储罐灾难性失效后模拟液体漫溢的试验装置及其试验方法与流程

本发明储罐灾难性失效后模拟液体漫溢的试验装置及其试验方法属于工业研究领域，特别涉及一种探究液化天然气（简称lng）储罐灾难性失效后液体漫溢行为的装置，涉及液化天然气储罐出现灾难性失效事故后，防护堤不能有效承载储罐内全部原有液体导致部分液体漫溢出防护堤的事故场景；用于模拟防护堤对于释放液体的阻挡作用并探究有效减少溢流液体的防护堤设计方案。

背景技术：

随着人们对环保问题的日益重视，天然气因其热值高、污染小的特点被广泛应用。lng的出现为天然气储存和运输带来了极大的便利。lng是以甲烷为主的液态混合物，常压下沸点温度为－162℃。作为低温液体，其泄漏后会与周围环境发生剧烈的热交换并迅速汽化，由于汽化过程体积膨胀600多倍，少量泄漏就会产生巨大的蒸气云团，其能与空气混合形成可燃气体，在室温下的爆炸极限为5～15%。遇到点火源会发生火灾甚至爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。lng大多储存在储罐内，使用时再次汽化。随着行业技术的不断进步，lng储罐的体积不断增大，随之而来的储罐配件的安全性要求也在不断增强。

lng储罐由于临近火灾、腐蚀、安全阀失效等多种原因，会发生瞬间完全坍塌，即灾难性失效事故。按照《液化天然气（lng）生产、储存和装运gb/t20368-2012》等现行规范，储罐周围应设置二次保护装置-防护堤抑制储罐内lng液体扩散，减小事故伤害。防护堤可能有各种各样的配置，从斜坡土堤到更复杂的混凝土高领堤岸不等，其高度等于或大于储罐本身的高度。《gb/t20368-2012》对lng储罐发生灾难性失效事故时周围的防护堤提出了要求：防护堤能承受足够的lng液体冲击，且其容量为最大储罐液体体积的110%。但在实际工程中，储罐发生灾难性失效后，lng在泄漏过程中势能转化为动能，在冲击防护堤的过程中可越过防护堤发生漫溢事故。英国健康与安全管理局（hse）在其关于储罐中易燃液体储存的指导意见中指出，“防护堤的容量仅为最大储罐容量的110%是不够的”，“储罐应有足够的强度来控制任何溢流物”。

国内对评估防护堤可靠性以及此类溢流行为的研究仍为空白。综合各种事故教训和现行规范，储罐灾难性失效的防护堤可靠性仍需进一步检验，lng液体在整个漫溢过程中的行为研究也十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种储罐灾难性失效后模拟液体漫溢的试验装置及其试验方法，是一种适用于全尺度模拟储罐灾难性失效后防护堤内lng液体（液化天然气）溢流行为的装置。利用高速摄像机和压力数据采集仪，对lng液体释放过程中的压力参数和漫溢过程进行监测，漫溢出的液体被承接容器收集，通过天平称量出漫溢液体的质量。以溢流率（漫溢液体的质量占原有储罐内液体总质量的百分比）q数值大小为参照，对国际现有规范要求的防护堤可靠性进行检验，并依据此参数对防护堤和储罐配置进行合理改进以适用于实际工程情况。

本发明是采取以下技术方案实现的：

储罐灾难性失效后模拟液体漫溢的试验装置包括气缸提升系统、溢流系统和数据采集系统。

气缸提升系统包括支架、气缸、减压阀、气缸连接板、丝杆、电控箱和空气压缩机；支架为长方体，在整体设备中起支撑作用；支架包括支架本体和支撑柱，所述支架本体通过支撑柱分为上本体和下本体；在上本体的上部设有气缸连接板；气缸固定在气缸连接板上，气缸下端装有减压阀；空气压缩机外置在支架外，空气压缩机的两个进气阀通过进气管与气缸的上、下两端连接，气缸提升装置所需的动力由空气压缩机中产生的压缩空气提供；电控箱固定安装在下本体上部，在电控箱内装有控制气缸和空气压缩机的电磁阀、导线和开关。

所述空气压缩机和气缸之间通过聚乙烯塑料（pe）管相连，在空气压缩机和气缸之间还设有电磁阀和减压阀；电磁阀在电磁线圈通电时产生磁力吸引并克服弹簧的压力带动阀芯动作，实现气缸的开关。

所述空气压缩机采用市售的小型空气压缩机，压缩后的空气中含有一定量的水分、油分和灰尘，经过压缩后空气的温度高达140℃以上，部分水及油分已变成气能，在空气压缩机内部设有过滤网，利用此净化处理后的压缩空气驱动气缸。

