布和变化发展过程进行图像数据采集。结合应力-应变、温度场分布和破裂失效的动态响应过程，进行爆破片失效形式及其爆破性能检测研究。
附图说明
图1为动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置的示意图；
图2 爆破片泄放装置结构示意图；
图3 (a)爆破片失效形式之工作压力曲线图；
图3(b)爆破片失效形式之失效破裂形貌图；
图3(c)爆破片失效形式之正常破裂形貌图；
图4 哈特曼喷粉装置的示意图与实物图；
图5 不同浓度PMMA粉尘的最大爆炸压力及压力上升速率图。
其中：1、可视化爆炸容器；2、变截面筒体；3-1、3-2夹持器；4-1、4-2爆破片；5-1、5-2、5-3高频压力传感器；6-1、 6-2、6-3高频温度热电偶；7-1、7-2高频压阻式加速度传感器；8、夹套；9、点火电极；10、压缩机；11、真空泵；12、哈特曼喷粉装置；13、单向阀；14、电磁阀；15、高温油浴加热器；16、预混罐；17-1、真空压力表一；17-2、真空压力表二；18-1、18-2气体流量计；19、同步控制器；20、程序控制与数据采集系统；21、可燃气体气瓶；22、空气气瓶；23、水凝胶应变传感器；24、高速摄像机；25、高速红外热成像仪；26、球阀；27、爆炸管道；28、可调高能点火器；29-1、端部盲板法兰一；29-2、端部盲板法兰二。
实施方式
本实施例适用于动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其结构如图1所示，下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，包括：视化爆炸系统、爆破片装置、点火系统、供气系统、喷粉系统、压力采集系统、温度采集系统、应变采集系统、冲击波振荡采集系统、油浴加热系统、图像数据采集系统、同步控制系统、程序控制与数据采集系统。
所述可视化爆炸系统由可视化爆炸容器1、变截面筒体2、爆炸管道27和球阀26组成。可视化爆炸容器1为柱体容器结构，其壁面安装可视化视窗观测内部气体或气体/粉尘复合爆炸的引燃与火焰发展过程，底端通过端部盲板法兰29-1密封，与变截面筒体2通过法兰连接，与爆炸管道27刚性连接。爆炸管道27端部通过端部盲板法兰29-2密封，在其端部安装针阀实现产物的排放。通过球阀26的开启与关闭，可分别进行安装在容器与管道上的爆破片失效形式及其爆破性能检测研究。
可视化爆炸容器1左下侧连接针阀并与压缩机10相连，实现容器内部预定的超压值以及对容器内部产物的吹扫与置换；通过针阀与真空泵11相连，实现容器内部预定的真空度。可视化爆炸容器1右侧通过针阀连接真空压力表17-2，调控与监测容器内部的压力值。
所述爆破片装置由夹持器3-1、爆破片4-1或3-2和4-2组成，如图2所示。
其中夹持器3-1、3-2分别通过螺栓安装在变截面筒体2和爆炸管道27的开口法兰上。通过更换变截面筒体2改变上端面法兰尺寸，进而实现不同尺寸及结构形式的爆破片性能检测试验研究。爆破片设计的爆破压力如公式1所示：
Figure SMS_1
（1）
式中：P为设计爆破压力，MPa；σ b 为材料极限强度，MPa；t 0为爆破片初始厚度，mm；h为爆破片的拱高，mm；a 0为爆破片半径，mm。
爆破片的尺寸应按照泄放面积选取，对于气体的最小泄放面积如公式（2）和（3）所示。
Figure SMS_2
（2）
Figure SMS_3
（3）
式中：a为最小泄放面积，mm2；W为额定泄放量，kg/h;C 0为额定泄放系数；C为气体特性系数；P 0为背压，MPa；k为绝热指数；P为爆破片的设计爆破压力，MPa；Z为气体压缩因子；T为容器或设备内泄放气体的绝对温度，K；M为气体的分子量。爆破片在超压作用下将发生破裂，其破裂形式如图3所示。
