一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置

摘要

本发明公开了一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置。所述装置包括碎片发射装置、第一刻度板、目标设备、第二刻度板、数据采集器、贴附在目标设备壁面的探测元件、高速摄像机、工控机、天然气气瓶、减压阀、缓冲罐、阀门、流量控制器、回火防止器和燃烧喷嘴；工控机根据探测元件采集的实时数据对燃烧喷嘴的流量进行控制以保证目标设备壁面达到预设温度；同时通过高速摄像机记录碎片发射装置产生爆炸碎片撞击目标设备的撞击形貌过程，进而分析喷射火和爆炸碎片耦合作用对目标设备影响。本发明可实现不同数量、不同尺寸、不同角度和不同高度的喷射火和爆炸碎片耦合作用对目标设备影响的研究。

说明书

技术领域

本发明属于实验装置领域，特别涉及一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置。

背景技术

液化石油气(LPG)具有的易燃易爆性在生产、运输和使用的过程中经常会造成火灾和爆炸事故。而储罐作为一种常见的储存LPG的容器，在火灾环境下会由于其罐内的LPG的温度和压力升高造成罐壁的材料强度下降，当达到一定条件后就会引发破裂或者爆炸。如2005年英国邦斯菲尔德油库的一个大型储油罐爆炸，之后半小时之内引起了附近的20个油罐相继爆炸，最终烧毁了大型储油罐20余座，43人因此受伤，直接经济损失2.5亿英镑，是欧洲迄今为止最大的爆炸火灾事故。因此，研究不同条件情况下爆炸碎片撞击目标设备后的后果分析对于预防和控制储罐泄漏爆炸事故危害具有重要意义。

目前，国内外针对储罐等设备在火灾情况下受爆炸碎片撞击的后果分析研究很少，且存在有以下缺陷：

(1)精准度低

温度对于储罐等化工设备的材料强度有很大影响，若不能准确分析不同温度对设备的影响，那么对于设备事故预防就无法采取准确及时的措施。如专利[CN111739398A]公开了一种测定泄漏喷射火撞击钢板表面传热特性的装置及方法，但是不能精确的控制目标设备壁面所处的温度。

(2)只能针对目标设备的局部位置进行研究

由于爆炸碎片的运动是无规则的，因此对于储罐侧壁的整体强度研究也必须要全面、细致，如专利[CN111638245A]，不能改变喷射火源的位置和方向，仅能对目标设备的局部小区域进行细致研究。

(3)实验装置复杂繁琐

对目标设备处于不同条件下壁面受爆炸碎片影响的研究往往需要控制变量并进行多组实验，因此简洁方便的实验装置会大大提高实验的效率并减少成本，如专利[CN111739398A]所公开的一种角度和间距可调的可燃气体管道喷射火实验装置整体采用大量的固定板及支撑件，只能改变喷射火纵向喷射方向，不便于移动和改变喷射火的横向喷射方向。

(4)只能探究单一因素对目标设备的影响

在真实的事故场景下导致设备失效的因素并不是单一的，而是受多种复杂因素耦合作用才失效的，如专利[CN110554137A]仅能研究单一情况下天然气燃烧实验对输管道的影响，无法研究多因素耦合作用下对设备的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置，其原因是由于目前国内针对诸如储罐等设备在火灾情况下受爆炸碎片撞击后壁面性状的研究匮乏，不能充分的考虑储罐受损的条件和可能出现的后果。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置，包括爆炸碎片冲击系统、数据采集与控制系统和喷射火系统；

爆炸碎片冲击系统包括碎片发射装置、第一刻度板、目标设备、第二刻度板；数据采集与控制系统包括数据采集器、贴附在目标设备壁面的探测元件、高速摄像机以及工控机；喷射火系统包括天然气气瓶、减压阀、缓冲罐、阀门、流量控制器、回火防止器和燃烧喷嘴；

工控机分别与高速摄像机、目标设备上的探测元件以及设置在燃烧喷嘴处的流量控制器通过信号连接进行信号采集与控制；实验时，工控机根据探测元件采集的实时数据对燃烧喷嘴的流量进行控制以保证目标设备壁面达到预设温度；同时通过高速摄像机记录碎片发射装置产生爆炸碎片撞击目标设备的撞击形貌过程，进而分析喷射火和爆炸碎片耦合作用对目标设备影响。

进一步地，爆炸碎片冲击系统中，从一侧至另一侧的顺序依次为碎片发射装置、第一刻度板、目标设备、第二刻度板，且各个部件的中心处于同一水平线上；

实验时，碎片发射装置产生的爆炸碎片撞击目标设备前后速度通过不同时刻所处第二刻度板与第一刻度板的数值来求解。

进一步地，第一刻度板和第二刻度板的量程最低为50厘米，精度为1厘米。

进一步地，喷射火系统设置于第一刻度板和目标设备之间；喷射火系统中，天然气气瓶、减压阀、缓冲罐、阀门、流量控制器、回火防止器以及燃烧喷嘴顺次连接；

缓冲罐用以保证燃烧喷嘴处稳定的天然气喷射火；流量控制器用于根据工控机的控制信号控制燃烧喷嘴的流量。

进一步地，喷射火系统中，回火防止器和燃烧喷嘴之间采用不锈钢钢管连接，其他部件之间通过耐高压橡胶软管连接；回火防止器用于阻止由于管内压力降低时，燃烧喷嘴处的火焰通过管道向气瓶方向蔓延。

