过热液体超压泄放实验装置的制作方法

本发明涉及用于研究BLEVE现象以及安全阀，爆破片等安全泄放装置工作现象和机理的实验装置，具体涉及过热液体超压泄放实验装置。

背景技术：

压力容器广泛应用于石油化工、生物制药、食品加工等工业生产的各个部门；同时，诸如液化石油气罐等压力容器也广泛应用于居民生活中。然而，随着时间的推移，服役于石油、化工、热力、燃气等工业生产部门的压力容器因存在腐蚀问题，成为了严重的安全隐患，对国民经济和人民的生命财产安全构成了严重的威胁。盛装过热液体的在役压力容器由于腐蚀等原因出现点蚀、小孔等缺陷，会产生超压泄漏，引发沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE—Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）现象，该现象是一种危害性极大的物理性爆炸，这类事故一旦发生，容易造成人员的大量伤亡及巨大经济损失。

同时，在我们的城市及周边储存着大量的危险液化气，例如石油化工过程的许多压力容器，特别是大型储罐，充装的一般是用于各种生产生活的危险液化气体，它们通常使用率高、储存量大。储存这些液化气的储罐都有发生BLEVE事故的潜在危险，一旦在生产或使用中这些容器由于各种原因发生了失效，容器内外的环境急剧变化，使得液化气体急速沸腾就有可能会促使发生BLEVE事故。比如盛有危险液化气（LPG，LNG）燃料的运输罐车，由于在近几十年的频繁使用，对罐车BLEVE事故的研究就是安全工程建设的热点之一。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供过热液体超压泄放实验装置，这种过热液体超压泄放实验装置用于解决目前不能有效地预防在役压力容器BLEVE事故，同时也解决在役容器因泄漏而发生BLEVE现象的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种过热液体超压泄放实验装置包括压力容器、操作台、数据采集系统、计算机控制系统，压力容器内部安装有加热电极，压力容器下封头处设置有注入球阀和放空球阀，超声波液位计和磁浮子液位计接管对称设置在压力容器两侧；压力容器上部安装有数据采集系统的温度传感器、压力变送器、温度表、压力表，压力容器下部也安装有数据采集系统的温度传感器、压力变送器、温度表、压力表；压力容器上封头设有三个接管，中心的接管为电磁阀接管，两侧的每个接管又各分支出四个分支接管，一侧分支接管安装四组泄压球阀和安全阀组合装置，另一侧分支接管安装四组爆破球阀和爆破片组合装置，电磁阀接管安装电磁阀阀座，由电磁阀阀座水平向外延伸的四根连接杆与电磁阀阀头相连，电磁阀阀头与阀座之间由驱动轴驱动；操作台内设置有清水泵和水箱，水箱连接清水泵，清水泵连接压力容器的注入球阀；温度传感器、压力变送器、超声波液位计均通过数据传输线缆连接到数据采集箱内相应的控制器上，电磁阀阀头接出数据传输线缆接到数据采集箱里的相应控制器上；各控制器连接计算机控制系统，加热电极连接温度控制器，清水泵与计算机控制系统连接。

上述方案中压力容器安装爆破片组合装置的一侧设置有摄像机，摄像机安装在摄像机架上，摄像机与爆破片组合装置大致在距地面的同一高度上，以借助高速摄像机对实验过程进行记录和切片。

上述方案中压力容器上部的数据采集系统的温度传感器、压力变送器、温度表、压力表安装方式为：温度传感器、压力变送器安装在压力容器一侧，温度表、压力表对称安装在压力容器的另一侧，安装压力表和温度表的接管均与压力容器横截面方向有30°夹角；压力容器下部的数据采集系统的温度传感器、压力变送器、温度表、压力表安装方式为：温度传感器、压力变送器安装在压力容器一侧，温度表、压力表对称安装在压力容器的另一侧，安装压力表和温度表的接管均也与压力容器横截面方向有30°夹角。

上述方案中超声波液位计和磁浮子液位计接管的轴线与压力变送器和温度传感器接管的轴线呈90°夹角。

上述方案中电磁阀阀头与阀座之间的连接杆为高强钢六棱柱连接杆，连接杆长20cm。

上述方案中压力变送器与压力容器通过螺旋结构的空心高强度钢管相连接，使压力变送器置于其能够正常工作的位置，其螺旋结构能够增大散热面积，保证了压力变送器能够不受容器表面的热辐射影响，正常工作并精确的进行数据采集。