所述点火系统由点火电极9、可调高能点火器28、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。点火电极9对称安装于可视化爆炸容器1垂直高度中心位置，并在其内部中心区域点火。通过可调高能点火器28实现点火能量的调控；点火电极9、可调高能点火器28、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20依次相连，最终受程序控制与数据采集系统20控制。
点火能量对气体、气体/粉尘复合爆炸强度有显著影响，如公式（4）和（5）为10%甲烷体积浓度下点火能量与最大爆炸压力和压力上升速率的拟合函数关系：
Figure SMS_4
（4）
Figure SMS_5
（5）
式中：P max为最大爆炸超压；(dP/dt)max为最大爆炸压力上升速率；Q为点火能量。因此，通过可调高能点火器28实现点火能量的调控。
所述供气系统由可燃气体气瓶21和空气气瓶22、气体流量计18-1和18-2、预混罐16、压力表17-1和电磁阀14所组成。可燃气体气瓶21和空气气瓶22分别与气体流量计18-2和18-1连接后再与预混罐16连接，预混罐16通过电磁阀14及单向阀13经管道连接后接入哈特曼喷粉装置12的底端管束（即预混气体通过哈特曼喷粉装置底部管束可进入可视化爆炸容器1内部）。通过气体流量计18-1和18-2实现预混罐16内不同浓度和压力预混气体的配置。通过程序控制与数据采集系统20最终控制电磁阀14的开启与关闭，实现可视化爆炸容器1中预混气体的进入以及粉尘的扬尘过程，单向阀13能够阻止可视化爆炸容器1内部爆炸产生的火焰和冲击波沿着管路反向传播。
所述喷粉系统由哈特曼喷粉装置12组成，并安装在端部盲板法兰29-1的中心区域，如图4所示。粉尘置于哈特曼喷粉装置槽内，底端管束喷出的高速预混气体流经哈特曼喷粉装置时，由于半球形“蘑菇帽”的阻挡，形成自下而上的涡流，将凹槽中的粉尘扬起并形成粉尘云，该种喷粉结构能够实现相对均匀的粉尘云浓度。粉尘参数对爆炸强度有显著影响，如图5所示。通过改变粉尘种类、浓度和粒径等参数，可实现对不同工贸涉粉企业安装使用的爆破片爆破性能进行检测与研究。
所述压力采集系统由高频压力传感器5-1、5-2和5-3，以及同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高频压力传感器5-1、高频压力传感器5-2和高频压力传感器5-3分别与同步控制器19连接后再与程序控制与数据采集系统20连接，并最终受程序控制与数据采集系统20控制。高频压力传感器5-1采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的压力值变化；高频压力传感器5-2采集爆炸管道靠近爆破片位置的压力值变化；高频压力传感器5-3采集爆炸容器中间位置的压力值变化，测试研究爆破片在不同爆炸冲击波载荷作用下的物理特性变化。
所述温度采集系统由高频温度热电偶6-1、6-2和6-3，以及同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高频温度热电偶6-1、高频温度热电偶6-2和高频温度热电偶6-3分别与同步控制器19连接后再与程序控制与数据采集系统20连接，并最终受程序控制与数据采集系统20控制。高频温度热电偶6-1采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的温度值变化；高频温度热电偶6-2采集爆炸管道靠近爆破片位置的温度值变化；高频温度热电偶6-3采集爆炸容器中间位置的温度值变化。同时，采用高速红外热成像仪25记录爆破片在受到高温火焰和动态冲击波载荷作用后的温度分布及变化速率，以及爆破片爆破之后的泄放火焰温度。实现受高温作用后动态冲击波载荷对爆破片的失效形式及其力学性能的影响研究，并进行爆破性能检测。
所述应变采集系统由水凝胶应变传感器23、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。水凝胶应变传感器23分别与同步控制器19连接后再与程序控制与数据采集系统20连接，最终受程序控制与数据采集系统20控制。在每个爆破片4-1、4-2中心区域和沿周向垂直分别安装3个水凝胶应变传感器23，动态且快速监测在高温冲击波载荷作用下爆破片中心区域以及沿周向的应力-应变实时响应变化。
