一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法技术

本发明专利技术一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法涉及的是一种储罐区火灾、爆炸多灾种耦合作用对邻近建（构）筑物壁面破坏作用进行实验研究的实验平台及其实验方法。包括试件、支架、模拟碎片抛射装置、气体爆炸冲击波发生装置、辐射式电加热装置、实验测量采集系统；所述辐射式电加热装置通过挂钩悬挂在支架上，位于试件正前方；所述温度控制仪能记录热电偶测量的温度数据；所述模拟碎片抛射装置固定在可调节支架上；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有可燃气体配气仪和泄爆口；所述实验测量采集系统包括数据采集系统、激光位移传感器、高速摄像仪、高温箔式电阻应变片和高频压力传感器。

An experimental platform for wall failure of steel storage tanks under multi disaster coupling and its experimental method

The invention relates to an experimental platform and an experimental method for the wall damage of a steel oil storage tank under the coupling action of multiple hazards, which involves an experimental platform and an experimental method for studying the wall damage of adjacent buildings under the coupling action of multiple hazards of fire and explosion in a storage tank area. The radiation electric heating device is suspended on the bracket through a hook and is positioned in front of the specimen. The temperature controller can record the temperature data measured by the thermocouple. The analog debris ejection device is fixed on the adjustable bracket; the gas explosion shock wave generating device includes a combustible gas valve distribution device and a vent; the experimental measurement and acquisition system includes a data acquisition system, a laser displacement sensor, a high-speed camera, a high-temperature foil resistance strain gauge and a high-frequency pressure sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法
本专利技术一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法涉及的是一种储罐区火灾、爆炸多灾种耦合作用对邻近建（构）筑物壁面破坏作用进行实验研究的实验平台及其实验方法，具体是一种研究火灾、爆炸事故对储罐壁面耦合破坏作用的实验平台及其方法。
技术介绍
针对于特定空间内的灾害事故，若采用全尺寸的实体模型进行实验研究，则存在一定的困难，而采用一定比例尺的模拟实验模型来开展研究是一种必要、科学、经济而又切实可行的手段，现有的国内外大多数的模拟实验系统平台都是基于尺度模拟技术，结合特定的需求而设计研制的。例如，在储罐破坏机理研究方面，路胜卓采用1/100缩小尺寸的储罐模型研究爆炸冲击波作用下储罐破坏机理。朱东采用半径200mm的储罐模型研究撞击作用下储罐的动力响应过程。然而，现有的实验系统功能都较为单一，无法满足多灾种耦合作用研究的需要。到目前为止，还没有一种系统的实验平台和方法用于研究多灾种耦合破坏作用。中国的石油消耗量位居世界第二，仅次于美国。随着国家石油储备基地项目的相继展开，大型钢制储油罐的建设和发展也进入历史高峰期。我国钢制石油储罐的容量已达到15×104m3，正在研发容积为20×104m3以上的超大型储油罐。然而，伴随着石油产品储存规模和应用范围的不断扩大，由其引发的爆炸事故时有发生。
技术实现思路
