压力容器材料破损及气体释放特性试验系统及其测试方法

本发明涉及一种实验平台，尤其是涉及压力容器材料破损及气体释放特性试验系统及其测试方法。

背景技术：

1、在可燃性气体开采、运输、存储和使用过程中，由于设计缺陷、服役年限较久或是突然的不可抗力而导致容器或管道发生破损时，其中的可燃性气体将迅速发生泄漏，与空气混合后形成大范围的蒸汽云团。若事故现场存在明火，蒸汽云团将会被点燃，并造成更危险的蒸汽云爆炸事故。爆炸所形成的火焰和压力冲击波可以摧毁周围设施和建筑，带来大量人员伤亡和财产损失，严重影响国家工业生产和经济活动的正常运转。

2、目前的研究集中于从蒸汽云团形成到爆炸发生这段时间内，蒸汽云团扩散发展过程、蒸汽云团爆炸类型与燃爆半径等方面。在沸腾液体膨胀爆炸以前，交通事故中由于槽罐倾倒而产生的破口对lpg的释放以及后续燃料云团形成的影响规律尚不清楚，对燃料云团引发蒸汽云爆炸的可能性存在空白。在完全释压过程中，目前的气体释放试验大多在在固定形状喷嘴上进行，例如蔺跃武等人在化工设备与管道,2003,40(5):4中使用的模拟方法，当开关阀门打开时，气体才得以从喷嘴中释放。但是，考虑到阀门结构存在一定的节流效应，这将会影响压力容器中气体通过喷嘴的完全释压过程，导致结果存在一定的误差，直接考虑破口或喷嘴对气体扩散规律的研究较少。

3、目前可燃性气体泄漏与压力容器材料的交互作用方面的研究存在空白。由于焦耳-汤姆逊效应，气体从破口的泄漏过程必然伴随着热力学效应，导致破口附近槽罐金属材料力学性质发生变化，进而可能造成罐体材料发生断裂失效，气体泄漏情况恶化。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于提供高压容器突然释放气体时气体流场可视化方案及高压容器破口处材料的应力测方法，以及解决上述背景技术中提出的问题。

2、一种压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，该系统通过对高压容器，即槽罐开口处材料的应力监测，实现高压容器突然释放气体时气体的动态参数监测；包括监测试验台主体以及监测系统；其特征为：所述监测试验台主体包括具有杠杆开关的高压容器，能够使高压气体瞬间通过破口模块，能够对实际情况进行贴合现实的模拟；所述监测系统包括压力监测子系统、温度监测子系统、流速监测子系统、应力监测子系统以及背景纹影法浓度监测子系统，其中：

3、所述压力监测子系统：在高压容器不同的位置安装压力变送器用于监测槽罐内部压力变化情况；

4、所述温度监测子系统：被释放的气体流场关于高压容器的中心轴线呈对称结构，在高压容器前方不同位置处布置热电偶支架，支架杆的中心点放置于槽罐的中心轴线上，在每个支架上都安装了微型热电偶；并且支架上的热电偶呈螺旋状布置；

5、所述流速监测子系统：将热线风速仪安装在破口下游位置以测量流场中释放气流的速度。

6、所述应力监测子系统：用于监测高压容器罐体破口模块材料附近的应力大小，在破口附近材料表面安装应力监测传感器，并设置对比组，以保证测量准确度；

7、所述背景纹影法浓度监测子系统：采用ccd相机拍摄背景图案中像素点的位移，拍摄帧率为16fps；ccd相机安装在光学导轨上实现流场可视化监测。

8、本发明还公开一种压力容器材料破损特性及气体释放特性试验方法，其特征为，包括如下步骤：

9、步骤1：将破口模块安装在槽罐入口段，并在模块表面贴好微型热电偶；将热电偶支架布置在释放流场中，保证支架中心位于破口中心轴线上；热电偶，压力变送器和热线风速仪的信号输出端连接数据采集仪，并进行测试，确保测量仪器以及信号电路工作正常；

10、步骤2：在光学测量位置固定好背景板，同时调整ccd相机位置，直到背景图案恰好完全位于相机的视野中；将终端固定在终端支架上，用以记录实验过程中流场情况。同时打开大功率led灯照明背景板，为光学实验提供平行光源；