所述冲击波振荡采集系统由高频压阻式加速度传感器7-1和7-2、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高频压阻式加速度传感器7-1和7-2分别与同步控制器19连接后再与程序控制与数据采集系统20连接，最终受程序控制与数据采集系统20控制。高频压阻式加速度传感器7-1和7-2靠近爆破片4-1和4-2并与其方向平行，使爆炸冲击波垂直作用于爆破片4-1、4-2和高频压阻式加速度传感器7-1和7-2，测定在冲击波振荡作用下爆破片4-1和4-2所受应力响应随时间变化，并结合压力-应变快速响应变化，分析爆破片在高温动态冲击波载荷作用下产生的疲劳失效。
所述油浴加热系统由高温油浴加热器15和夹套8所组成。通过油浴加热方式实现可视化爆炸系统内部初始温度的调控，使其符合爆破片的实际使用环境。初始压力对气体、气体/粉尘复合爆炸高度有显著影响，如公式（6）所示：
Figure SMS_6
（6）
式中：n e 为反应终态气体的物质的量；T e 为反应终态气体的温度；n 0和T 0分别为反应初态气体的物质的量和温度；P 0为初始压力；α为湍流速度；K r 为实验测定的燃烧速度；L为容器长度。
基于本发明装置，重点提出基于静态超压作用下爆破片的设计压力适用于动态载荷下设计压力的对应关系式，如公式（7）所示：
Figure SMS_7
（7）
式中：P d 为动态载荷瞬态最大值；η为动力系数。P eqj 为准静态载荷最大值。
图像数据采集系统由高速摄像机24、高速红外热成像仪25、同步控制器19和程序控制与数据采集系统20组成。高速摄像机24和高速红外热成像仪25分别与同步控制器19连接后再与程序控制与数据采集系统20连接，最终受程序控制与数据采集系统20控制。通过高速摄像机24对可视化爆炸容器内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰形态发展演变过程，以及爆破片4-1和4-2在高温动态冲击波载荷作用下发生快速响应的破裂过程进行图像数据采集，包括破裂初始响应区域及其破裂动态发展过程。通过高速红外热成像仪25对可视化爆炸容器1内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰温度，以及爆破片4-1和4-2在高温动态冲击波载荷作用下的温度分布和变化发展过程进行图像数据采集。结合应力-应变、温度场分布和破裂失效的动态响应过程，进行爆破片失效形式及其爆破性能检测研究。
同步控制系统即同步控制器19，程序控制与数据采集系统即程序控制与数据采集系统20。高频压力传感器5-1、5-2、5-3；高频温度热电偶6-1、6-2、9-3；高频压阻式加速度传感器7-1、7-2；点火电极9，电磁阀14，水凝胶应变传感器23，高速摄像机24，高速红外热成像仪25，可调高能点火器28分别与同步控制器19连接后再与程序控制与数据采集系统20连接；最终受程序控制与数据采集系统20控制。
本发明装置的工作过程如下：
(1) 安装爆破片4-1和4-2并调试试验装置，检查动态载荷下石化装置爆破片失效形式及其爆破性能检测试验装置，保障各系统及管线连接完好。
(2) 检查装置整体并保证其具有良好的气密性，关闭装置上所有针阀。
(3) 开启高温油浴加热器15，实现可视化爆炸容器1内部不同的初始温度。