上述方案中爆破片组合装置由爆破片夹持器和爆破片构成。

上述方案中过热液体超压泄放实验装置进行BLEVE实验的方法：

（1）把水箱中注满水；

（2）关闭清水泵处的回水阀，打开压力容器下方注入球阀及超声波液位计前端球阀；

（3）打开计算机输入实验成员，然后点击“实验操作界面”；

（4）点击清水泵“启动”按钮，观察超声波液位计当前的液位，使压力容器液位达到恰当位置，超声波液位计示数“30”处；

（5）当液位达到实验所需液位后，点击“停止”，关闭压力容器下方注入球阀和超声波液位计前端球阀，打开爆破片处四个爆破球阀中的一个爆破球阀作为放空，关闭其余三个爆破球阀；

（6）关闭电磁阀，“设定”其开度为0；

（7）开启任意一路安全阀处的泄压球阀作为泄放通道，“设定”加热温度为110℃，对液体进行加热；

（8）当温度达到100℃时，关闭爆破片处作为放空的爆破球阀，使压力容器形成密闭空间，“设定”加热温度为200℃，压力升高；

（9）当压力升到1.2MPa左右时，“设定”加热温度为0℃，关闭加热电极控制开关；

（10）打开电磁阀，将其开度调整为100%，以模拟泄漏点，观察泄放装置动作情况及BLEVE现象；

（11）导出实验数据；

（12）待压力容器内液体自然冷却后，把水流回水箱内，关闭电源，根据实验数据绘制压力、温度随时间变化的曲线并进行数据分析。

上述方案中过热液体超压泄放实验装置进行安全阀泄放实验的方法：

（1）把水箱中注满水；

（2）关闭清水泵处的回水阀，打开压力容器下方注入球阀及超声波液位计前端球阀；

（3）打开计算机输入实验成员，然后点击“实验操作界面”；

（4）点击清水泵“启动”按钮，观察超声波液位计当前的液位，使压力容器液位达到恰当位置，超声波液位计示数“30”处；

（5）当液位达到实验所需液位后，点击“停止”，关闭压力容器下方注入球阀和超声波液位计前端球阀，打开爆破片处四个爆破球阀中的一个爆破球阀作为放空，关闭其余三个爆破球阀；

（6）关闭电磁阀，“设定”其开度为0；

（7）开启A21W-16P、A21Y-25P、A27W-16P、A28H/Y-16C这4种安全阀任意一路，以起跳压力为1.5MPa的A21W-16P安全阀为例，开启此安全阀处的泄压球阀作为泄放通道，关闭其余三个安全阀处的泄压球阀，“设定”加热温度为110℃，对液体进行加热；

（8）当温度达到100℃时，关闭爆破片处作为放空的爆破球阀，使压力容器形成密闭空间，“设定”加热温度为200℃，压力升高；

（9）当压力升到1.5MPa时，A21W-16P安全阀起跳；“设定”加热温度为0℃，关闭加热控制开关，观察A21W-16P安全阀起跳现象；

（10）导出实验数据；

（11）压力容器内液体自然冷却后，把水流回水箱内，关闭电源，根据实验数据绘制压力、温度随时间变化的曲线并进行数据分析。

上述方案中过热液体超压泄放实验装置进行爆破片爆破实验的方法：

（1）把水箱中注满水；

（2）关闭清水泵处的回水阀，打开压力容器下方注入球阀及超声波液位计前端球阀；

（3）打开计算机输入实验成员，然后点击“实验操作界面”；

（4）点击清水泵“启动”按钮，观察超声波液位计当前的液位，使压力容器液位达到恰当位置，超声波液位计示数“30”处；

（5）当液位达到实验所需液位后，点击“停止”，关闭压力容器下方注入球阀和超声波液位计前端球阀；安装正拱带槽型爆破片、反拱带槽型爆破片、反拱开缝型爆破片、平板带槽型爆破片中任意一种，以爆破压力2.2Mpa型号为YC25-2.2-200A/ZH的反拱带槽型爆破片为例，安装此爆破片，打开除了此爆破片处、其余三个爆破球阀中的任意一个作为放空，关闭其他爆破球阀；

