CN115980128A - 一种lpg储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，包括LPG储罐、火灾模拟系统、滤波片以及数据采集系统；所述火灾模拟系统包括燃气瓶和气炉，燃气瓶和气炉通过管道连通；所述滤波片固定安装支架上，且滤波片表面与地面平齐，所述LPG储罐固定在滤波片上表面，所述气炉固定在滤波片下方；所述数据采集系统包括数据采集仪、压力传感器以及高速摄像机，数据采集仪通过线缆分别与压力传感器和高速摄像机连接。本发明模拟LPG储罐在火灾环境下发生爆炸的演化过程和荷载特征，并通过滤波片精准控制产生次生气云爆炸，避免了试验结果的随机性和不可控性，从而能系统地研究LPG储罐爆炸荷载的演化规律和荷载特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，属于防灾减灾试验技术领域。
背景技术
液化石油气（LPG）是当今社会的主要能源之一，通常在适当的压力下以常温液态的形式储存于各类储罐容器中。LPG储罐如遇火灾等偶然作用并造成罐体完全破坏，将会发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE），还可能引发二次气云爆炸，造成重大经济损失乃至人员伤亡。
现有技术中对LPG储罐爆炸及其安全防护研究，主要以等效TNT法为基础进行灾害后果评估，很少系统地研究LPG储罐爆炸荷载的演化规律和荷载特征。近年来，随着石油气使用量的急剧增长，储罐爆炸给公共安全带来巨大风险，开展火灾环境下LPG储罐爆炸超压荷载的试验研究具有十分重要的学术研究意义和工程应用前景。
目前众多学者对LPG储罐的BLEVE过程及其对工程结构的破坏效应进行了研究，开发了爆炸试验系统，但具有一定的局限性：
1、由于LPG的易燃易爆特性，多数使用水代替LPG作为储存介质开展试验，以研究BLEVE的内部演化机理和荷载特征。
2、火灾环境下LPG储罐发生BLEVE的次生气云爆炸，发生的随机性较高，试验结果不可控制。
因此，设计一种用于新的火灾环境下LPG储罐BLEVE和次生气云爆炸超压荷载的试验系统，对研究LPG储罐爆炸灾害及其灾害链演化机制具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，能准确测量火灾环境下LPG储罐发生BLEVE和次生气云爆炸的爆炸超压荷载，为研究LPG储罐爆炸荷载演化规律提供准确的试验数据。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，包括LPG储罐、火灾模拟系统、滤波片以及数据采集系统；
所述火灾模拟系统包括燃气瓶和气炉，燃气瓶和气炉通过管道连通，用作LPG储罐爆炸所需的热源；
所述滤波片固定安装支架上，且滤波片表面与地面平齐，所述LPG储罐固定在滤波片上表面，所述气炉固定在滤波片下方；
所述数据采集系统包括数据采集仪、压力传感器以及高速摄像机，数据采集仪通过线缆分别与压力传感器和高速摄像机连接，用于接收压力传感器采集的爆炸时的气云压力以及高速摄像机采集的爆炸图像。
进一步的，所述滤波片厚度不超过2mm，等效直径不小于30cm，滤波片上均匀开设有多个孔，且孔的等效直径不大于2 cm。
进一步的，所述气炉与滤波片的距离为15-20cm，且气炉的火焰长度大于气炉喷火点到滤波片下表面的距离。
进一步的，所述气炉的火焰长度高出滤波片5cm。
进一步的，所述LPG储罐高度不大于30 cm，直径不大于10 cm，极限压力不大于2.5MPa。
进一步的，所述压力传感器上还设置有水冷系统和滤光膜片。
进一步的，靠近燃气瓶的管道处还设置有减压阀。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明使用LPG储罐作为试验介质，模拟LPG储罐在火灾环境下发生爆炸的演化过程和荷载特征，并通过滤波片精准控制产生次生气云爆炸，避免了试验结果的随机性和不可控性；通过压力传感器和高速摄像机可准确测量BLEVE和次生气云爆炸的图像和超压荷载，从而能系统地研究LPG储罐爆炸荷载的演化规律和荷载特征，为研究LPG储罐爆炸荷载演化规律提供准确的试验数据。另一方面本发明设备成本低，实现简单，试验设备可被重复利用，大大降低试验成本。