(4) 实验中分为气体和气体/粉尘复合爆炸动态载荷下的测试实验。① 在进行可燃气体爆炸载荷下爆破片的性能测试时：通过预混配气系统在预混罐16中配置所需浓度的预混可燃气体，开启针阀并用真空泵11对可视化爆炸容器进行抽真空。通过电磁阀14通入预混气体，保证预混罐16内部配置的预混气体在通入可视化爆炸容器1内部后达到确定的初始压力和确定的浓度，关闭电磁阀14并静置约30s，使气体达到静止状态。(注：哈特曼喷粉装置同时也是一个联通装置，此处哈特曼喷粉装置不装入粉尘，即预混气体通过哈特曼喷粉装置底部管束进入可视化爆炸容器1内部) ② 在进行气体和粉尘复合爆炸动态载荷下爆破片的性能测试时：实验前在哈特曼喷粉装置12中装入设定量的粉尘。开启阀门使用真空泵11对可视化爆炸容器进行抽真空。通过预混配气系统在预混罐16中配置所需浓度的预混可燃气体。保证预混罐16内部配置的预混气体能将哈特曼喷粉装置粉尘槽内部的粉尘扬起并均匀分布，并保障可视化爆炸容器1内部点火时达到预定的初始压力和预定的预混气体浓度。通过程序控制与数据采集系统20和同步控制器19调控可调高能点火器28和点火电极9的开启与关闭。
(5) 通过程序控制与数据采集系统20和同步控制器19控制可调高能点火器28引燃预混气体或气体/粉尘复合爆炸介质，通过改变预混气体浓度或粉尘量（粉尘浓度）可改变预混气体或气体/粉尘复合爆炸强度，实现不同动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能研究。
(6) 通过程序控制与数据采集系统20和同步控制器19调控安装在可视化爆炸容器1上的高频压力传感器5-3和高频温度热电偶6-3，采集可视化爆炸容器1中心区域的压力和温度值；调控安装在变截面筒体2靠近顶部的高频压力传感器5-1、高频温度热电偶6-1和高频压阻式加速度传感器7-1，采集变截面筒体2靠近爆破片4-1顶部的温度和压力值，以及冲击波对爆破片4-1的高频冲击振荡载荷；调控安装在爆炸管道27上的高频压力传感器5-2、高频温度热电偶6-2和高频压阻式加速度传感器7-2，采集靠近爆破片4-2顶部的温度与压力值，以及冲击波对爆破片4-2的高频冲击振荡载荷。
(7) 通过程序控制与数据采集系统20和同步控制器19调控安装在爆破片4-1和4-2上的水凝胶应变传感器23，动态且快速监测在高温动态冲击波载荷作用下爆破片中心区域以及沿周向的应力-应变实时响应变化。
(8) 通过程序控制与数据采集系统20和同步控制器19控制安放于爆破片4-1和4-2附近的高速摄像机24。通过高速摄像机24对可视化爆炸容器1内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰形态发展演变过程，以及爆破片4-1和4-2在高温动态冲击波载荷作用下发生快速响应的破裂过程进行图像数据采集，包括破裂初始响应区域及其破裂动态发展过程。
(9) 通过程序控制与数据采集系统20和同步控制器19控制安放于爆破片4-1和4-2附近的高速红外热成像仪25。采用高速红外热成像仪25记录爆破片在受到高温火焰和动态冲击波载荷作用后的温度分布及变化速率，以及爆破片4-1和4-2爆破之后的泄放火焰温度场分布特性。
(10) 开启压缩机10和爆炸管道27端部盲板法兰29-2上的阀门，对可视化爆段容器1和爆炸管道27内部的爆炸产物进行吹扫，使爆炸产物与外界新鲜空气实现置换。完毕后更换爆破片并重复上述实验操作过程。
（1）本发明能够实现准静态压力下爆破片爆破性能及其失效形式检测关键技术方面研究，高温动态载荷作用下（即不同升压速率）爆破片爆破性能及其失效形式检测关键技术研究。
（2）本发明能够结合应力-应变、温度场分布和破裂失效的动态响应过程进行爆破片失效形式及其爆破性能检测研究，能够更准确、更直观、更深入的获得准静态压力和高温动态载荷作用下（即不同升压速率）爆破片爆破性能及其失效机理。
（3）本发明可分别进行安装在容器与管道上的爆破片失效形式及其爆破性能检测研究，也可用于单相或气固多相可燃介质爆炸工况下的爆破片失效形式及其爆破性能检测研究。
（4）重点提出基于准静态超压作用下爆破片的设计压力适用于动态载荷下设计压力的对应关系式，完善爆破片失效理论和爆破压力预测方法，为石化装置爆破片爆破性能检测的产业化升级与安全防护提供理论指导与技术支撑。
（5）相比于传统实验装置，本发明具有方案设计新颖性、实验内容多样性，即可变参数多、对比效果好、实验结果直观展现等特点。
（6）本发明构造合理、性能稳定，易操控、便于开展工贸企业涉爆容器与管道上的爆破片失效形式及其爆破性能检测，以及影响因素和影响机理研究。

Claims (11)