11、步骤3：关闭槽罐开门，保证开口处不漏气；此时协同电路闭合，观察到背景板上发光二极管点亮，开始实验；

12、步骤4：打开控制阀门，向槽罐内缓慢充入氮气，当压力变送器p1读数显示为目标压力时停止；打开数据采集仪记录数据，并打开ccd相机与手机摄像；

13、步骤5:一切就绪后，拉动槽罐扳手，槽罐门打开，气体通过破口模块释放到环境中，实验数据记录时间为1min。每个位置的光学实验重复三次:

14、步骤6:更换光学测量位置，重复上述步骤，直至同一组破口实验完成；

15、步骤7:更换破口模块，重复上述步骤。

16、优选为：将ccd相机拍摄未经泄漏气体扰动的参考图案与某一时刻在被泄漏气体扰动下的实验图案进行比较，两张图片导入matlab中编程进行互相关计算，本发明采用piv互相关算法计算问询窗口之间的相关度，通过对参考图案和实验图案两个图像中相同的问询窗口进行计算，得到背景元素的水平和垂直位移(即δx和δy)。每个问询窗口的中心点坐标代表相应问询窗口的位置，如(x0，y0)代表参考图案中的问询窗口和(x’,y’)代表实验图案的问询窗口。本发明中的问询窗口大小取为32×32，重复度为0.5。

17、互相关计算方程是互相关算法的核心，其中函数f(x,y)，f(x+u,y+v)分别表示参考图像与干扰图像中问询窗口上的灰度分布。值得注意的是，对于每一次互相关计算，实验图像中的问询窗口仅沿水平或垂直方向移动一个像素，同时，参考图像中对应的问询窗口应当始终是静止的。r(u,v)的大小在0和1之间，对于r(u,v)＝0，其表示参考图像和实验图像中两个问询窗口之间没有关系，而对于r(u,v)＝1，则意味着两个问询窗口完全相同。在大多数情况下，对于两个匹配的问询窗口，r(u,v)的值应当接近于1。其中：r(u,v)表示两个选取窗口的相关程度u、v分别为x、y坐标的变化量.f为互相关计算函数1，g互相关计算函数2.

18、

19、然而，由于问询窗口在水平和垂直方向上都只按整数像素移动，因此上述的互相关算法仅有像素级精度，可能导致计算误差偏大。

20、为了获得亚像素级精度，采用二维插值算法将互相关表面插值到一个更高的分辨率，或是拟合合适的二维解析函数到峰值附近的互相关表面。实际上，峰值附近的互相关表面通常接近于钟型。因此，在本研究中，使用目前广泛采用并且精度较高的高斯拟合来寻求亚像素级上更精确的峰位。在高斯拟合中，假设钟型的互相关曲面可以拟合为二维高斯函数，同时假设两个方向(即x和y方向)彼此可以分离并且正交。通过将二阶多项式拟合到峰值点附近来分别计算两个方向上的子像素级峰值位置，其子像素级位移公式由下式给出：

21、

22、

23、最后，在水平和垂直方向上具有亚像素级精度的点(x0,y0)的位移公式为：

24、δx＝u+δu

25、δy＝v+δv

26、可得背景图案上的像素点在气体扰动下发生的微小位移；像素点的位移与扰动流场的密度满足具体函数，而气体的密度与折射率满足格拉斯顿—代尔定律，通过计算后可得泄漏流场的密度分布图；最后，氮气在空气中满足理想气体状态方程，可以求得氮气在空气中的浓度分布。

27、有益效果

28、通过基于相似性原理对于该实验台的搭建，该试验台满足了目标槽罐的几何特征，提高了试验的精确性。

29、使用可更换破口模块，满足实验为不同情况下的罐体受损情况下的需求。

30、使用铰链开合结构释放气体，替代传统的阀门放气，使放气效果更接近于槽罐破损情况，进一步提高了实验的合理性与精确性。

31、由于气体在高压情况下泄露较快，需要对热电偶的型号及空间分布进行选择和布置，使其在对泄露气体参数测量时，有较快的动态响应。

32、使用互相关算法使得piv技术和bos技术相结合，对泄露气体的浓度测量精度提高。

33、对于不同参数分别安置对应传感器进行测量，满足试验测量数据的多样性。

34、使用氮气作为模拟气体，安全性高，试验可重复性强。