进一步地，高速摄像机的拍摄画面须能完整包含第二刻度板与第一刻度板之间的所有物体。

进一步地，目标设备上贴附有不同参数的探测元件，用于采集不同参数，包括目标设备壁面的温度以及应变程度；探测元件与数据采集器连接，数据采集器负责对探测元件采集到的数据进行存储保存。

进一步地，燃烧喷嘴可根据研究场景需要，设计成不同大小，装配不同的数量，调整与目标设备的不同角度与高度。

进一步地，目标设备包括小型储罐但不局限于其他小型容器设备。

进一步地，喷射火系统按顺序连接后除燃烧喷嘴外的其他部件与高速摄像机一同放置在侧方，防止碎片发射装置产生的爆炸碎片撞击目标设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种能探究不同数量、不同尺寸、不同角度和不同高度的喷射火和爆炸碎片耦合作用对目标设备影响的装置。该装置结构中燃烧喷嘴的高度和角度均可调节；该结构中只需将连接的燃烧喷嘴增加或减少即可实现不同数量的喷射火的作用。

2.本发明能测量爆炸碎片撞击前后的速度，通过读取爆炸碎片通过前后刻度板所用时间即可得到爆炸碎片撞击前后速度。

3.本发明能够精确控制目标设备壁面温度。工控机能采集目标设备壁面上的探测元件相关参数，通过分析采集到的温度与预设的温度进行比较，实时调整燃烧喷嘴处火焰的大小。

4.本发明通过将高速摄像机安置在实验装置侧方，能最大限度的拍摄记录下爆炸碎片撞击目标设备前后的形变过程，能研究目标设备在火灾以及爆炸碎片的耦合作用下形貌变形过程。

附图说明

图1为本发明实施例中一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例中喷射火系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述，但本发明的实施和保护不限于此。

实施例：

一种研究喷射火和爆炸碎片耦合作用对设备影响的装置，如图1所示，包括爆炸碎片冲击系统、数据采集与控制系统和喷射火系统9；

爆炸碎片冲击系统包括碎片发射装置8、第一刻度板7、目标设备6、第二刻度板5；数据采集与控制系统包括数据采集器1、贴附在目标设备6壁面的探测元件4、高速摄像机2以及工控机3；喷射火系统9包括天然气气瓶10、减压阀11、缓冲罐12、阀门13、流量控制器14、回火防止器15和燃烧喷嘴16；

工控机3分别与高速摄像机2、目标设备6上的探测元件4以及设置在燃烧喷嘴16处的流量控制器14通过信号连接进行信号采集与控制；实验时，工控机3根据探测元件4采集的实时数据对燃烧喷嘴16的流量进行控制以保证目标设备6壁面达到预设温度；同时通过高速摄像机2记录碎片发射装置8产生爆炸碎片撞击目标设备6的撞击形貌过程，进而分析喷射火和爆炸碎片耦合作用对目标设备影响。

爆炸碎片冲击系统中，从一侧至另一侧的顺序依次为碎片发射装置8、第一刻度板7、目标设备6、第二刻度板5，且各个部件的中心处于同一水平线上；

实验时，碎片发射装置8产生的爆炸碎片撞击目标设备6前后速度通过不同时刻所处第二刻度板5与第一刻度板7的数值来求解。

第一刻度板7和第二刻度板5的量程最低为50厘米，精度为1厘米。

如图1所示，喷射火系统9设置于第一刻度板7和目标设备6之间；如图2所示，喷射火系统9中，天然气气瓶10、减压阀11、缓冲罐12、阀门13、流量控制器14、回火防止器15以及燃烧喷嘴16顺次连接；

缓冲罐12用以保证燃烧喷嘴16处稳定的天然气喷射火；流量控制器14用于根据工控机3的控制信号控制燃烧喷嘴16的流量。

喷射火系统9中，回火防止器15和燃烧喷嘴16之间采用不锈钢钢管连接，其他部件之间通过耐高压橡胶软管连接；回火防止器15用于阻止由于管内压力降低时，燃烧喷嘴16处的火焰通过管道向气瓶方向蔓延。

高速摄像机2的拍摄画面须能完整包含第二刻度板5与第一刻度板7之间的所有物体。

目标设备6上贴附有不同参数的探测元件4，用于采集不同参数，包括目标设备6壁面的温度以及应变程度；探测元件4与数据采集器1连接，数据采集器1负责对探测元件4采集到的数据进行存储保存。

喷射火系统9按顺序连接后，除燃烧喷嘴16外的其他部件与高速摄像机2一同放置在侧方，防止碎片发射装置8产生的爆炸碎片撞击目标设备6。

本实施例中，根据实际研究需要，确定需要的燃烧喷嘴16的尺寸、数量、高度和角度，装配好整个实验装置，在这里以两个燃烧喷嘴16为例。首先调整好高速摄像机2的焦距及拍摄画面区域，再在工控机3上预设好目标设备壁面温度，然后打开喷射火系统9。点燃燃烧喷嘴16，待目标设备壁面温度达到预设温度时，启动碎片发射装置8，同时开启高速摄像机2进行拍摄。待撞击结束后，关闭喷射火系统9并进行结果处理，爆炸碎片撞击前后速度通过不同时刻所处刻度板5与刻度板7的数值来求解，爆炸碎片撞击目标设备6的撞击形貌过程可通过高速摄像机不同时刻拍摄到的目标设备形变进行分析。

以上所述，仅是本发明的具体实施案例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。例如，用此装置来研究氢气燃烧和爆炸碎片耦合作用下对目标设备的影响等，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。