過熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

周宇航，婁蘭亭，姜鑫垚，張穎，蔣鵬，高晗

（1.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；2.中國(guó)石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163318）

過熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

周宇航1，婁蘭亭1，姜鑫垚1，張穎1，蔣鵬1，高晗2

（1.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；2.中國(guó)石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163318）

設(shè)計(jì)一套過熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，可開展安全閥超壓起跳實(shí)驗(yàn)、爆破片超壓爆破實(shí)驗(yàn)和沸騰液體蒸汽爆炸（BLEVE）實(shí)驗(yàn)。該套實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位等參數(shù)的自動(dòng)采集，注水和加熱自動(dòng)控制，并配有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具有安全、高效和可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究。

壓力容器；BLEVE；遠(yuǎn)程測(cè)試裝置；超壓泄放

壓力容器是內(nèi)部或外部承受氣體或液體壓力，并對(duì)安全性有較高要求的密封容器[1]，確保其安全使用具有重要意義。盛裝過熱蒸汽的壓力容器由于腐蝕等原因出現(xiàn)點(diǎn)蝕、小孔等缺陷，產(chǎn)生超壓泄漏，引發(fā)沸騰液體膨脹蒸汽爆炸（BLEVE—Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）現(xiàn)象[2]，這是一種危害性極大的物理性爆炸，此類事故一旦發(fā)生，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[3-4]。

本文設(shè)計(jì)一套過熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置，通過一臺(tái)盛有過熱水的壓力容器，加熱電極和一可調(diào)開度的電磁閥，模擬面積不同的泄漏點(diǎn)，使其在不同泄漏面積下發(fā)生爆炸性沸騰。實(shí)驗(yàn)裝置的研制，可實(shí)現(xiàn)與超壓泄放有關(guān)的綜合性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如BLEVE實(shí)驗(yàn)、安全閥超壓起跳實(shí)驗(yàn)和爆破片爆破試驗(yàn)，可用于相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置模塊設(shè)計(jì)

過熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置由壓力容器模塊，安全泄放模塊，實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊三部分組成。壓力容器功能是盛裝實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，上方及兩側(cè)設(shè)有接管用以接入溫度傳感器，壓力傳感器和安全泄放裝置。安全泄放系統(tǒng)包括安全閥、爆破片和電磁閥裝置。實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和加載系統(tǒng)。圖1為裝置模塊設(shè)計(jì)框圖。

圖1 測(cè)試裝置模塊設(shè)計(jì)框圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置的選型設(shè)計(jì)

2.1 壓力容器的設(shè)計(jì)

壓力容器是實(shí)驗(yàn)裝置的主體，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，通過加熱電極對(duì)水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生過熱蒸汽?？紤]過熱蒸汽產(chǎn)生的條件及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境因素，該壓力容器的工作溫度、工作壓力、設(shè)計(jì)溫度等參數(shù)如表1所示。

表1 壓力容器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置用壓力容器采用立式結(jié)構(gòu)，容器直徑300 mm，兩端焊接一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，容器筒體長(zhǎng)750 mm，總高900 mm.根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，選用奧氏體不銹鋼S30403作為容器母材，選取EHA標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，筒體和封頭厚度均為8 mm.

2.2 安全泄放模塊的計(jì)算選型

容器頂端連接一可調(diào)開度的電磁閥，通過調(diào)節(jié)不同的開度，模擬面積不同的泄漏點(diǎn)。因容器工作溫度較高，附近熱輻射強(qiáng)烈，要求該電磁閥開度可連續(xù)調(diào)節(jié)，能在220℃下穩(wěn)定工作，采用05型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電磁閥固定于壓力容器上方的閥桿，防止實(shí)驗(yàn)過高溫度影響電磁閥的正常工作。

