本发明涉及反应堆严重事故条件下产生的氢气和一氧化碳的燃烧和爆炸研究技术领域，具体涉及一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统及方法。
背景技术：
自从美国三哩岛核事故之后，国外许多研究者开始研究压水堆核电站严重事故下的氢气的产生、燃烧和爆炸。日本福岛核事故中发生了氢气爆炸，使得氢气爆炸在国内外受到了高度关注。核反应堆发生严重事故下，氢气产生通常分为压力容器内和压力容器外两个阶段。压力容器内氢气产生源包括：金属(如锆包壳)与水蒸汽在高温下的反应、碳化硼的氧化过程、堆芯再淹没过程中的燃料与冷却剂相互作用；压力容器外氢气产生源主要指高温熔融物与安全壳底板混凝土相互作用过程(mcci)产生的氢气。事故中产生的这些氢气，如果不能被及时消除，则会积聚在安全壳内并在一定条件下发生爆炸。爆炸产生冲击波会破坏安全壳的结构，导致放射性物质的泄露。我国是核电发展的大国，且我国的核电站大多是压水堆，因此压水堆严重事故下氢气爆炸的实验和理论研究对于评估氢气爆炸危害和制定氢气爆炸事故缓解措施有着重要意义。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统及方法，开展小尺寸管道内氢气爆炸实验，获得反应堆严重事故条件下氢气爆炸现象的重要数据。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统，包括实验段1，内径和壁厚与实验段1相同且通过法兰与实验段1连接的乙炔引爆段以及配电设备56和数据测量与采集设备57；
所述乙炔引爆段的点火端布置有一个开孔，用以安装点火杠并连通点火段管道，并在乙炔引爆段壁面上布置一个引爆段静压传感器41，引爆段静压传感器41通过引爆段静压阀39连接在点火段；需要使用乙炔引爆时，乙炔引爆段与实验段1用聚酯薄膜隔断；
所述实验段1水平固定，在其两侧等间距布置了多个高频动压传感器、多个温度传感器、离子探针组55以及一个实验段静压传感器42，实验段静压传感器42通过实验段静压阀40连接实验段1，温度传感器监控实验段1内可燃性混合气体温度，离子探针组55测量可燃混合气体发生燃烧或者爆轰时压力波到达时间，高频动压传感器测量可燃混合气体发生燃烧或者爆轰时压力波到达时压力；实验段1两端末端靠近法兰的管壁上个开有一个开孔，用以连接真空管和气体管道，其中一个开孔通过真空泵电动阀3连接真空泵2；所述气体管道通过混气系统连通实验段1，混气系统的管路上依次设置有气动泵阀门4、第一过滤器5、循环泵6、第二过滤器7和进口总阀8，混气系统通过循环泵使得实验段1内气体在其内缓慢流动以达到混合的目的；氢气源管道、氮气源管道和氧气源主管道并联后连接所述气体管道，氢气源管道上依次设置有氢气减压阀9、氢气隔膜阀10、氢气截止阀11、氢气阻火器12、氢气排气阀13和氢气电动阀14并连通氢气源101，氮气源管道上依次设置有氮气减压阀15、氮气隔膜阀16、氮气截止阀17、氮气排气阀18和氮气电动阀19并连通氮气源102，氧气源管道上依次设置有氧气减压阀20、氧气隔膜阀21、第一氧气截止阀22、氧气阻火器23、氧气排气阀24和氧气电动阀25并连通氧气源103；一氧化碳源管道、乙炔源管道和氧气源支路管道连接乙炔引爆段的点火段管道，一氧化碳源管道上依次设置有一氧化碳减压阀28、一氧化碳隔膜阀29、一氧化碳截止阀30、一氧化碳阻火器31和一氧化碳排气阀32并连通一氧化碳源104，乙炔源管道上依次设置有乙炔减压阀33、乙炔隔膜阀34、乙炔截止阀35、乙炔阻火器36、乙炔排气阀37和乙炔电动泵38并连通乙炔源105，氧气源支路管道上依次设置有氧气减压阀20、氧气隔膜阀21、第一氧气截止阀22、氧气阻火器23、氧气排气阀24以及第二氧气截止阀26和第三氧气截止阀27；通过分压原理确定引爆气体组分；当点火器能量不足以引爆可燃性混合气体时，用乙炔爆轰释放出来的能量对实验段1内可燃性混合气体进行引爆；开始实验前，实验段1末端内嵌入烟熏铝板；