（6）关闭电磁阀，“设定”其开度为0；

（7）关闭安全阀处的所有阀门，开启反拱带槽型爆破片处的爆破球阀作为泄放通道，“设定”加热温度为110℃，对液体进行加热；

（8）当温度达到100℃时，关闭爆破片处作为放空的爆破球阀，使压力容器形成密闭空间，“设定”加热温度为200℃，压力升高；

（9）当压力升到1.6MPa左右时，“设定”加热温度为250℃，压力加速上升，当压力升到2.2MPa时，反拱带槽型爆破片爆破，观察爆破片爆破现象；

（10）“设定”加热温度为0℃，关闭加热控制开关；

（11）导出实验数据；

（12）压力容器内液体自然冷却后，把水流回水箱内，关闭电源，根据实验数据绘制压力、温度随时间变化的曲线并进行数据分析。

本发明具有以下有益效果：

1、由于过热液体超压泄放引发安全装置起跳具有一定的危险性，本发明中采用高速摄像机记录容器破裂后，泄漏点及安全泄放装置气液两相流的特点，采用高频响的压力变送器、温度传感器，超声波液位计等测试手段记录BLEVE过程中超压的形成及变化规律，并在计算机控制软件上实现远程实时监控和记录。借助此远程视频监控系统，实现了对实验过程远程在线检测的同时，最大限度记录实验全过程，实验人员可以在相对安全的范围内完成实验内容，实现了本发明对安全性的要求。

2、本发明中压力容器上方设有两组8个接管，用以安装不同型号的安全阀及爆破片，便于观察各类安全泄放装置的起跳情况和泄压曲线的测定，可用于安全装置起跳实验、BLEVE实验等多种实验用途。

3、本发明中该容器的工况为高温高压，选用或设计耐高温型设备，如本装置的压力变送器采用了带散热翅片的高温型压力变送器，在压力变送器与压力容器之间的连接，设计了螺旋结构的空心高强度钢管相连接，使压力变送器置于其能够正常工作的位置，其螺旋结构能够增大散热面积，保证了压力变送器能够不受容器表面的热辐射影响，正常工作并精确的进行数据采集；由于所选的05型电磁阀能正常工作的最高环境温度为60℃，压力容器内液体加热温度最高在200℃以上，在电磁阀阀头与阀座之间的连接结构中，设计了4个较长的高强钢六棱柱连接杆，目的是将阀头置于适应其工作温度的位置，保证了电磁阀精确控制的功能。此外，还选用了4枚横截面积较大的用以固定的双头螺柱，以减小扭矩变形对执行精度的影响。

4、本发明中实验过程中由计算机控制实验台内泵的开启，对压力容器进行注水，由超声波液位计监测液位，当达到合适水位时，计算机控制停泵，按下数据采集箱上的加热按钮，由计算机输入加热温度上限值，开始加热，加热过程中容器内的温度和压力等参数通过检测变送装置，借助摄像机，并基于三菱电机MELSEC-F系列可编程控制器，实现在计算机终端实时监控和记录。根据实验要求，当容器内压力达到安全阀起跳压力一般时，由计算机输入电磁阀开度比例，控制电磁阀的开启，模拟BLEVE过程，此时停止加热，通过高速摄像机记录实验全过程。通过计算机以及电动执行机构的作用，实现了远程对泄漏点大小的控制，而温度、压力、液位等参数也直接可以在计算机终端中读取、处理。实验结束后，可以将数据报表直接打印或导出，并绘制实时数据曲线，实现自动化。

附图说明

图1是本发明中压力容器的主视图；

图2是本发明压力容器的侧视图；

图3是本发明的总体示意图；

图4是本发明中的电路设计图。

图中：1压力容器；2磁浮子液位计；3加热电极；4爆破片；5爆破片夹持器；6安全阀；7电磁阀；8超声波液位计；9温度传感器；10压力变送器；11爆破球阀；12温度表；13压力表；14放空球阀；15注入球阀；16清水泵；17三通；18泄压球阀；19水箱；20操作台；21接管；22分支接管；23回水阀；24摄像机；25摄像机架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4所示，这种过热液体超压泄放实验装置包括压力容器1、操作台20、数据采集系统、计算机控制系统，压力容器1下封头中心的接管21安装有加热电极3，加热电极3连接宇电仪表AI-518/518P型温度控制器，压力容器1下封头通过另个两个接管分别连接注入球阀15和放空球阀14，即：中心接管连接加热器，一侧接管接有放空球阀14，另一侧接管接有注入球阀15；超声波液位计8和磁浮子液位计2接管对称设置在压力容器1两侧，超声波液位计8安装在超声波液位计支撑管上，支撑管底部从管壁接出的接管连接到弯头上，通过活接、球阀、弯头与压力容器1的接管相连，这样，当球阀打开时，支撑管就和压力容器1内形成连通结构，即支撑管内的液位就是压力容器1内的液位。安装时其信号发射端面一定要与液面保持平行，超声波液位计8和磁浮子液位计2接管的轴线与压力变送器10和温度传感器9接管的轴线呈90°夹角。超声波液位计8可在计算机上直接读取数据，磁浮子液位计2可直接视觉读取。