1.一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：包括可视化爆炸系统、爆破片装置、点火系统、供气系统、喷粉系统、压力采集系统、温度采集系统、应变采集系统、冲击波振荡采集系统、油浴加热系统、图像数据采集系统、同步控制系统、程序控制与数据采集系统；
所述可视化爆炸系统主要包括：可视化爆炸容器(1)、变截面筒体(2)、爆炸管道(27)和球阀(26)；球阀(26)设置于可视化爆炸容器(1)与爆炸管道(27)之间的连接处；
可视化爆炸容器(1)为柱体容器结构，其壁面安装可视化视窗观测内部气体或气体/粉尘复合爆炸的引燃与火焰发展演变过程，可视化爆炸容器(1)的底端通过端部盲板法兰一(29-1)密封，可视化爆炸容器(1)的顶端与变截面筒体(2)通过法兰连接，可视化爆炸容器(1)的侧面与爆炸管道(27)刚性连接；爆炸管道(27)端部通过端部盲板法兰二(29-2)密封，在端部盲板法兰二(29-2)的端部安装针阀实现产物的排放；通过球阀(26)的开启与关闭，可分别进行安装在可视化爆炸容器与爆炸管道上的爆破片失效形式及其爆破性能检测研究；
所述可视化爆炸容器(1)左下侧连接针阀并与压缩机(10)相连，实现容器内部预定的超压值以及对容器内部产物进行吹扫与置换；可视化爆炸容器左下侧通过针阀与真空泵(11)相连，实现容器内部预定的真空度；可视化爆炸容器(1)右侧通过针阀连接真空压力表二(17-2)，调控与监测容器内部的初始压力值；
所述爆破片装置由夹持器、爆破片组成；夹持器分别通过螺栓安装在变截面筒体(2)和爆炸管道(27)的开口法兰上端；
所述点火系统由点火电极(9)、可调高能点火器(28)、同步控制器(19)和程序控制与数据采集系统(20)组成；点火电极(9)对称安装于可视化爆炸容器(1)垂直高度中心位置，并在其内部中心区域点火，通过可调高能点火器(28)实现点火能量的调控；
所述供气系统由可燃气体气瓶(21)和空气气瓶(22)、气体流量计、预混罐(16)、真空压力表一(17-1)和电磁阀(14)所组成；可燃气体气瓶(21)和空气气瓶(22)分别与气体流量计连接后再与预混罐(16)连接，预混罐(16)通过电磁阀(14)及单向阀(13)经管道连接后接入哈特曼喷粉装置(12)的底端管束；
所述喷粉系统主要包括哈特曼喷粉装置(12)，安装在端部盲板法兰一(29-1)的中心区域；
所述压力采集系统由高频压力传感器、同步控制器(19)和程序控制与数据采集系统(20)组成；
所述温度采集系统由高频温度热电偶，以及同步控制器(19)和程序控制与数据采集系统(20)组成；
所述应变采集系统由水凝胶应变传感器(23)、同步控制器 (19)和程序控制与数据采集系统(20)组成；在每个爆破片中心区域和沿周向垂直安装水凝胶应变传感器(23)，动态且快速监测在高温冲击波载荷作用下爆破片中心区域以及沿周向的应力-应变实时响应变化；
所述冲击波振荡采集系统由高频压阻式加速度传感器、同步控制器(19)和程序控制与数据采集系统(20)组成；
所述油浴加热系统由高温油浴加热器(15)和夹套(8)所组成；通过油浴加热方式实现可视化爆炸系统内部初始温度的调控，使其符合实际爆破片的使用环境；
图像数据采集系统由高速摄像机(24)、高速红外热成像仪 (25)、同步控制器(19)和程序控制与数据采集系统(20)组成；
同步控制系统即同步控制器(19)，高频压力传感器，高频温度热电偶，高频压阻式加速度传感器，点火电极(9)，电磁阀(14)，水凝胶应变传感器(23)，高速摄像机(24)，高速红外热成像仪(25)，可调高能点火器(28)分别与同步控制器(19)连接后再与程序控制与数据采集系统(20)连接；最终受程序控制与数据采集系统(20)控制。
2. 根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述爆破片装置中，通过更换变截面筒体(2)改变上端面法兰尺寸，进而实现不同尺寸及结构形式的爆破片性能检测试验研究；爆破片设计的爆破压力如公式(1)所示：