所述配电设备56包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备；配电设备56的供电源容量满足实验系统需求，为实验系统提供点火器电源、电动泵电源、循环泵和真空泵电源和数据采集设备的工作电源以及照明设备的工作电源；
所述数据测量与采集设备57主要包括安装在实验段1上的温度传感器、离子探针组和高频动压传感器以及接线盒、数据采集卡、测量模块、信号调理器、计算机的驱动软件和数据采集软件；温度传感器、离子探针和高频动压传感器将物理参数转化为电信号，经过接线盒，传输到信号调理器进行过滤整定，由测量模块和数据采集卡将电信号转化成数字信号，提供给计算机的驱动软件和数据采集软件，然后由labview编译的程序对所有传感器的信号进行处理和显示。
所述实验段是内径为78mm、壁厚为12mm、长度为10m的不锈钢管；所述乙炔引爆段的长度为0.3m。
所述氢气源管道、氮气源管道、氧气源主管道、一氧化碳源管道、乙炔源管道和氧气源支路管道均为外径16毫米，壁厚2毫米的不锈钢管。
所述的一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统的实验方法，
对系统抽真空，使引爆段静压阀39、实验段静压阀40、气动泵阀门4、氢气电动阀14、氢气截止阀11、氮气电动阀19、氮气截止阀17、氧气电动阀25、第一氧气截止阀22、一氧化碳截止阀30、乙炔电动阀38、乙炔截止阀35、进口总阀8、第二氧气截止阀26、第三氧气截止阀27和真空泵电动阀3处于开启状态，其余阀门处于关闭状态，开启真空泵2，引爆段静压传感器41和实验段静压传感器42读数均为0kpa时，抽真空阶段结束；随后往实验段充入氮气，关闭真空泵电动阀3、氢气电动阀14和氧气电动阀25，关闭真空泵2，开启氢气源101出口开关、氮气减压阀15和氮气隔膜阀16，使引爆段静压传感器41和实验段静压传感器42读数为工况预设压力；随后往实验段冲入氧气，关闭氮气电动阀19、氮气源102出口开关、氮气减压阀15、氮气隔膜阀16和氮气截止阀17，开启氧气源103出口开关、氧气减压阀20、氧气隔膜阀21、氧气电动阀25、第二氧气截止阀26和第三氧气截止阀27，使实验段静压传感器42读数为工况预设压力，关闭氧气电动阀25，使引爆段静压传感器41读数为工况预设压力，关闭第二氧气截止阀26和第三氧气截止阀27；随后往实验段冲入氢气，关闭氧气电动阀25、氧气源103出口开关、氧气减压阀20、氧气隔膜阀21和第一氧气截止阀22，开启氢气源101出口开关、氢气减压阀9、氢气隔膜阀10和氢气电动阀14，使实验段静压传感器42读数为工况预设压力；随后开始搅浑气体，关闭氢气电动阀14和氢气隔膜阀10，开启氢气排气阀13，开启循环泵6，使各气体组分混合均匀后开始记录数据，关闭气动泵阀门4、进口总阀8，引爆段静压阀39和实验段静压阀40，开始采集记录，随后开启点火开关58，无异常情况后后停止采集，记录实验数据；实验完成后开启进口总阀8、气动泵阀门4和引爆段静压阀39、实验段静压阀40进行排气。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1.本发明是针对压水堆核电厂反应堆严重事故条件下的压力容器内以及安全壳内氢气爆炸严重事故特性而发明的实验系统，本发明的实验系统采用氢气等可燃性混合气体开展实验，研究氢气等可燃性混合气体在特定条件下的燃烧及爆轰特性，实验结果能较大限度的为工程实际中的氢气爆炸特性提供理论支持。