附图说明
图1是实施例一中的试验系统结构图。
图2是测试例一中敞开条件下有滤波片的爆炸过程图；
图3是测试例一中敞开条件下无滤波片的爆炸过程图；
图4是测试例一中半封闭连通空间下爆炸时的超压-时间图；
图5是测试例一中半封闭连通空间下有滤波片的爆炸过程图；
图6是测试例一中半封闭连通空间下无滤波片的爆炸过程图；
图7是实施例一中滤波片的结构示意图。
图中：
LPG储罐1；支架11
火灾模拟系统2；燃气瓶21；气炉22；管道23；减压阀24；
滤波片3；
数据采集系统4；数据采集仪41；压力传感器42；高速摄像机43；线缆44。
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。
实施例一：
本发明提供了一种LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，如图1所示，包括LPG储罐1、火灾模拟系统2、滤波片3以及数据采集系统4。其中，所述火灾模拟系统2包括燃气瓶21和气炉22，燃气瓶21和气炉22通过管道23连通，用作LPG储罐1爆炸所需的热源。所述滤波片3固定安装支架11上，且滤波片3表面与地面平齐，所述LPG储罐1固定在滤波片3上表面，所述气炉22固定在滤波片3下方。所述数据采集系统4包括数据采集仪41、压力传感器42以及高速摄像机43，数据采集仪41通过线缆44分别与压力传感器42和高速摄像机43连接，用于接收压力传感器42采集的爆炸时的气云压力以及高速摄像机43采集的爆炸图像。
本发明成本低，实现简单，使用LPG储罐1作为试验介质，模拟LPG储罐1在火灾环境下发生爆炸的演化过程和荷载特征，并通过滤波片3精准控制产生次生气云爆炸，避免了试验结果的随机性和不可控性；通过压力传感器42和高速摄像机43可准确测量BLEVE和次生气云爆炸的图像和超压荷载，从而能系统地研究LPG储罐爆炸荷载的演化规律和荷载特征，为研究LPG储罐爆炸荷载演化规律提供准确的试验数据。
在本实施例中，为了更加真实有效的模拟LPG储罐在火灾环境下发生爆炸的演化过程和荷载特征，LPG储罐1内包括丙烷和丁烷的液化石油气，而LPG储罐1的尺寸则选用高度不大于30 cm、直径不大于10 cm以及极限压力不大于2.5MPa的罐体。LPG的主要成分为90%丁烷和10%的丙烷混合气体，测试罐体长、高控制在30 cm和10 cm可以清晰地观测到爆炸后扩散的气云和可能出现的火球，并且爆炸威力在可控制范围内，不会引起不可逆转的破坏危害。
在本实施例中，所述滤波片3选用导热性能好的金属制品，如304不锈钢，厚度不超过2mm，为了匹配LPG储罐的尺寸大小，滤波片可以被制作成正方形或圆形，在本实施例中为圆形，其等效直径不小于30cm，滤波片上均匀开设有多个孔，且孔的等效直径不大于2 cm。通过严格设置滤波片3的尺寸，可使LPG储罐被持续加热，同时在LPG储罐爆炸后的压力、温度和浓度多物理场耦合条件下，确保气炉火焰不熄灭且LPG气化形成的蒸气云可被点燃。
为了进一步确保在爆炸实验模拟过程中气炉火焰不熄灭且LPG气化形成的蒸气云可被点燃，在本实施例中，气炉22与滤波片3的距离为15-20cm，且气炉22的火焰长度大于气炉22喷火点到滤波片3下表面的距离。较佳的，气炉22的火焰长度不低于20 cm，并能使气炉22的火焰长度高出滤波片5cm。由此使得气炉22喷射出的火焰能穿过滤波片3上的孔，直接作用于LPG储罐1表面，保证LPG储罐1可被持续加热。而气炉22设置在地面以下，滤波片3与地面齐平，又能避免气炉22和滤波片3自身对火焰和冲击波传播的影响。
在本实施例中，燃气瓶21和气炉22连通的管道23上还设置有减压阀24，减压阀24靠近燃气瓶安装，将燃气瓶内的高压减低到一个稳定、安全的压力给气炉供气。。
在本实施例中，所述压力传感器42上还设置有水冷系统和滤光膜片。水冷系统可以避免爆炸瞬间的高温高压对传感器造成损伤，滤光膜片可以过滤部分传感器接收的杂波信号。
在本实施例中，数据采集仪41采用东华5927，东华测试，高速摄像机采用SONY-FDR-AX700。
测试例一
