一种火灾诱发高压储罐BLEVE规律的爆炸测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种火灾诱发高压储罐BLEVE规律的爆炸测试装置。

背景技术：

现代工业的飞速发展给人民生活带来巨大便利的同时，也使得可能发生燃烧和爆炸的重大危险源广泛存在于人们周围。危险源发生泄漏、着火及爆炸等事故及其次生衍生事故的破坏力，尤以沸腾液体膨胀蒸气爆炸(boiling liquid expanding vapor explosion，BLEVE)为甚。其发生过程多因外部热效应使得气液相共存状态高压储罐压力升高，且罐体热响应导致材料强度退化，持续的升压及罐体塑性蠕变作用可能导致局部失效，小范围的压降导致罐内液体到达过热极限而迅速气化，从而使内部物质过热迅速爆炸性沸腾，容器内大量蒸气及很高动能两相流体的超压作用使得裂隙在储罐壁面迅速传播，进而导致沸腾液体膨胀蒸气爆炸，引发灾难性的事故后果。因此，高压储罐BLEVE发生机理及灾害防治过程的基础技术问题被广泛研究。

国内外学者探究压力容器内部各参数（如初始压力、液位、开口大小、热分层）对BLEVE发展过程的影响，着重于储罐内部BLEVE 的演化作用机理。BLEVE通常是储罐外部作用或已有事故诱发的次生衍生事故形式，大连理工大学毕明树教授研究组研发立式圆柱形储罐电加热丝（接触加热）实验装置，探究热环境、储罐壁与内部介质之间的传热与介质内部的传质耦合作用过程，揭示储罐导热热环境作用下的热响应规律^[1]。南京工业大学蒋军成教授课题组研发液化石油气储罐池火作用实验装置，探究火灾类型、储罐型式、充装水平等多因素耦合作用对储罐/液化石油气温度及压力的作用，揭示储罐导热/对流/辐射作用下的热响应规律^[2]。上述研究可为热环境条件下储罐失效机理的揭示提供基础。

注：[1] 任婧杰. 热环境下液化气体储罐热质耦合响应机制研究[D]. 大连理工大学, 2014.

[2] 邢志祥, 赵晓芳, 蒋军成. 液化石油气储罐火灾模拟试验——喷射火焰环境下[J]. 天然气工业, 2006, 26(1): 132-133.

然而，现有研究着不同热环境条件作用的储罐热响应规律，缺少对热环境强度及作用时间对储罐BLEVE发生临界条件的影响作用分析，且缺乏对热环境作用导致储罐失效规律的影响研究，及储罐区各类消防措施对储罐热效应的作用机理。

技术实现要素：

目前，关于储罐热作用过程BLEVE的研究大都探究给定热作用对于储罐内传热/传质过程的影响，而本装置可以提供一种全面重复测试不同热作用形式及强度条件对储罐BLEVE影响研究的装置，可确定次生衍生BLEVE事故发生的临界条件，并可研究热环境作用导致储罐的失效作用机理。此外，还可以检测证实储罐区各类消防措施对于储罐热效应的阻滞及加强作用，并可对引发BLEVE的临界条件作用参数（临界热通量、临界热厚度）系统定量研究。

本实用新型所述的一种火灾诱发高压储罐BLEVE规律的爆炸测试装置，其采用的技术方案为：包括补水与真空系统、实验主装置、加热系统、控制系统、数据采集及处理系统、电脑，所述补水与真空系统、加热系统通过导线与控制系统连接，所述实验主装置包括可移动平台、固设在可移动平台上的储罐，所述储罐顶部开设有爆破片孔，所述爆破片孔上安装有爆破片安装组件，所述补水与真空系统通过软管与所述储罐连接，所述储罐上设有数据采集系统，所述数据采集系统通过数据采集仪与电脑连接。

优选的，所述储罐的顶部还开设有高压泄压孔及单相补水及真空阀口，所述补水与真空系统包括水环真空泵、空压机、系统补水口、主管线、真空管和进水管，所述空压机和水环真空泵分别通过导线连接控制系统，所述水环真空泵和系统补水口分别对应连接真空管和进水管，真空管和进水管上分别对应安装有手动真空控制阀及手动补水控制阀，所述主管线通过补水管线单相阀连接单相补水及真空阀口，所述高压泄压孔连接安全排空阀，所述补水管线单相阀及安全排空阀分别通过软管与空压机连接。

