索銘澤，王天宇，黃政，周宇航，張穎

過(guò)熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

索銘澤1，王天宇2，黃政2，周宇航2，張穎2

（1.大慶實(shí)驗(yàn)中學(xué)，黑龍江大慶163318；2.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318）

為模擬和測(cè)試沸騰液體膨脹蒸汽爆炸(BLEVE)這一過(guò)程，設(shè)計(jì)了一套以過(guò)熱水為介質(zhì)，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的測(cè)試裝置。該裝置包括：壓力容器系統(tǒng)、安全泄放系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)三個(gè)部分。用容器頂部電磁閥的開(kāi)度來(lái)模擬容器泄漏面積，用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定和采集蒸汽爆炸瞬間容器內(nèi)的溫度、壓力及液位等參數(shù)。整套裝置可在保證人身安全的前提下完成沸騰液體膨脹蒸汽爆炸過(guò)程。通過(guò)對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)的分析，該套裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

壓力容器；蒸汽爆炸；超壓泄放；遠(yuǎn)程監(jiān)控

沸騰液體膨脹蒸汽爆炸是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的一類(lèi)安全事故[1-3]。本文以研究沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的臨界條件為主要目的，研制過(guò)熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置。使用部分盛裝高溫、高壓熱水的壓力容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1]，通過(guò)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。使用壓力變送器和熱電偶等遠(yuǎn)程測(cè)量傳感器記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力及溫度的變化過(guò)程，用超聲波液位計(jì)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)的液位，來(lái)計(jì)算發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象時(shí)的氣液兩相空間比例；由傳感器采集的溫度、壓力、液位、泄漏面積、時(shí)間等數(shù)據(jù)，經(jīng)遠(yuǎn)程傳輸至控制系統(tǒng)，經(jīng)由軟件處理后，可繪制出溫度、壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，用于分析沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的機(jī)理及影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

過(guò)熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置由壓力容器系統(tǒng)、安全泄放系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)三部分組成。

（1）壓力容器系統(tǒng)

壓力容器系統(tǒng)為本套實(shí)驗(yàn)裝置的主體，該立式容器采用筒體兩端焊接一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的結(jié)構(gòu)。上封頭的中心焊接的接管采用螺紋連接安裝電磁閥；在上封頭其他位置接出八個(gè)接管分別安裝四種不同型號(hào)和功能的安全閥和四種型號(hào)不同的爆破片。在筒體四周焊接的多個(gè)接管，來(lái)安裝測(cè)量溫度和壓力的傳感器及物理表盤(pán)、超聲波液位計(jì)和磁浮子液位計(jì)。在下封頭中心設(shè)有安裝內(nèi)置加熱電極的開(kāi)口，其他位置焊接的接管用來(lái)安裝進(jìn)水閥和排水閥。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)

（2）安全泄放系統(tǒng)

在容器的上封頭安裝有四種不同型號(hào)和功能的安全閥和爆破片，這兩種安全泄放裝置可以保證壓力容器在設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)正常工作，并滿(mǎn)足容器內(nèi)過(guò)熱液體產(chǎn)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象時(shí)安全泄放的功能；在正中心位置安裝電磁閥來(lái)模擬容器的泄漏，通過(guò)實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)定電磁閥的開(kāi)度來(lái)模擬泄漏面積。

（3）實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)分為兩部分：一是實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，二是實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于放置本套實(shí)驗(yàn)裝置的加載裝置，分為箱體、泵、水箱以及連接管線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)有溫度和壓力傳感器、超聲波液位計(jì)、電磁閥、溫度控制器、數(shù)據(jù)采集箱、PLC和實(shí)驗(yàn)軟件，其中實(shí)驗(yàn)軟件采用RS232數(shù)據(jù)通訊，基于組態(tài)王工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置各參數(shù)的控制以及遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控的功能。

2 沸騰液體膨脹蒸汽爆炸實(shí)驗(yàn)

沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的發(fā)生是由許多因素決定的，其中容器的壁厚、材料強(qiáng)度、承受的外加熱輻射通量的大小以及作用時(shí)間、泄壓閥的開(kāi)啟面積和設(shè)定壓力以及容器的熱保護(hù)措施等，都對(duì)沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的發(fā)生起到?jīng)Q定性的作用[4]。本文通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥開(kāi)度模擬壓力容器不同缺陷泄漏面積的大小，進(jìn)行沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象的測(cè)試。

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

接通所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源，打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的實(shí)驗(yàn)軟件，實(shí)驗(yàn)主界面如圖2所示。打開(kāi)注水管路上的閥門(mén)，啟動(dòng)水泵，觀(guān)察磁浮子液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的示數(shù)，當(dāng)液位達(dá)到所需液位時(shí)關(guān)閉水泵，并打開(kāi)上封頭處的放空閥門(mén)，此時(shí)容器上其他閥門(mén)均處于關(guān)閉狀態(tài)。將溫度控制器設(shè)定到110℃后開(kāi)始加熱，觀(guān)察操作界面上的溫度顯示，當(dāng)達(dá)到100℃時(shí)，打開(kāi)一路安全閥，關(guān)閉其他閥門(mén)，此時(shí)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。將溫度設(shè)定為200℃繼續(xù)加熱，此時(shí)容器液體溫度逐漸升高，氣相空間的壓力也逐漸升高，當(dāng)氣體壓力達(dá)到1.2 MPa關(guān)閉加熱，設(shè)定適合的電磁閥開(kāi)度，用來(lái)模擬缺陷泄漏，觀(guān)察容器是否產(chǎn)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象，整個(gè)過(guò)程的壓力溫度和液位的數(shù)據(jù)都將由實(shí)驗(yàn)軟件記錄下來(lái)，進(jìn)行最后的實(shí)驗(yàn)分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)操作界面