2.本发明采用乙炔和氧气作为引爆气体。相比于炸药引爆的方式，本发明安全性高、造价低、实验步骤简便。
3.本发明采用氢气和一氧化碳作为可燃性气体、氧气和氮气模拟真实情况下空气组分、氮气还可以作为惰性气体，采用气体分压方法计算各气体的浓度，能够较为真实地模拟事故工况下的气体组分。
4.本发明所述的混气系统可以通过实验管道、气动泵、混气管道和和循环泵搅浑工况条件下的各组分气体，直至其混合均匀。循环泵具备密封性，保证搅浑过程中实验段内各组分气体不发生泄漏；过滤器确保搅浑气体时气体中可能存在的杂质不会进入循环泵中影响其密封性能。。
附图说明
图1为本发明一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统示意图。
图2为本发明一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统配电设备示意图。
图3为本发明一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统数据测量与采集设备示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明是一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验系统包括实验段1，内径和壁厚与实验段1相同且通过法兰与实验段1连接的乙炔引爆段以及配电设备56和数据测量与采集设备57；所述乙炔引爆段的点火端布置有一个开孔，用以安装点火杠并连通点火段管道，并在乙炔引爆段壁面上布置一个引爆段静压传感器41，引爆段静压传感器41通过引爆段静压阀39连接在点火段；需要使用乙炔引爆时，乙炔引爆段与实验段1用聚酯薄膜隔断；所述实验段1水平固定，在其两侧等间距布置了多个高频动压传感器、多个温度传感器、离子探针组55以及一个实验段静压传感器42，实验段静压传感器42通过实验段静压阀40连接实验段1，温度传感器监控实验段1内可燃性混合气体温度，离子探针组55测量可燃混合气体发生燃烧或者爆轰时压力波到达时间，高频动压传感器测量可燃混合气体发生燃烧或者爆轰时压力波到达时压力；实验段1两端末端靠近法兰的管壁上个开有一个开孔，用以连接真空管和气体管道，其中一个开孔通过真空泵电动阀3连接真空泵2；所述气体管道通过混气系统连通实验段1，混气系统的管路上依次设置有气动泵阀门4、第一过滤器5、循环泵6、第二过滤器7和进口总阀8，混气系统通过循环泵使得实验段1内气体在其内缓慢流动以达到混合的目的；氢气源管道、氮气源管道和氧气源主管道并联后连接所述气体管道，氢气源管道上依次设置有氢气减压阀9、氢气隔膜阀10、氢气截止阀11、氢气阻火器12、氢气排气阀13和氢气电动阀14并连通氢气源101，氮气源管道上依次设置有氮气减压阀15、氮气隔膜阀16、氮气截止阀17、氮气排气阀18和氮气电动阀19并连通氮气源102，氧气源管道上依次设置有氧气减压阀20、氧气隔膜阀21、第一氧气截止阀22、氧气阻火器23、氧气排气阀24和氧气电动阀25并连通氧气源103；一氧化碳源管道、乙炔源管道和氧气源支路管道连接乙炔引爆段的点火段管道，当实验中可燃性气体为一氧化碳时，其设计工况均为直接点火起爆，无需引燃气体进行引爆，实验前后引爆段与实验段保持相通状态，故一氧化碳气体源管道设计为从引爆段进行连接。一氧化碳源管道上依次设置有一氧化碳减压阀28、一氧化碳隔膜阀29、一氧化碳截止阀30、一氧化碳阻火器31和一氧化碳排气阀32并连通一氧化碳源104，乙炔源管道上依次设置有乙炔减压阀33、乙炔隔膜阀34、乙炔截止阀35、乙炔阻火器36、乙炔排气阀37和乙炔电动泵38并连通乙炔源105，氧气源支路管道上依次设置有氧气减压阀20、氧气隔膜阀21、第一氧气截止阀22、氧气阻火器23、氧气排气阀24以及第二氧气截止阀26和第三氧气截止阀27；通过分压原理确定引爆气体组分；当点火器能量不足以引爆可燃性混合气体时，用乙炔爆轰释放出来的能量对实验段1内可燃性混合气体进行引爆；开始实验前，实验段1末端内嵌入烟熏铝板；