本专利技术目的是针对所要解决的技术问题是提供一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法，其可同时模拟抛射物抛射冲击、气体爆炸冲击波和热辐射三种事故，并且能够针对不同厚度、材质的试件进行实验研究，功能丰富，研究全面，应用范围广。本专利技术一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法是采取以下技术方案实现的：一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台包括试件、支架、模拟碎片抛射装置、气体爆炸冲击波发生装置、辐射式电加热装置、实验测量采集系统。所述辐射式电加热装置通过挂钩悬挂在支架上，位于试件正前方，尺寸与试件相同，辐射式电加热装置与温度控制仪连接，温度控制仪与试件背面的热电偶连接，用于控制试件温度；所述温度控制仪能记录热电偶测量的温度数据；所述模拟碎片抛射装置固定在可调节支架上，通过调节可调节支架上螺杆的上升高度来调节抛射角度，螺母用来固定螺杆的位置；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有可燃气体配气仪，以控制可燃气体与空气的混合比例从而控制爆炸冲击波的强度；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有泄爆口，爆炸罐腔体中气体爆炸产生的冲击波通过泄爆口作用于储罐实体模型壁面；所述实验测量采集系统包括数据采集系统、激光位移传感器、高速摄像仪、高温箔式电阻应变片和高频压力传感器；所述激光位移传感器、高温箔式电阻应变片和压力传感器通过线缆与数据采集系统相连，通过数据采集系统记录和保存激光位移传感器、高温箔式电阻应变片、高频压力传感器的测量信号。其中：试件为大型储罐所常用的金属板材；模拟碎片抛射装置能模拟不同质量、速度和抛射角度的碎片抛射过程；气体爆炸冲击波发生装置能通过点燃不同浓度的可燃性混合气体产生不同大小的爆炸冲击波；辐射式电加热装置能调节和控制试件表面温度；实验测量采集系统用于多灾种耦合作用下储罐壁面破坏实验的数据测量、采集和处理。在上述方案中，所述的试件为Q245钢、Q345钢等常见的金属板材。在上述方案中，所述的模拟碎片抛射装置的高压储气室包含有压力传感器，压力传感器与弹射控制器相连，从而控制弹射压力。在上述方案中，实验测量采集系统包含有高速摄像仪，可用于记录试件的变形过程。在上述方案中，实验测量采集系统包含有激光位移传感器，可用于测量试件中心点处的变形过程。在上述方案中，实验测量采集系统包含有高温箔式电阻应变片，可用于测量试件变形过程中的应变变化过程。在上述方案中，所述模拟碎片抛射装置包含有可调节式支架，以控制支架的前后高度或者左右相对位置从而控制抛射物的抛射角度。在上述方案中，所述实验测量采集系统为多通道采集系统，包括多点布置的测量探头和摄像头，用于对多灾种耦合作用下的储罐破坏研究实验中的温度场、压力场、结构响应过程进行多点多功能的信号测量、采集和实时处理，以及进行动态发展过程的视频采集与处理。在上述方案中，所述模拟碎片抛射装置包含有载物台，用于放置抛射物。并且包含有插销来固定载物台，插销一端连接气缸，用于控制插销的插拔。一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台的实验方法，具体实验操作步骤为：（1）将高温箔式电阻应变片用胶水粘贴在试件背面，常温固化至少24小时；（2）将粘贴好高温箔式电阻应变片的试件安装到支架上，用螺丝固定；（3）将高频压力传感器安装到压力传感器安装孔；（4）将激光位移传感器固定于试件背面，距离试件50-100厘米，使传感器发射的光束对准试件中心；（5）将激光位移传感器、高温箔式电阻应变片、高频压力传感器与数据采集系统连接；（6）高速摄像仪布置在试件侧面，使高速摄像仪保持在摄像状态；（7）将辐射式电加热装置通过挂钩悬挂在支架上，分别将辐射式电加热装置和热电偶与温度控制仪连接；将两只热电偶的感温探头固定在试件背面的水平对称线的四分之一和四分之三处，并通过夹具固定；（8）在温度控制仪上设定试件所需达到的加热温度，最大温度为250℃；打开辐射式电加热装置的电源，对试件进行加热；达到设定温度后，维持试件的温度；（9）将泄爆口对准试件，调节泄爆口与试件之间的距离，使两者间的距离在0到1米范围内；（10）用0.05mm的聚乙烯薄膜密封泄爆口，用真空泵对爆炸罐进行抽真空，使爆炸罐内的真空度不大于-0.08MPa；（11）打开空气气瓶和甲烷气瓶的阀门，用配气柜配制甲烷/空气混合气体，甲烷体积浓度在5%到15%之间，将配制的混合气体通过进气口注入爆炸罐内；（12)将模拟碎片抛射装置的碎片出口对准试件，将载物台推入高压储气室，使密封圈将高压储气室密封，利用气缸的活塞杆将插销插入载物台上的凹槽，固定载物台，放入球形的碎片，在弹射控制箱上设定高压储气室内的压力，压力范围为1到10MPa；(13)取下辐射式电加热装置，利用点火器进行点火，爆炸冲击波通过泄爆口释放并作用到试件表面；同时，拧开高压气瓶的阀门对高压储气室加压，当高压储气室内的压力达到弹射控制箱上设定的压力，弹射控制箱控制气缸的活塞杆抽出插销，载物台与碎片沿着导杆高速飞出，载物台撞击挡板后弹回，碎片继续向前飞，直到撞击试件；(14)高频压力传感器采集泄爆口处的泄爆压力；激光位移传感器采集设定温度下的泄爆压力和碎片撞击作用下试件中心点的形变变化过程；高温箔式电阻应变片采集设定温度下的泄爆压力和碎片撞击作用下试件的应变变化过程。采集的泄爆压力、形变和应变通过线缆输入数据采集系统进行记录和保存。