优选的，数据采集及处理系统包括压力变送器和热电偶，所述储罐的顶部、底部及侧壁上分别设有压力变送器口，每个压力变送器口分别对应连接一个压力变送器，储罐顶部的压力变送器连接压力显示仪表，所述储罐底部还开设有排液口、温度传感器孔，所述热电偶位于储罐内并与温度传感器孔连接，所述压力变送器、热电偶分别通过导线与数据采集仪连接，所述储罐底部设有与排液口连接的排泄管，所述排泄管上设有自动排泄阀，所述自动排泄阀与控制系统连接。

优选的，还包括泄漏管道支架，所述排泄管通过泄漏管道支架支撑固定。

优选的，还包括高温磁翻液位计，通过安装法兰安装在储罐外侧壁上。

优选的，所述加热系统包括立式加热源或卧式加热源，所述立式加热源与实验主装置不接触且位于所述储罐后侧，所述卧式加热源与实验主装置不接触且位于所述储罐上方。

优选的，所述立式加热源包括立式支架，所述立式支架上方竖直设有立式辐射源框，所述立式辐射源框内设有若干碳化硅加热棒。

优选的，所述卧式加热源包括卧式支架、手轮，所述卧式支架顶端横向设有辐射源框，所述卧式辐射源框内设有若干碳化硅加热棒，所述卧式辐射源框左右两侧对称固定有连接部件，所述手轮竖直贯穿所述连接部件后与卧式支架螺纹连接。

优选的，所述加热系统还包括电阻加热丝，所述电阻加热丝缠绕在所述储罐外侧壁上并通过导线与控制系统连接。

立式加热源及卧式加热源的辐射源框均由莫来石砖砌成，构成有效加热面，碳化硅加热棒安装在辐射源框中并通过导线与控制系统连接，由控制系统控制对实验主装置从侧面或从顶部向下进行加热工作，对实验主装置进行辐射加热，其与实验主装置不接触；为了加强对实验主装置的加热效果，可以在储罐外侧壁上缠绕电阻加热丝，其与储罐为接触式加热，电阻加热丝由控制系统控制工作状态，其与立式加热源或卧式加热源相互独立，二者可同时加热实验主装置，也可单独加热实验主装置。

采用上述实验装置进行火灾诱发储罐BLEVE规律测试方法，其步骤如下:

1）安装爆破片：

在储罐顶部爆破片孔位置，安装预定尺寸大小爆破片；

2）抽真空与加水：

打开控制系统，控制系统控制补水与真空系统对储罐进行抽真空及加水工作；

3）打开加热系统，设定加热温度上限，选择一定的加热功率开始加热，使储罐中液体达到实验所需的高压状态；

4）当储罐内部压力示数表显示压力值接近实验预定压力值（即爆破压力）时，打开数据采集系统，开始数据采集；

5）待储罐内部压力达到爆破压力时爆破片开启，待压力显示仪表上压力波动趋于平稳或变化很小时视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集系统；

6）待容器内介质冷却至室温后，排放储罐内部液体；然后关闭设备电源；

7）卸下爆破片，根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，分析数据。

采用上述实验装置进行消防设施对火灾诱发储罐BLEVE影响的测试方法，其步骤如下：

1）安装爆破片：

在储罐顶部爆破片孔位置，安装预定尺寸大小爆破片；

2）加装保温材料

选择实验所要测试的保温材料，将其包裹在储罐外壁面固定；

3）抽真空与加水：

打开控制系统，控制系统控制补水与真空系统对储罐进行抽真空及加水工作；

4）打开加热系统，设定加热温度上限，选择一定的加热功率开始加热，使储罐中液体达到实验所需的高压状态；

5）当储罐内部压力示数表显示压力值接近实验预定压力值（即爆破压力）时，打开数据采集系统，开始数据采集；

6）待储罐内部压力达到爆破压力时爆破片开启，待压力显示仪表上压力波动趋于平稳或变化很小时视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集系统；

7）待容器内介质冷却至室温后，排放储罐内部液体；然后关闭设备电源；

8）卸下爆破片，拆下保温材料，并对保温材料表面拍照记录，根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，分析数据。

本实用新型所述的有益效果为：

1、本装置可模拟不同火灾场景的热作用过程,同时研究火焰非接触式加热（热辐射）和火蔓延非接触式加热+接触加热耦合（热辐射加电热阻丝）作用方式，通过控制加热面积和加热时间间接影响容器内BLEVE的发生，定量研究其发生规律；

2、本装置以实体储罐等比例缩放及圆形储罐设计，方便储罐尺度效应研究及安全生产中各类消防设施安装（如保温材料），可检测证实储罐区各类消防措施对储罐事故过程的阻滞或加强作用；