溢流系统包括储罐、防护堤、防护堤支撑板、承接容器、天平和橡胶圈；在下本体的上部装有防护堤支撑板，在防护堤支撑板上固定有防护堤；储罐底部开口且底部开有一圈凹槽，橡胶圈固定在储罐底部的凹槽内，部分外露于凹槽；使用时，储罐内部装有lng液体或lng的替代物，储罐倒扣在防护堤上，利用自身重力压紧橡胶圈，进而达到密封的效果；储罐具有顶盖和与顶盖活动相连的罐体，所述顶盖为金属盖，罐体为玻璃桶体；储罐通过顶盖与气缸连接；天平放置在下本体底部下方，承接容器水平放置在天平上且不变形；承接容器与防护堤同轴；

数据采集系统包括压力传感器、数据采集装置、高倍摄像机和上位机，所述压力传感器安装在防护堤上，通过电缆连接到数据采集装置，通过数据采集装置将压力数据传输到上位机进行处理分析。高倍摄像机与上位机之间通过无线wi-fi网络或者有线网络连接，便于对整个实验过程进行拍摄记录，高倍摄像机与上位机相连，便于后期存储和进行实验分析。

在防护堤和气缸连接板之间连接有若干根高度可调的丝杆，在每根丝杆上端均套有一个弹簧，在弹簧上部还套有螺母，利用螺母调节弹簧的张紧度和防护堤支撑板的上、下高度，以使储罐刚好落在防护堤上。

所述丝杆的数量至少为3根，以便与防护堤以及防护堤支撑板稳定连接。

在储罐的金属盖上开有三个扇形孔，用于实验准备时向储罐内添加液体。

防护堤通过四个螺丝固定在防护堤支撑板上，以模拟防护堤在地面上的稳定结构。

防护堤与周围设备的连接处均采用硅胶垫进行密封，以防止液体渗漏导致实验出现误差。

所述储罐和防护堤皆为透明状材质，以方便实验过程中进行观察，同时也便于高速摄像机对实验过程进行记录。

所述储罐内不能满装lng。由于lng是处在－162℃的低温状态，在存储过程中，受环境温度的影响，部分液体被汽化，低温罐内的压力会上升。lng储罐不能存在满装状态，就是为汽化后的天然气留出一定的空间，确保储罐不超压。

为模拟液体漫溢后的流淌行为，并保证承接容器能有效承接漫溢出的液体，所述防护堤与承接容器间距离尽量缩小，两者之间的最大距离为0.3m。

所述的承接容器为木质框架，内部装有塑料布，用于接住漫溢出防护堤的水，要求其水平截面要能完全承接漫溢液体，同时在天平上不会产生形变影响称量。

所述压力传感器为压电压力传感器，是一种量程在3.5～50bar的微型加速度补偿仪器，它能产生高电平、低阻抗的信号，是动态压力输入的电压模拟；所述压力传感器通过螺纹套固定在防护堤的孔洞中，保证防护堤不会出现水泄漏情况。

所述数据采集装置为四通道数据采集装置，与压力传感器通过电缆进行连接，确保得到可靠的测试结果并降低测量的不确定度。

在上位机中装有配套软件，可用于接受实验数据且对实验结果进行分析处理；同时将多个设备连接起来创建测量网络，还可以集成高速摄像机，以得到较有价值的测量信息。

所述高速摄像机为每个实验都记录了视频片段，使用视频编辑软件将视频传输到计算机。此录像被用来监控储罐和防护堤内液体的运动模式，以及随后液体在动能驱动下接近并超过防护堤时的运动行为。

所述防护堤在保证能承受水冲击的强度外，在实际工程中具有多种配置，因此在此装置中可根据溢流率对防护堤的形状、容量、h/r的比值等多种参数进行选择，采用多种型号的防护堤，以便研究多因素耦合对溢流率的影响情况。

所述气缸采用亚德客mbl型号的迷你气缸，模拟储罐突然塌陷造成的破坏效果。气缸是引导活塞在其中进行往复运动的圆筒形小型金属组件。压缩空气经过减压阀后，调节气缸下降时的出气口，减少出气，以增大气缸下降时阻力，防止压力过大对储罐和防护堤造成破坏。