高速摄像仪记录设定温度下的泄爆压力和碎片撞击作用下试件的整体形变过程。通过上述实验装置和实验步骤，实现了火灾、爆炸耦合作用对储罐壁面破坏作用的实验研究。本专利技术一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台及其实验方法设计合理，实验平台结构紧凑，使用方便。本专利技术可同时模拟抛射物抛射冲击、气体爆炸冲击波和热辐射三种事故，也可以根据实际场景进行两种事故场景的耦合，并且能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，包括试件、支架、模拟碎片抛射装置、气体爆炸冲击波发生装置、辐射式电加热装置、实验测量采集系统；所述辐射式电加热装置通过挂钩悬挂在支架上，位于试件正前方，尺寸与试件相同，辐射式电加热装置与温度控制仪连接，温度控制仪与试件背面的热电偶连接，用于控制试件温度；所述温度控制仪能记录热电偶测量的温度数据；所述模拟碎片抛射装置固定在可调节支架上，通过调节可调节支架上螺杆的上升高度来调节抛射角度，螺母用来固定螺杆的位置；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有可燃气体配气仪，以控制可燃气体与空气的混合比例从而控制爆炸冲击波的强度；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有泄爆口，爆炸罐腔体中气体爆炸产生的冲击波通过泄爆口作用于储罐实体模型壁面；所述实验测量采集系统包括数据采集系统、激光位移传感器、高速摄像仪、高温箔式电阻应变片和高频压力传感器；所述激光位移传感器、高温箔式电阻应变片和压力传感器通过线缆与数据采集系统相连，通过数据采集系统记录和保存激光位移传感器、高温箔式电阻应变片、高频压力传感器的测量信号。

【技术特征摘要】
1.一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，包括试件、支架、模拟碎片抛射装置、气体爆炸冲击波发生装置、辐射式电加热装置、实验测量采集系统；所述辐射式电加热装置通过挂钩悬挂在支架上，位于试件正前方，尺寸与试件相同，辐射式电加热装置与温度控制仪连接，温度控制仪与试件背面的热电偶连接，用于控制试件温度；所述温度控制仪能记录热电偶测量的温度数据；所述模拟碎片抛射装置固定在可调节支架上，通过调节可调节支架上螺杆的上升高度来调节抛射角度，螺母用来固定螺杆的位置；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有可燃气体配气仪，以控制可燃气体与空气的混合比例从而控制爆炸冲击波的强度；所述气体爆炸冲击波发生装置包含有泄爆口，爆炸罐腔体中气体爆炸产生的冲击波通过泄爆口作用于储罐实体模型壁面；所述实验测量采集系统包括数据采集系统、激光位移传感器、高速摄像仪、高温箔式电阻应变片和高频压力传感器；所述激光位移传感器、高温箔式电阻应变片和压力传感器通过线缆与数据采集系统相连，通过数据采集系统记录和保存激光位移传感器、高温箔式电阻应变片、高频压力传感器的测量信号。2.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，所述激光位移传感器位于试件背面，距离试件50-100厘米，用于测量试件中心点处的变形量。3.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，所述高速摄像仪位于试件侧面，用于记录加载过程中试件的变形过程。4.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，所述高温箔式电阻应变片用胶水粘贴在试件背面，常温固化至少24小时。5.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，所述高频压力传感器安装在气体爆炸冲击波发生装置的压力传感器安装孔上。6.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，所述激光位移传感器、高温箔式电阻应变片和压力传感器通过线缆与数据采集系统相连，通过数据采集系统记录和保存激光位移传感器、高温箔式电阻应变片、高频压力传感器的测量信号。7.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，模拟碎片抛射装置包括高压气瓶、空气压缩机、气缸控制器、插销、气缸、凹槽、导杆、挡板、弹射控制箱、高压储气室、压力传感器、密封圈、载物台和碎片；该装置的载物台上有凹槽，插销插入凹槽，并配合密封圈密封高压储气室，高压储气室安装有压力传感器，压力传感器与弹射控制箱连接；高压储气室通过管道与高压气瓶连接，气缸与气缸控制器连接，气缸控制器分别与空气压缩机和弹射控制箱连接；插销安装在气缸的活塞杆上。8.根据权利要求1所述的一种多灾种耦合作用下的钢制储油罐壁面破坏实验平台，其特征在于，所述气体爆炸冲击波发生装置包括空气气瓶、甲烷气瓶、配气柜、爆炸罐、点火器、进气口、真空泵、泄爆...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋军成，李云浩，喻源，张庆武，张明广，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32