Figure QLYQS_1
（1）
式中：P为设计爆破压力，MPa；σ b 为材料极限强度，MPa；t 0 为爆破片初始厚度，mm；h为爆破片的拱高，mm；a 0 为爆破片半径，mm。
3.根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：在所述供气系统中通过气体流量计实现预混罐(16)内不同浓度和压力预混气体的配置；通过程序控制与数据采集系统(20)最终控制电磁阀(14)的开启与关闭，实现可视化爆炸容器(1)中预混气体的进入以及粉尘的扬尘过程，单向阀(13)能够阻止可视化爆炸容器(1)内部爆炸产生的火焰和冲击波沿着管路反向传播。
4.根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述喷粉系统中，粉尘置于哈特曼喷粉装置槽内，底端管束喷出的高速预混气体流经哈特曼喷粉装置时，由于半球形“蘑菇帽”的阻挡，形成自下而上的涡流，将凹槽中的粉尘扬起并形成粉尘云，该种喷粉装置能够实现相对均匀的粉尘云浓度；通过改变粉尘种类、浓度和粒径参数，实现对不同工贸涉粉企业安装使用的爆破片爆破性能进行检测与研究。
5.根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述压力采集系统中，高频压力传感器采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的压力值变化；高频压力传感器采集爆炸管道顶部靠近爆破片位置的压力值变化；高频压力传感器采集爆炸容器中间位置的压力值变化，测试研究爆破片在不同爆炸冲击波载荷作用下的物理特性变化。
6.根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述温度采集系统中，高频温度热电偶采集爆炸容器顶部靠近爆破片位置的温度值变化；高频温度热电偶采集爆炸管道顶部靠近爆破片位置的温度值变化；高频温度热电偶采集爆炸容器中间位置的温度值变化；同时，采用高速红外热成像仪(25)记录爆破片在受到高温火焰和动态冲击波载荷作用后的温度分布及变化速率，以及爆破片爆破之后的泄放火焰温度；实现受高温作用后动态冲击波载荷对爆破片的失效形式及其力学性能的影响研究，并进行爆破性能检测。
7.根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述冲击波振荡采集系统中，高频压阻式加速度传感器靠近爆破片并与爆破片方向平行，使爆炸冲击波垂直作用于爆破片和高频压阻式加速度传感器，测定在冲击波振荡作用下爆破片所受应力响应随时间变化，并结合应力-应变快速响应变化，分析爆破片在高温动态冲击波载荷作用下产生的疲劳失效形式。
8. 根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述油浴加热系统中，初始压力对气体、气体/粉尘复合爆炸高度有显著影响，如公式（6）所示：
Figure QLYQS_2
（6）
式中：n e 为反应终态气体的物质的量；T e 为反应终态气体的温度；n 0和T 0分别为反应初态气体的物质的量和温度；P 0为初始压力；α为湍流速度；K r 为实验测定的燃烧速度；L为容器长度。
9. 根据权利要求1所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置，其特征在于：所述图像数据采集系统中，通过高速摄像机 (24)对可视化爆炸容器内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰形态发展演变过程，以及爆破片在高温动态冲击波载荷作用下发生快速响应的破裂过程进行图像数据采集，通过高速红外热成像仪(25)对可视化爆炸容器(1)内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰温度，以及爆破片在高温动态冲击波载荷作用下的温度分布和变化发展过程进行图像数据采集；结合应力-应变、温度场分布和破裂失效的动态响应过程，进行爆破片爆破失效形式及其爆破性能检测研究。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验装置进行实验的方法，其特征在于：试验步骤具体如下：