3、外部辐射加热源的设计分立式和卧式两种，可实现对储罐侧面及顶部等不同部位加热，同时卧式加热源还可以调节一定高度，方便顶部加热引发BLEVE的研究；

4、设计了抽真空及补水气动控制阀，通过三通管实现抽真空和加水，以保证实验过程中容器内部只有水的气液两态，不含空气，且进水（抽真空）口与进水（抽真空）主管线通过真空卡箍相连接，保证了密封性；

5、容器顶部压力变送器与安全排空阀联动（也可随时通过控制系统手动排空），以防容器超压，造成事故；

6、本装置侧面装有高温磁翻液位计，可以定量控制容器内部液位高度；

7、装置泄爆口处接有不锈钢管道，可以直接将高压过热水通过管道排出室外，防止高温水喷溅。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型主视结构示意图。

图2是储罐顶部结构示意图。

图3是储罐底部示意图。

图4是高温磁翻液位计结构示意图。

图5是立式加热源主视示意图。

图6是卧式加热源主视结构示意图。

图7是卧式加热源右视结构示意图。

其中：1- 储罐，10-可移动平台，11-高压泄压孔，12-单相补水及真空阀口，13-爆破片孔，14-压力变送器口，15-排液口，16-温度传感器孔，2-加热系统，21-立式支架，22-立式辐射源框，23-碳化硅加热棒，24-卧式支架，25-手轮，26-卧式辐射源框，27-连接部件，3-数据采集及处理系统，31-压力变送器，32-热电偶，4-爆破片，5-补水管线单相阀， 6-排泄管，7-自动排泄阀，8-补水与真空系统，81-水环真空泵，82-系统补水口，83-补水管线单相阀，84-主管线，85-真空管，86-进水管，87-手动真空控制阀，88-手动补水控制阀，9-高温磁翻液位计。

具体实施方式

如图1-4所示，本实用新型所述的一种火灾诱发高压储罐BLEVE规律的爆炸测试装置，包括补水与真空系统8、实验主装置、加热系统2，控制系统、数据采集及处理系统3和电脑；所述实验主装置包括储罐1，所述储罐1为Φ180mm×772mm的圆柱形结构，储罐内容积为14L，通过焊接固定与可移动平台10上，可移动平台底部设有调节滚轮，使储罐1可移动亦可固定，操作方便、保证实验的稳定性。

所述储罐1的顶部开设有高压泄压孔11、单相补水及真空阀口12、爆破片孔13各一个，所述爆破片孔13上安装有爆破片4，所述补水与真空系统8包括水环真空泵81、空压机、系统补水口82、补水管线单相阀83、主管线84、真空管85和进水管86，所述空压机分别通过导线连接控制系统、补水管线单相阀83及安全排空阀，所述主管线84、真空管85和进水管86三者通过三通连接，所述水环真空泵81和系统补水口82分别对应连接真空管85和进水管86，真空管和进水管上分别对应安装有手动真空控制阀87及手动补水控制阀88，所述主管线通过补水管线单相阀5与单相补水及真空阀口连接，所述高压泄压孔连接安全排空阀，所述补水管线单相阀及安全排空阀分别通过软管与空压机连接。

所述补水与真空系统由空压机提供动力，普通自供水管线供水，管线加配真空快速接头联接软管进行抽真空和进水操作，通过三通和手动球阀进行抽真空与进水的切换，主管线与单相补水及真空阀口通过真空卡箍连接。本系统是低压和常压补水设计，高压时不能进行补水工作，整个系统设备固定安装在定点位置，通过软管与实验主装置对接；补水与真空系统管道、阀门等附件均采用不锈钢材质且最大耐压不小于2.4MPa，耐温不低于200℃，具有良好的耐压性能和密封性。

数据采集及处理系统3包括压力变送器31和热电偶32，所述储罐1的顶部、底部以及侧壁高度的30%，50%，70%，90%处分别设有压力变送器口14，6个压力变送器口分别对应连接一个压力变送器31，其中储罐顶部的压力变送器还连接压力显示仪表，6个压力变送器用于检测不同液位不同温度情况下压力的微量变化；所述储罐1的底部还开设有温度传感器孔16和排液口15，所述热电偶32位于储罐1内并与温度传感器孔14连接，所述6个压力变送器31、热电偶32分别通过导线与数据采集仪连接，所述数据采集仪通过导线与电脑连接；其中采集仪采用美国安捷伦U2331A型多通道数据采集模块同步采集数据，采样率可高达单通道3MSa/s，多通道1MSa/s，分辨率为12bit；压力传感器采用HM90-H2-2-V2-F10-W2型，测量频率为20kHz，可以准确收集到容器内部的动（静）压力变化；温度传感器采用K型热电偶，从储罐底部插入，可以根据实验需求选择不同高度的热电偶。；