由注入球阀15出来连接注水管，注水管连接到操作台20内的三通17上，三通17的下接口与清水泵16的出水口相连，清水泵16的进水口连接弯头，弯头出来通过活接接到水箱19，三通17的上接口接有活接，活接出来连接清水泵出口阀，清水泵出口阀通过回水管与水箱19相连；清水泵16和水箱19都安装固定在操作台20的底板上。清水泵16将水箱19内的水通过三通17、注水管、注入球阀15这一通道注入压力容器1内，然后加热器对压力容器1内的水进行加热，开始实验，实验结束后，待压力容器1内的水完全冷却，打开回水阀23，使压力容器1内的水回流到水箱19内。

压力容器1安装爆破片4组合装置的一侧设置有摄像机24，摄像机24安装在摄像机架25上，摄像机24与爆破片4组合装置大致在距地面的同一高度上，来对实验过程进行全程记录，以借助高速摄像机对实验过程进行记录和切片。

压力容器1上部安装有数据采集系统的温度传感器9、压力变送器10、温度表12、压力表13，压力容器1下部也安装有数据采集系统的温度传感器9、压力变送器10、温度表12、压力表13，分别用以测量顶部气体及底部液体的温度及压力。压力容器1上封头设有三个接管21，中心的接管21为电磁阀接管，两侧的每个接管21又各分支出四个分支接管22，两侧的四个分支接管22沿中心对称布置，一侧四个分支接管22安装四组泄压球阀18和安全阀组合装置，安全阀6有四种，分别连接到四个相同泄压球阀18上，另一侧四个分支接管22安装四组爆破球阀11和爆破片夹持装置5，爆破片4也有四种，分别连接到四个相同的爆破球阀11上，电磁阀接管安装电磁阀阀座，由电磁阀阀座水平向外延伸的四根连接杆与电磁阀阀头相连，电磁阀阀头与阀座之间由驱动轴驱动。

本发明中压力容器1上部的数据采集系统的温度传感器9、压力变送器10、温度表12、压力表13安装方式为：温度传感器9、压力变送器10安装在压力容器1一侧，温度表12、压力表13对称安装在压力容器1的另一侧，分别测试的是顶部气体温度和气体压力，安装压力表13和温度表12的接管均与压力容器1横截面方向有30°夹角；压力容器1下部的数据采集系统的温度传感器9、压力变送器10、温度表12、压力表13安装方式为：温度传感器9、压力变送器10安装在压力容器1一侧，温度表12、压力表13对称安装在压力容器1的另一侧，分别测试的是底部液体温度和液体压力，安装压力表13和温度表12的接管均也与压力容器横截面方向有30°夹角。

温度传感器9、压力变送器10、超声波液位计8均通过数据传输线缆连接到数据采集箱内相应的控制器上，电磁阀阀头接出数据传输线缆接到数据采集箱里的相应控制器上；各控制器连接计算机控制系统，加热电极3、清水泵16均与计算机控制系统连接。计算机终端可实现对装置加热、起停泵的控制，也可对电磁阀7的开启程度进行控制；可绘制温度、压力随时间的变化曲线，也可完成泄漏面积对实验结果影响的横向比较，并在后台记录实验数据；此外，计算机终端可支持数据报表的直接打印及导出，方便了后期数据量的控制及数据处理。

本发明采用物理表盘及传感器测量器件，以保证数据的准确性，同时便于采集数字信号。计算机控制系统可以实现对实验变量的控制，还可以借助高速摄像机对实验过程进行记录和切片。采集的温度、压力、液位、泄漏面积、时间等数据，经检测变送后，由计算机控制系统处理后，可绘制温度、压力随时间的变化曲线，也可完成泄漏面积对实验结果影响的横向比较。

这种过热液体超压测试实验装置进行BLEVE实验、安全阀6、爆破片4等实验的方法。

一、BLEVE实验：

（1）把水箱19中注满水；

（2）关闭清水泵16处回水阀23，打开容器下方注入球阀15及超声波液位计8前端球阀；

（3）打开软件界面，输入实验成员，然后点击“实验操作界面”；

（4）点击清水泵16“启动”按钮，观察超声波液位计8当前的液位，使容器液位达到恰当位置（液位计示数“30”处）；

（5）当液位达到实验所需液位后，点击“停止”，关闭容器下方注入球阀15和超声波液位计8前端球阀，打开爆破片4处四个爆破球阀11中的一个爆破球阀11作为放空，关闭其余三个爆破球阀11；