為了進(jìn)行不同的安全閥超壓起跳實(shí)驗(yàn)和爆破片爆破試驗(yàn)，本裝置選用4組不同型號(hào)的安全閥：A21W-16P、A21Y-25P、A27W-16P和A28H/Y-16C，4組不同型式的爆破片：反拱帶槽型、正拱帶槽型、反拱開縫型和正拱開縫型，以研究不同情況安全泄放時(shí)有關(guān)參數(shù)的特性曲線以及滿足過熱蒸汽超壓泄放的實(shí)驗(yàn)要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊主要包括安裝水箱、水泵等組件，上部放置有控制儀器等。考慮到功能要求和人體工程學(xué)原理，其長(zhǎng)寬高設(shè)定為1 200 mm×600 mm×700 mm，以便于人員操作。箱體左側(cè)設(shè)有接管口，用以連出水泵管線，正面設(shè)有門，用于注水及維修。

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，設(shè)有450 mm×450 mm×500mm的水箱，容積為101.25 L，水箱可以滿足容器的容積要求。該設(shè)計(jì)工作介質(zhì)為水，且揚(yáng)程較低，流量較小，選用1DB-35型自吸式清水泵，其具體參數(shù)如表2所示。

表21 DB-35型自吸式清水泵參數(shù)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方設(shè)有遠(yuǎn)程高清攝像頭，壓力傳感器、溫度控制器、超聲波液位計(jì)分別對(duì)容器的壓力、溫度、液位等參數(shù)進(jìn)行精確的采集控制，可在遠(yuǎn)程控制端安全準(zhǔn)確的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并能通過軟件精準(zhǔn)的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，完成主要部件圖紙繪制、參數(shù)計(jì)算、選型、制造及數(shù)據(jù)采集、控制和分析軟件的編制等工作。整套實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)過測(cè)試，該套實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以完成安全閥超壓起跳實(shí)驗(yàn)，爆破片超壓爆破實(shí)驗(yàn)和沸騰液體蒸汽爆炸（BLEVE）實(shí)驗(yàn)，可用于安全工程、過程裝備與控制工程等相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究。

圖2 總體裝置圖

4 結(jié)束語

根據(jù)沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的發(fā)生機(jī)理，研制了過熱蒸汽超壓泄放遠(yuǎn)程測(cè)試裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置可以完成安全閥起跳實(shí)驗(yàn)，爆破片爆破實(shí)驗(yàn)和BLEVE實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置借助遠(yuǎn)程控制、測(cè)試和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)人員可以在保證安全的條件下完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該套實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)和功能，可用于安全工程及過程裝備與控制工程等相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究工作。

[1]韓春九，吳國(guó)強(qiáng).我國(guó)壓力容器制造的現(xiàn)狀特點(diǎn)和存在問題[J].裝備制造技術(shù)，2009（11）：94-95.

[2]陳思凝，孫金華.鍋爐沸騰液體膨脹蒸汽爆炸（BLEVE）的小尺寸模擬試驗(yàn)[J].熱能動(dòng)力工程，2006，21（2）：132-135.

[3]Jan Stawecyk.Experimental Evaluation of LPG Tank Explo sion Hazards[J].Journal of Hazardous Materials，2003，96（6）：189-200.

[4]馬曉茜，王晶晶.液化天然氣BLEVE機(jī)理研究及其事故后果評(píng)價(jià)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（10）：189-193.

The Design of Remote Test Device for Superheated Steam Overpressure Relief

ZHOU Yu-hang1，LOU Lan-ting1，JIANG Xin-yao1，ZHANG Ying1，JIANG Peng1，GAO Han2
（1.Northeast Petroleum University Science and Engineering Institute，Daqing Heilongjiang，163318，China；2.Daqing Chemical Research Center，PetroChina Petrochemical Research Institute，Daqing Heilongjiang 163318，China）

A set of remote test device for superheated steam overpressure discharge is designed，which can be used to carry out the overpressure test of safety valve，the bursting pressure test and the boiling liquid vapor explosion（BLEVE）experiment.The automatic acquisition device for temperature，pressure and liquid level parameters，water injection and heating automatic control，and is equipped with a remote video monitoring system，which is safe，efficient and flexible，can be used in related professional experimental teaching and scientific research.

pressure vessel；BLEVE；remote testing device；overpressure relief

TE85

A

1672-545X（2017）03-0166-03

2016-12-02

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）

周宇航（1997-），女，黑龍江哈爾濱人，本科在讀，研究方向?yàn)檫^程裝備與控制工程。