所述橡胶圈设置在储罐底部的凹槽内，橡胶圈刚好能与凹槽形成密封结构且部分橡胶圈外露，在使用过程中，利用储罐自身的重力压紧橡胶圈，使储罐和防护堤间形成密封状态。

工作原理：

本发明装置工作时，储罐内部装有适当体积的lng，为模拟整个储罐灾难性失效故障，气缸将储罐迅速抬起，因为储罐底部为开口，储罐内原有lng液柱迅速释放到防护堤，现有防护堤不能完全承纳储罐内的液体，部分液体就在冲击防护堤的同时就会漫溢出防护堤到达承接容器内，天平称量出漫溢液体的质量和储罐内原有液体的总质量。在此过程中，利用压力传感器和高倍摄像机对液体的漫溢行为和规律进行探究。根据需要更换防护堤，研究多因素耦合情况下对溢流率的影响，并评估各参数对防护堤可靠性的影响效果，进而达到多因素作用下的最佳设计。

本发明储罐灾难性失效后模拟液体漫溢的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

1）打开电控箱内的空气压缩机开关，为控制气缸上升的速度，控制压力达到0.35mpa；

2）采用容器向储罐中加入lng、减少危险性的替代物-水或带有低温挥发性的液氮（ln2），为模拟lng的汽化效果，加入物不能充满储罐；此时储罐与防护堤形成密封状态，不会出现液体泄漏；

3）打开数据采集系统及高速摄像机，开始采集数据和摄制水漫溢过程；读取此时天平的示数m1，此示数为承接容器的质量；

4）打开气缸电磁阀开关，驱使气缸迅速抬起储罐使水柱充分暴露，以模拟储罐灾难性失效后液体的漫溢行为；所述lng液体或lng替代物在整个过程会出现多次漫溢，直至水面基本平静；

5）待水面平静后，关闭数据采集系统和高速摄像机，读取天平的质量m2，m2－m1即为漫溢出防护堤的液体质量；拧下防护堤下的螺丝，使防护堤内的液体完全流至承接容器中，再次读取天平示数m3，m3－m1为储罐内原有液体的总质量；

6）根据数据采集仪测得数据绘制压力随时间变化的曲线，结合拍摄的图像，分析数据；

7）拧上防护堤螺丝，关闭电磁阀开关，使储罐缓缓落到防护堤上；

8）关闭空气压缩机开关，使压力表示数降为0mpa。

本发明装置和现有技术相比较，具备如下优点：

1）本发明装置的实验设备集溢流和称量为一体，具有操作简单、实时传输、数据完整准确、适应性强等，适用于研究水、lng、ln2多种液体在防护堤内的的溢流行为。

2）本装置首次设计并建造了首个气缸驱动储罐模拟其灾难性失效的全尺度实验模型，设备所用的气缸利用压缩空气驱动，在实验中，气缸将储罐迅速抬起，使液柱完全暴露在空气中，完美模拟了储罐灾难性失效的情景。

3）该发明的气缸连接板和防护堤支撑板之间有三根丝杆，同时丝杆上端套一个弹簧，利用螺母调节弹簧的张紧度和支撑板的上、下高度，使得储罐刚好落在防护堤上；因此该装置设备不局限于实验室尺度，可以将设备按照需求扩大规模，将实验室规模推广至现场实验规模。

4）本装置在模拟储罐部分失效上也具有优势，现有的lng外部储罐大多为钢筋混凝土结构，在使用过程会出现裂缝、小孔此类部分失效场景，此装置可以对此类溢流行为进行模拟分析；该发明的防护堤与周围设备的连接处都采用乳胶垫进行密封，以防止液体渗漏导致实验出现误差。

5）本装置在实际工程上对防护堤的设计具有较大的参考价值，以溢流率（漫溢出液体的质量占储罐内液体质量的百分比）q为参照物，评估工程上防护堤设计的可靠性并能进一步对其进行重新设计改进。根据以往研究，溢流率与储罐内液体高度h、储罐半径r、防护堤半径r、防护堤的高度h以及为了消防救援设置的防护堤的倾角θ几个参数都有较大关系，通过对防护堤进行优化降低溢流率。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明装置的结构示意图。

图中：1-1、支架本体，1-2、支撑柱，2、气缸，3、减压阀，4、气缸连接板，5、丝杆，6、弹簧，7、电控箱，8、空气压缩机，9、进气管，10、储罐，11、防护堤，12、防护堤支撑板，13、承接容器，14、天平，15、橡胶圈，16、压力传感器，17、数据采集装置，18、电缆，19、高倍摄像机，20、螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明储罐灾难性失效后模拟液体漫溢的试验装置包括气缸提升系统、溢流系统和数据采集系统。