所述储罐1的底部还设有与排液口15连接的排泄管6，所述排泄管6下方设有泄漏管道支架，所述泄漏管道支架主要安装固定爆破后高温水排泄管线，通过吊顶固定于实验房间顶部，将不锈钢排泄管6延伸到房间外面；所述排泄管6上设有自动排泄阀7，所述自动排泄阀7与空压机连接；储罐的外侧壁上通过法兰91安装有高温磁翻液位计9，用于观察液位变化情况。

本实用新型中，所述加热系统2包括立式加热源或卧式加热源两种模式，当采用立式加热源时，其与实验主装置不接触且位于所述储罐后侧；当采用卧式加热源时，其与实验主装置不接触且位于所述储罐上方。

实验时采用的立式加热源包括立式支架21，所述立式支架21的上方竖直固设由莫来石砖砌成的立式辐射源框22，立式辐射源框22的有效加热面尺寸为902mm*1078mm ，立式辐射源框22内设有12根碳化硅加热棒23组成的加热管路。

实验时采用的卧式加热源包括卧式支架24、手轮25，所述卧式支架24的顶端横向设有卧式辐射源框26，卧式辐射源框26的有效加热面尺寸为1138mm*902mm，所述卧式辐射源框26内设有12根碳化硅加热棒23组成的加热管路，所述卧式辐射源框26的左右两侧对称固定有连接部件27，所述连接部件27上竖直设有螺纹通孔，手轮25的下端与该螺纹通孔螺纹连接，其竖直贯穿该螺纹通孔后与卧式支架螺纹连接，手轮转动带动卧式辐射源框上或下运动，以此来调节卧式辐射源框的高度。

立式和卧式加热源均可实现有效加热面积1m*1m，加热通量0-100kW/m²范围的可控调节；加热源的有效加热功率通过控制系统的温升速率旋钮和加热棒温度联合作用调整；加热棒温度通过加热源的中心位置处实时监测硅碳棒表面温度的热电偶获取，该热电偶温度实时反馈至控制系统来维持恒定加热功率条件；实验前利用多个辐射热流计对不同热电偶温度、加热距离的辐射热通量进行定量标定；另外，加热源通过加热源支架支撑，加热源支架下方均有滚轮，方便根据实验需求调节加热源与实验装置的位置关系。

无论立式加热源还是卧式加热源，其均由碳化硅加热棒通过导线与控制系统连接，从而控制加热温度。

为进一步增强对实验主装置的加热效果，本实用新型中还可在储罐的外侧壁上缠绕电阻加热丝，电阻丝可通过导线与控制系统连接。

电阻加热丝与加热源的是独立的两个组成部分，其用于实际火灾场景中不同热作用的模拟，主要有受热面积的不同、受热时间的长短、储罐受热形式区别，如：加热源通过调节辐射热通量及非接触作用面积，主要用于重复可控模拟不同火焰强度对储罐的非接触式加热，且可以根据实验需求调节辐射热通量对于储罐的作用时间、受热角度、受热面积，使实验更符合实际事故情况，更为重要的是采用辐射加热可以填补目前关于BLEVE研究领域的空白，为后续的模型建立和实验探究建立初步的实验经验；而电阻丝加热丝通过调节加热功率及接触面积，主要用于重复可控模拟不同火焰强度对储罐的接触加热。二者可共同作用给实验主装置加热，也可分别单独作用。

本实用新型中控制系统用于抽真空控制、加水控制、自动安全排空及动力系统控制；控制系统为一控制柜，其包括有控制箱电源开关、压力显示仪表、以及各个与其连接的部件的按钮；其中真空泵和空压机位于控制箱下面，通过管线和控制箱连接；抽真空与加水系统的控制如前所述，由三通阀门分别控制储罐抽真空和进水，自动排空阀与顶部压力变送器联锁，当压力达到一定限值时，安全排空阀接受压力变送器给予的信号后自动打开，当压力回到一定值时，阀门重新关闭；动力系统主要是空气压缩机，用于各个气动控制阀（包括补水管线单相阀，安全排空阀，自动排泄阀）的启动动力源。