作为本发明的优选实施方式，所述实验段是内径为78mm、壁厚为12mm、长度为10m的不锈钢管；所述乙炔引爆段的长度为0.3m。
作为本发明的优选实施方式，所述氢气源管道、氮气源管道、氧气源主管道、一氧化碳源管道、乙炔源管道和氧气源支路管道均为外径16毫米，壁厚2毫米的不锈钢管。
作为本发明的优选实施方式，点火系统为正宇设备有限公司提供的gdq-30型高能点火器58。
如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述配电设备56主要包括依次连接的配电柜、输电线和用电设备。配电设备的供电源容量满足实验系统需求，为实验系统提供点火器电源、电动阀电源、循环泵和真空泵电源和数据采集设备的工作电源、照明设备的工作电源等。
如图3所示，所述数据测量与采集设备57主要包括热电偶、离子探针和压力传感器、接线盒、采集卡、测量模块、信号调理器、计算机的驱动软件和数据采集软件。热电偶、离子探针和压力传感器将物理参数转化为电信号，经过接线盒，传输到信号调理器进行过滤整定，由测量模块和数据采集卡将电信号转化成数字信号，提供给计算机的驱动软件和数据采集软件，然后由labview编译的程序对所有传感器的信号进行处理和显示。
本发明一种小尺寸管道内可燃性气体爆炸实验方法，具体的实验操作流程如下：
对系统抽真空，使引爆段静压阀39、实验段静压阀40、气动泵阀门4、氢气电动阀14、氢气截止阀11、氮气电动阀19、氮气截止阀17、氧气电动阀25、第一氧气截止阀22、一氧化碳电动阀，一氧化碳截止阀30、乙炔电动阀38、乙炔截止阀35、进口总阀8、第二氧气截止阀26、第三氧气截止阀27和真空泵电动阀3处于开启状态，其余阀门处于关闭状态，开启真空泵2，引爆段静压传感器41和实验段静压传感器42读数均为0kpa时，抽真空阶段结束；随后往实验段充入氮气，关闭真空泵电动阀3、氢气电动阀14和氧气电动阀25，关闭真空泵2，开启氢气源101出口开关、氮气减压阀15和氮气隔膜阀16，使引爆段静压传感器41和实验段静压传感器42读数为工况预设压力；随后往实验段冲入氧气，关闭氮气电动阀19，氮气源102出口开关、氮气减压阀15、氮气隔膜阀16和氮气截止阀17，开启氧气源103出口开关、氧气减压阀20、氧气隔膜阀21、氧气电动阀25、第二氧气截止阀26和第三氧气截止阀27，使实验段静压传感器42读数为工况预设压力，关闭氧气电动阀25，使引爆段静压传感器41读数为工况预设压力，关闭第二氧气截止阀26和第三氧气截止阀27；随后往实验段冲入氢气，关闭氧气电动阀25，氧气源103出口开关、氧气减压阀20、氧气隔膜阀21和第一氧气截止阀22，开启氢气源101出口开关氢气减压阀9、氢气隔膜阀10和氢气电动阀14，使实验段静压传感器42读数为工况预设压力；随后开始搅浑气体，关闭氢气电动阀14和氢气隔膜阀10，开启氢气排气阀13，开启循环泵6，使各气体组分混合均匀后开始记录数据，关闭气动泵阀门4、进口总阀8、引爆段静压阀39和实验段静压阀40，开始采集记录，随后开启点火开关58，无异常情况后后停止采集，记录实验数据；实验完成后开启进口总阀8，气动泵阀门4和引爆段静压阀39、实验段静压阀40进行排气。