气缸提升系统包括支架1、气缸2、减压阀3、气缸连接板4、丝杆5、电控箱7和空气压缩机8；支架为长方体，在整体设备中起支撑作用；支架包括支架本体1-1和支撑柱1-2，所述支架本体1-1通过支撑柱1-2分为上本体和下本体；在上本体的上部设有气缸连接板4；气缸2固定在气缸连接板4上，气缸2下端装有减压阀3；空气压缩机8外置在支架外，空气压缩机8的进气阀通过两根进气管9与气缸2的上、下两端连接，气缸提升装置所需的动力由空气压缩机8中产生的压缩空气提供；电控箱7固定安装在下本体上部，在电控箱7内装有控制气缸2和空气压缩机8的电磁阀、导线和开关。

所述空气压缩机8和气缸2之间通过气管相连，在空气压缩机8和气缸2之间还设有电磁阀和减压阀3；电磁阀在电磁线圈通电时产生磁力吸引并克服弹簧的压力带动阀芯动作，实现气缸2的开关。

溢流系统包括储罐10、防护堤11、防护堤支撑板12、承接容器13、天平14和橡胶圈15；在下本体的上部装有防护堤支撑板12，在防护堤支撑板12上固定有防护堤11；储罐10底部开口，且底部开一圈凹槽结构，橡胶圈15固定在储罐10底部的凹槽内，一部分外露于凹槽；使用时，储罐10内部装有lng、水或ln2（不能装满），储罐10倒扣在防护堤11上，利用自身重力压紧橡胶圈15，进而达到密封的效果；储罐10具有顶盖和与顶盖活动相连的罐体，所述顶盖为金属盖，罐体为玻璃桶体；储罐10通过金属盖与气缸2连接；天平14放置在下本体底部下方，承接容器13水平放置在天平14上且不变形；承接容器13与防护堤11同轴；在防护堤11和气缸连接板4之间活动连接有三根高度可调的丝杆5，在每根丝杆5上端均套有一个弹簧6，在弹簧6上部还套有螺母20，利用螺母20调节弹簧6的张紧度和防护堤支撑板12的上、下高度，以使储罐10刚好落在防护堤11上。

数据采集系统包括压力传感器16、数据采集装置17、高倍摄像机19和上位机，所述压力传感器16安装在防护堤11上，通过电缆18连接到数据采集装置17中，通过数据采集装置17将压力数据传输到上位机进行处理分析。此外，支架上还装有高倍摄像机19，高倍摄像机19与上位机之间通过无线wi-fi网络或者有线网络连接，便于后期存储和进行实验分析。高倍摄像机19能从正面和侧面多个方位对实验过程进行全方位记录拍摄。

在储罐10的金属盖上开有三个扇形孔，用于实验准备时向储罐10内添加液体。

防护堤11通过四个螺丝固定在防护堤支撑板12上，且螺丝处添加硅胶垫片防止液体泄漏。

使用时，透明的储罐10内装有适量体积的lng液体，其上端与气缸2、减压阀3之间通过螺母进行连接。当实验开始时，打开空气压缩机8使压力达到0.35mpa，内部产生的压缩空气经过进气管9带动气缸提升储罐10，气缸2的冲程为0.3m，储罐10内液柱瞬间暴露在空气中，随后即迅速落至pvc材质的防护堤11内，在此过程中，势能转化为动能，液体在不断冲击防护堤的同时会有部分液体漫溢出；到达木质的承接容器13中，由天平14示数的变化可得出漫溢液体的质量。

同时冲击防护堤11的未漫溢液体从壁面上反射，与原堤内液体混合积累，直到部分液体具有再次溢流出防护堤11的动能。以此类推，随后会再次发生若干次溢流，直至水面平静。在此过程中，依靠压力传感器16监测并绘制此过程的压力变化曲线，通过电缆18把数据完整传送到数据采集装置17以及上位机中，通过数据采集软件程序对溢流规律进行分析总结。

为实现实验规模的扩大，如图所示铝合金支架本体1-1的中部增加了三根丝杆5，其上部与气缸9一起固定在气缸连接板4上，且分别固定了弹簧6减少气缸下压时对储罐的压力破坏，下部固定在防护堤支撑板12上，通过调节丝杆5的螺母20和弹簧6的张紧度调节防护堤高度，使储罐10刚好落在防护堤11上，通过橡胶圈15达到密封的效果。

本装置可以实现对不同配置的防护堤和储罐进行更换。用于研究储罐液体在防护堤内四处扩散甚至漫溢的场景，利用高速摄像机和压力传感器监测溢流过程中的压力变化曲线和图像，阐明溢流过程复杂的物理机理和规律。