实施例1

采用上述实验装置进行火灾诱发高压储罐BLEVE规律测试方法，其步骤如下：

1）安装爆破片：在储罐顶部爆破片孔位置，安装预定尺寸大小爆破片；

2）抽真空与加水：

接通总电源，启动控制系统，然后再打开空压机开始工作，待空压机自动停止后，打开水管总出水阀门和真空泵进出水调节阀，控制系统控制水环真空泵开始工作，待显示仪表上达到实验所需的压力值时，关闭水环真空泵进出水阀，打开手动补水控制阀开始进水，待储罐内水液面达到实验预定高度后，关闭手动补水控制阀和水管总出水阀；

3）打开加热系统，根据实验需求，选择以下三种方案中的一种进行加热，使储罐中液体达到实验所需的高压状态。

（1）打开辐射加热系统，设定加热温度上限，选择一定的加热功率开始加热；

（2）打开电阻丝加热开关，并选择一定功率开始加热；

（3）同时打开辐射加热系统和电阻丝加热开关，选择一定功率，使二者共同作用加热；

4）在储罐内部压力示数表显示压力值接近实验预定压力值（即爆破压力）时，打开数据采集系统，开始数据采集；

5）待储罐内部压力达到爆破压力时爆破片开启，待压力显示仪表上压力波动趋于平稳或变化很小时视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集系统；

6）待储罐内介质冷却至室温后，控制系统控制储罐底部的自动排泄阀自动打开，排出储罐内部液体，待容器内部液体排尽，关闭自动排泄阀；然后关闭空压机、关闭控制系统和总电源。

7）卸下爆破片，根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，分析数据。

实施例2

采用上述实验装置进行消防设施对火灾诱发储罐BLEVE影响的测试方法，其步骤如下：

1）安装爆破片：

在储罐顶部爆破片孔位置，安装预定尺寸大小爆破片；

2）加装保温材料

选择实验所要测试的保温材料，将其包裹在储罐外壁上并固定；

3）抽真空与加水：

打开控制系统，控制系统控制补水与真空系统对储罐进行抽真空及加水工作；

4）打开加热系统，根据实验需求，选择以下三种方案中的一种进行加热，使储罐中液体达到实验所需的高压状态；

（1）打开辐射加热系统，设定加热温度上限，选择一定的加热功率开始加热；

（2）打开电阻丝加热开关，并选择一定功率开始加热；

（3）同时打开辐射加热系统和电阻丝加热开关，选择一定功率，使二者共同作用加热；

5）当储罐内部压力示数表显示压力值接近实验预定压力值（即爆破压力）时，打开数据采集系统，开始数据采集；

6）待储罐内部压力达到爆破压力时爆破片开启，待压力显示仪表上压力波动趋于平稳或变化很小时视为BLEVE过程结束，此时关闭数据采集系统；

7）待容器内介质冷却至室温后，排放储罐内部液体；然后关闭设备电源；

8）卸下爆破片，拆下保温材料，并对保温材料表面拍照记录，根据数采测得数据绘制温度压力随时间变化的曲线，分析数据。

本装置可在以下几种工况下进行实验:

1、热环境对BLEVE发生的临界条件影响

本装置主要研究不同辐射热通量对容器内部介质进行加热，通过控制其作用时间、液位高度及初始压力等条件，探究其压力变化以及到达预设压力值的时间等。

2、消防措施对于BLEVE的影响

目前随着对储罐发生BLEVE现象研究的深入，在储罐外部加装不同类型的保温材料以阻滞BLEVE的发生成为研究的另一个方向。

3、加热方式/强度对储罐BLEVE发生临界条件探究

装置可研究接触加热（加装电加热丝）和非接触加热（辐射加热源）两种加热方式或二者共同作用时储罐的BLEVE效应。另外，辐射加热源分为立式和卧式两种，可模拟储罐侧面/顶端联合加热方式。

本实验装置创新性的采用了非接触式的热辐射加热方式，可多次对目标进行加热，弥补外加火焰辐射作用中实验重复性方面的不足，重点研究在不同辐射热形式的作用下，辐射热通量作用面积及时间、储罐内介质填充度、各类型保温材料覆盖等条件耦合作用下对BLEVE的影响，探究火灾诱发BLEVE发生的规律，同时可以检验储罐区各类消防措施对于储罐热效应的阻滞作用，而且还可以对引发BLEVE的临界条件作用参数（临界热通量、临界热厚度）进行系统定量研究，为研究工程中火灾诱发BLEVE的后续研究提供可靠的理论支持。

以上所述仅为本实用新型的优选方案，并非作为对本实用新型的进一步限定，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本实用新型的保护范围之内。