为了测试实施例1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统是否能有效控制爆炸的形式以及安全可靠性，探究火灾条件下LPG储罐发生爆炸时LPG质量和LPG储罐形状对爆炸荷载的影响，在本测试例中，在敞开空间和半封闭连通空间进行实验。按照图1所示及实施例一中的安装设置条件布置好试验系统，分别针对滤波片的设置与否进行爆炸实验。
在敞开空间中，如图2和图4所示，气炉和LPG储罐间添加滤波片时，储罐在10 ms时发生破裂，内部储存的气相LPG降压膨胀同时处于过热状态的液相LPG发生气化，使得周围环境温度降低，空气中的水蒸汽放热液化产生“白雾”；内部高压气体和过热液体气化后形成可燃气云并扩散，390 ms时可燃气云被点燃形成火球并逐渐扩大并在600 ms时火球达到最大，且在600ms前后有差压现象产生；如图3和图4所示，气炉和LPG储罐间未添加滤波片时，储罐爆炸仅发生BLEVE，扩散形成的可燃气云并未被点燃。很明显，添加滤波片引起了LPG的储罐爆炸过程的不同：一方面使LPG储罐在火灾条件下被持续加热；另一方面，LPG储罐爆炸后，在压力、温度和浓度等多物理场耦合条件下，可保证可燃气云被点燃，产生蒸气云爆炸。
在本测试例中，在隧道空间、泄爆空间等半封闭的连通空间中也进行了上述实验，实验结果如图5和图6所示。在气炉和LPG储罐间添加有滤波片时，持续的加热，使得LPG储罐先经过了破裂，发生了BLEVE爆炸，然后气云点火起燃至火球扩大的状态，产生了次生气云爆炸，如图5所示；而对于未添加滤波片的情况，如图6所示，和敞开空间相同，LPG储罐尽发生破裂的BLEVE爆炸，扩散形成的可燃气云并未被点燃，而是慢慢消散。
综上所述，采用实施例一所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统能准确测量火灾环境下LPG储罐发生BLEVE和次生气云爆炸的爆炸超压荷载，并在气炉和LPG储罐间设置滤波片来精准控制次生气云爆炸，为实验的精准操控提供了装置和方法依据，同时为研究LPG储罐爆炸荷载演化规律提供准确的试验数据。
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形，例如本发明同样适用于中大尺度LPG储罐爆炸测试，仅需根据储罐尺寸对滤波片大小进行调整即可，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，包括LPG储罐、火灾模拟系统、滤波片以及数据采集系统；
所述火灾模拟系统包括燃气瓶和气炉，燃气瓶和气炉通过管道连通，用作LPG储罐爆炸所需的热源；
所述滤波片固定安装支架上，且滤波片表面与地面平齐，所述LPG储罐固定在滤波片上表面，所述气炉固定在滤波片下方；
所述数据采集系统包括数据采集仪、压力传感器以及高速摄像机，数据采集仪通过线缆分别与压力传感器和高速摄像机连接，用于接收压力传感器采集的爆炸时的气云压力以及高速摄像机采集的爆炸图像。
2.根据权利要求1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，所述滤波片厚度不超过2mm，等效直径不小于30cm，滤波片上均匀开设有多个孔，且孔的等效直径不大于2 cm。
3.根据权利要求1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，所述气炉与滤波片的距离为15-20cm，且气炉的火焰长度大于气炉喷火点到滤波片下表面的距离。
4.根据权利要求1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，所述气炉的火焰长度高出滤波片5cm。
5.根据权利要求1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，所述LPG储罐高度不大于30 cm，直径不大于10 cm，极限压力不大于2.5MPa。
6.根据权利要求1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，所述压力传感器上还设置有水冷系统和滤光膜片。
7.根据权利要求1所述的LPG储罐次生气云爆炸的超压荷载试验系统，其特征在于，靠近燃气瓶的管道处还设置有减压阀。
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