(1) 安装爆破片，检查调试所述试验装置，并保障各系统及管线连接完好；
(2) 检查装置整体并保证其具有良好的气密性，关闭装置上所有针阀；
(3) 开启高温油浴加热器(15)，实现可视化爆炸容器(1)内部不同的初始温度；
(4) 实验中分为气体和气体/粉尘复合爆炸动态载荷下的测试试验；① 在进行可燃气体爆炸载荷下爆破片的性能测试时：通过预混配气系统在预混罐(16)中配置所需浓度的预混可燃气体，开启针阀用真空泵(11)对可视化爆炸容器进行抽真空；通过电磁阀(14)通入预混气体，保证预混罐 (16)内部配置的预混气体在通入可视化爆炸容器(1)内部后达到确定的初始压力和确定的浓度，关闭电磁阀(14)并静置30s，使气体达到静止状态；② 在进行气体和粉尘复合爆炸动态载荷下爆破片的性能测试时：实验前在哈特曼喷粉装置(12)中装入设定量的粉尘；开启阀门使用真空泵(11)对可视化爆炸容器进行抽真空；通过预混配气系统在预混罐(16)中配置所需浓度的预混可燃气体；保证预混罐(16)内部配置的预混气体将哈特曼喷粉装置粉尘槽内部的粉尘扬起并均匀分布，并保障可视化爆炸容器 (1)内部点火时达到预定的初始压力和预定的预混气体浓度；通过程序控制与数据采集系统(20)和同步控制器(19)调控可调高能点火器 (28)和点火电极 (9)的开启与关闭；
(5) 通过程序控制与数据采集系统(20)和同步控制器(19)控制可调高能点火器(28)引燃预混气体或气体/粉尘复合爆炸介质，通过改变预混气体浓度或粉尘量、粉尘浓度，改变预混气体或气体/粉尘复合爆炸强度，实现不同动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能研究。
11.根据权利要求10所述的一种动态载荷下石化装置爆破片失效形式及爆破性能检测试验方法，其特征在于：试验步骤还包括：
(6) 通过程序控制与数据采集系统(20)和同步控制器(19)调控安装在可视化爆炸容器(1)上的高频压力传感器和高频温度热电偶，采集可视化爆炸容器(1)中心区域的压力和温度值；调控安装在变截面筒体(2)靠近顶部的高频压力传感器、高频温度热电偶和高频压阻式加速度传感器，采集变截面筒体(2)靠近爆破片顶部的温度和压力值，以及冲击波对爆破片的高频冲击振荡载荷；调控安装在爆炸管道(27)上的高频压力传感器、高频温度热电偶和高频压阻式加速度传感器，采集靠近爆破片顶部的温度与压力值，以及冲击波对爆破片的高频冲击振荡载荷；
(7) 通过程序控制与数据采集系统(20)和同步控制器(19)调控安装在爆破片上的水凝胶应变传感器(23)，动态且快速监测在高温动态冲击波载荷作用下爆破片中心区域以及沿周向的压力-应变实时响应变化；
(8) 通过程序控制与数据采集系统 (20)和同步控制器(19)控制安放于爆破片附近的高速摄像机(24)；通过高速摄像机(24)对可视化爆炸容器(1)内部预混气体或气体/粉尘被引燃后火焰形态发展演变过程，以及爆破片在高温动态冲击波载荷作用下发生快速响应的破裂过程进行图像数据采集，包括破裂初始响应区域及其破裂动态发展过程；
(9) 通过程序控制与数据采集系统(20)和同步控制器(19)控制安放于爆破片附近的高速红外热成像仪(25)；采用高速红外热成像仪(25)记录爆破片在受到高温火焰和动态冲击波载荷作用后的温度分布及变化速率，以及爆破片爆破之后的泄放火焰温度场分布特性；
(10) 开启压缩机(10)和爆炸管道(27) 端部盲板法兰二(29-2)上的阀门，对可视化爆炸容器(1)和爆炸管道(27)内部的爆炸产物进行吹扫，使爆炸产物与外界新鲜空气实现置换；完毕后更换爆破片本次试验结束，重复试验步骤(1)-(10)进行下一轮新的试验。
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