過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置的設計

周宇航，婁蘭亭，姜鑫垚，張穎，蔣鵬，高晗

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國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程測試裝置的設計

周宇航1，婁蘭亭1，姜鑫垚1，張穎1，蔣鵬1，高晗2

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心，黑龍江大慶163318）

設計一套過熱蒸汽超壓泄放遠程測試實驗裝置，可開展安全閥超壓起跳實驗、爆破片超壓爆破實驗和沸騰液體蒸汽爆炸（BLEVE）實驗。該套實驗裝置實現溫度、壓力、液位等參數的自動采集，注水和加熱自動控制，并配有遠程視頻監控系統，具有安全、高效和可控性強的特點，可用于相關專業實驗教學和科學研究。

壓力容器；BLEVE；遠程測試裝置；超壓泄放

壓力容器是內部或外部承受氣體或液體壓力，并對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點蝕、小孔等缺陷，產生超壓泄漏，引發沸騰液體膨脹蒸汽爆炸（BLEVE—Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）現象[2]，這是一種危害性極大的物理性爆炸，此類事故一旦發生，對國民經濟和人民生命財產安全構成嚴重的威脅[3-4]。

本文設計一套過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置，通過一臺盛有過熱水的壓力容器，加熱電極和一可調開度的電磁閥，模擬面積不同的泄漏點，使其在不同泄漏面積下發生爆炸性沸騰。實驗裝置的研制，可實現與超壓泄放有關的綜合性測試實驗，如BLEVE實驗、安全閥超壓起跳實驗和爆破片爆破試驗，可用于相關專業的實驗教學和科學研究。

1 實驗裝置模塊設計

過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置由壓力容器模塊，安全泄放模塊，實驗臺模塊三部分組成。壓力容器功能是盛裝實驗介質，上方及兩側設有接管用以接入溫度傳感器，壓力傳感器和安全泄放裝置。安全泄放系統包括安全閥、爆破片和電磁閥裝置。實驗臺系統包括控制系統和加載系統。圖1為裝置模塊設計框圖。

圖1 測試裝置模塊設計框圖

2 實驗裝置的選型設計

2.1 壓力容器的設計

壓力容器是實驗裝置的主體，實驗介質為水，通過加熱電極對水進行加熱，產生過熱蒸汽。考慮過熱蒸汽產生的條件及實驗室環境因素，該壓力容器的工作溫度、工作壓力、設計溫度等參數如表1所示。

表1 壓力容器主要設計參數

實驗裝置用壓力容器采用立式結構，容器直徑300 mm，兩端焊接一對標準橢圓封頭，容器筒體長750 mm，總高900 mm.根據以上設計參數，選用奧氏體不銹鋼S30403作為容器母材，選取EHA標準橢圓封頭，筒體和封頭厚度均為8 mm.

2.2 安全泄放模塊的計算選型

容器頂端連接一可調開度的電磁閥，通過調節不同的開度，模擬面積不同的泄漏點。因容器工作溫度較高，附近熱輻射強烈，要求該電磁閥開度可連續調節，能在220℃下穩定工作，采用05型電動執行機構。電磁閥固定于壓力容器上方的閥桿，防止實驗過高溫度影響電磁閥的正常工作。

為了進行不同的安全閥超壓起跳實驗和爆破片爆破試驗，本裝置選用4組不同型號的安全閥：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有關參數的特性曲線以及滿足過熱蒸汽超壓泄放的實驗要求。

2.3 實驗臺模塊的設計

實驗臺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原理，其長寬高設定為1 200 mm×600 mm×700 mm，以便于人員操作。箱體左側設有接管口，用以連出水泵管線，正面設有門，用于注水及維修。

在實驗臺內，設有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。該設計工作介質為水，且揚程較低，流量較小，選用1DB-35型自吸式清水泵，其具體參數如表2所示。

表21 DB-35型自吸式清水泵參數

實驗臺上方設有遠程高清攝像頭，壓力傳感器、溫度控制器、超聲波液位計分別對容器的壓力、溫度、液位等參數進行精確的采集控制，可在遠程控制端安全準確的觀察到實驗現象并能通過軟件精準的記錄實驗數據，滿足實驗的要求。

3 實驗裝置的總體結構

根據上述設計方案，完成主要部件圖紙繪制、參數計算、選型、制造及數據采集、控制和分析軟件的編制等工作。整套實驗裝置結構如圖2所示，經過測試，該套實驗裝置達到了預期的設計目標，可以完成安全閥超壓起跳實驗，爆破片超壓爆破實驗和沸騰液體蒸汽爆炸（BLEVE）實驗，可用于安全工程、過程裝備與控制工程等相關專業的實驗教學和科學研究。

圖2 總體裝置圖

4 結束語

根據沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的發生機理，研制了過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置，該實驗裝置可以完成安全閥起跳實驗，爆破片爆破實驗和BLEVE實驗。實驗裝置借助遠程控制、測試和視頻監控系統，實驗人員可以在保證安全的條件下完成相關實驗。經過實際測試，該套實驗裝置達到了預期的設計指標和功能，可用于安全工程及過程裝備與控制工程等相關專業的實驗教學和科學研究工作。

[1]韓春九，吳國強.我國壓力容器制造的現狀特點和存在問題[J].裝備制造技術，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[J].熱能動力工程，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機理研究及其事故后果評價[J].華南理工大學學報（自然科學版），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

國家級大學生創新創業訓練計劃項目—過熱蒸汽超壓泄放遠程測試裝置的創新設計（項目編號：201610220003）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目—儲罐內置式聲發射檢測用多傳感器投放裝置設計（項目編號：201610220001）

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