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及分析

沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象是在一瞬間產(chǎn)生的，需要經(jīng)過(guò)多次設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件（電磁閥開(kāi)度、加熱前容器液位、開(kāi)啟電磁閥時(shí)容器內(nèi)氣相壓力、溫度等）并完成實(shí)驗(yàn)，直至找到發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。在進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后，成功測(cè)試出沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，實(shí)驗(yàn)軟件的數(shù)據(jù)報(bào)表界面如圖3所示。軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，并可通過(guò)數(shù)據(jù)查詢(xún)界面的“變量選擇單元”和“時(shí)間屬性”來(lái)選擇變量和設(shè)定時(shí)間區(qū)間，放大發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸瞬間這一時(shí)間段的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，確定各項(xiàng)參數(shù)以研究其發(fā)生機(jī)理，數(shù)據(jù)查詢(xún)界面如圖4所示，數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表

圖4 數(shù)據(jù)查詢(xún)界面

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

圖5為發(fā)生沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象數(shù)秒內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。由圖5可知，容器內(nèi)的水被加熱后逐漸變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，曲線(xiàn)平滑上升階段表示容器內(nèi)氣體壓力逐漸升高，當(dāng)電磁閥按照設(shè)定的開(kāi)度打開(kāi)后，氣體開(kāi)始泄露，容器內(nèi)氣體壓力開(kāi)始降低，由于氣相的壓力降低導(dǎo)致液相的沸點(diǎn)降低，液體產(chǎn)生爆沸現(xiàn)象，瞬間產(chǎn)生大量的蒸汽，使氣體壓力瞬間升高并超過(guò)泄露前最高壓力的數(shù)倍之多，一直達(dá)到爆破片的爆破壓力，爆破片破裂，泄放出容器內(nèi)的氣液混合物，壓力瞬間下降至大氣壓力。這一過(guò)程就是沸騰液體膨脹蒸汽爆炸過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用研制的過(guò)熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置，開(kāi)展了沸騰液體膨脹蒸汽爆炸實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)定適合的實(shí)驗(yàn)參數(shù)（電磁閥開(kāi)度、氣液比例等），成功模擬沸騰液體膨脹蒸汽爆炸現(xiàn)象。該裝置在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)的爆炸現(xiàn)象，并記錄和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件處理后可生成數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。該裝置可以很好的模擬沸騰液體膨脹蒸汽爆炸這一過(guò)程，為進(jìn)一步研究沸騰液體膨脹蒸汽爆炸理論提供了硬件基礎(chǔ)。

[1]陳思凝.沸騰液體膨脹蒸氣爆炸（BLEVE）動(dòng)力演化機(jī)理的小尺寸模擬試驗(yàn)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[2]王慶慧.壓力容器蒸汽爆炸臨界條件分析及后果仿真[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[3]包貴林.一起“鍋爐爆炸”的真正原因[J].裝備制造技術(shù)，2016（03）：273-275.

[4]弓燕舞，林文勝，顧安忠.蒸氣爆炸研究現(xiàn)狀及問(wèn)題分析[J].石油與天然氣化工，2002，31（03）：161-164.

The Testing of Remote TestDevice for Superheated Steam Overpressure Relief

SUO Ming-ze1，WANG Tian-yu2，HUANG Zheng2，ZHOU Yu-hang2，ZHANG Ying2
（1.Da Qing Shi Yang High School，Daqing Heilongjiang 163318，China；2.Northeast Petroleum University，Mechanical Science and Engineering Institute，Daqing Heilongjiang 163318，China）

To simulate and test the process of Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion(BLEVE)，a set of test equipment with super hot water as medium and remote monitoring function is designed.The device comprises three parts，pressure vessel system，safety relief system，test bench system.Using the opening angle of the solenoid valve at the top of the vessel to simulate the container leakage area.Using remote monitoring system to set and collect the parameters such as temperature，pressure and liquid level at the moment of steam explosion in the vessel.The whole device can complete the Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion process on the premise of ensuring the personal safety.Through the test and analysis of the experimental data，the device meets the design requirements.

pressure vessel；steam explosion；overpressure relief；remote monitoring

X933.4

A

1672-545X（2017）02-0139-02

2016-11-04

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目—過(guò)熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號(hào)：201610220003）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目—儲(chǔ)罐內(nèi)置式聲發(fā)射檢測(cè)用多傳感器投放裝置設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號(hào)：201610220001）

索銘澤（1999-），男，黑龍江大慶人，高三在讀，研究方向?yàn)檫^(guò)熱蒸汽超壓機(jī)理及測(cè)試技術(shù)。