（6）关闭电磁阀7，“设定”其开度为0（会有误差，0~0.5都默认为关闭）；

（7）开启任意一路安全阀6处的泄压球阀18作为泄放通道，“设定”加热温度为110℃，对液体进行加热；

（8）当温度达到100℃时，关闭爆破片4处作为放空的爆破球阀11，使容器形成密闭空间，“设定”加热温度为200℃，压力升高；

（9）当压力升到1.2MPa左右时，“设定”加热温度为0℃，关闭加热开关；

（10）打开电磁阀7，将其开度调整为100%，以模拟泄漏点，观察泄放装置动作情况及BLEVE现象；

（11）导出实验数据；

（12）待压力容器1内液体自然冷却后，把水流回水箱19内，关闭电源。根据实验数据绘制压力、温度随时间变化的曲线并进行数据分析。

二、安全阀泄放实验：

（1）把水箱19中注满水；

（2）关闭清水泵16处的回水阀23，打开容器下方注入球阀15及超声波液位计8前端球阀；

（3）打开计算机输入实验成员，然后点击“实验操作界面”；

（4）点击清水泵16“启动”按钮，观察超声波液位计8当前的液位，使容器液位达到恰当位置（液位计示数“30”处）；

（5）当液位达到实验所需液位后，点击“停止”，关闭容器下方注入球阀15和超声波液位计8前端球阀，打开爆破片4处四个爆破球阀11中的一个爆破球阀11作为放空，关闭其余三个爆破球阀11；

（6）关闭电磁阀7，“设定”其开度为0（会有误差，0~0.5都默认为关闭）；

（7）开启A21W-16P、A21Y-25P、A27W-16P、A28H/Y-16C这4种安全阀任意一路，以起跳压力为1.5MPa的A21W-16P安全阀为例，开启此安全阀6处的泄压球阀18作为泄放通道，关闭其余三个安全阀处6的泄压球阀18，“设定”加热温度为110℃，对液体进行加热；

（8）当温度达到100℃时，关闭爆破片4处作为放空的爆破球阀11，使容器形成密闭空间，“设定”加热温度为200℃，压力升高；

（9）当压力升到1.5MPa时，A21W-16P安全阀6起跳；“设定”加热温度为0℃，关闭加热控制开关，观察A21W-16P安全阀6起跳现象；

（10）导出实验数据；

（11）压力容器1内液体自然冷却后，把水流回水箱19内，关闭电源。根据实验数据绘制压力、温度随时间变化的曲线并进行数据分析。

三、爆破片爆破实验：

（1）把水箱19中注满水；

（2）关闭清水泵16处的回水阀23，打开容器下方注入球阀15及超声波液位计8前端球阀；

（3）打开计算机输入实验成员，然后点击“实验操作界面”；

（4）点击清水泵16“启动”按钮，观察超声波液位计8当前的液位，使容器液位达到恰当位置（液位计示数“30”处）；

（5）当液位达到实验所需液位后，点击“停止”，关闭容器下方注入球阀15和超声波液位计8前端球阀。安装正拱带槽型爆破片、反拱带槽型爆破片、反拱开缝型爆破片、平板带槽型爆破片中任意一种，以爆破压力2.2Mpa型号为YC25-2.2-200A/ZH的反拱带槽型爆破片为例，安装此爆破片4，打开除了此爆破片处、其余三个爆破球阀11中的任意一个作为放空，关闭其他爆破球阀11；

（6）关闭电磁阀7，“设定”其开度为0（会有误差，0~0.5都默认为关闭）；

（7）关闭安全阀6处的所有阀门，开启反拱带槽型爆破片4处的爆破球阀11作为泄放通道，“设定”加热温度为110℃，对液体进行加热；

（8）当温度达到100℃时，关闭爆破片4处作为放空的爆破球阀11，使容器形成密闭空间，“设定”加热温度为200℃，压力升高；

（9）当压力升到1.6MPa左右时，“设定”加热温度为250℃，压力加速上升。当压力升到2.2MPa时，反拱带槽型爆破片4爆破，观察爆破片4爆破现象；

（10）“设定”加热温度为0℃，关闭加热控制开关；

（11）导出实验数据；

（12）压力容器1内液体自然冷却后，把水流回水箱19内，关闭电源。根据实验数据绘制压力、温度随时间变化的曲线并进行数据分析。

本发明提供过热液体超压泄放测试实验台是专门用于研究BLEVE现象以及安全阀6，爆破片4等安全泄放装置工作现象和机理的实验装置，可模拟盛有过热液化气或者过热水的高压容器，在器壁突然发生一定尺寸的破裂后，容器内过热液体会爆炸性沸腾。通过研究BLEVE现象的发生条件，归纳发生BLEVE现象的工况规律，用于解决开展此类事故的预防工作，降低BLEVE事故率，解决在役容器因泄漏而发生BLEVE现象的问题。