过热蒸汽超压泄放远程测试装置的设计

周宇航，娄兰亭，姜鑫垚，张颖，蒋鹏，高晗

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油石油化工研究院大庆化工研究中心，黑龙江大庆163318）

过热蒸汽超压泄放远程测试装置的设计

周宇航1，娄兰亭1，姜鑫垚1，张颖1，蒋鹏1，高晗2

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油石油化工研究院大庆化工研究中心，黑龙江大庆163318）

设计一套过热蒸汽超压泄放远程测试实验装置，可开展安全阀超压起跳实验、爆破片超压爆破实验和沸腾液体蒸汽爆炸（BLEVE）实验。该套实验装置实现温度、压力、液位等参数的自动采集，注水和加热自动控制，并配有远程视频监控系统，具有安全、高效和可控性强的特点，可用于相关专业实验教学和科学研究。

压力容器；BLEVE；远程测试装置；超压泄放

压力容器是内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密封容器[1]，确保其安全使用具有重要意义。盛装过热蒸汽的压力容器由于腐蚀等原因出现点蚀、小孔等缺陷，产生超压泄漏，引发沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE—Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）现象[2]，这是一种危害性极大的物理性爆炸，此类事故一旦发生，对国民经济和人民生命财产安全构成严重的威胁[3-4]。

本文设计一套过热蒸汽超压泄放远程测试装置，通过一台盛有过热水的压力容器，加热电极和一可调开度的电磁阀，模拟面积不同的泄漏点，使其在不同泄漏面积下发生爆炸性沸腾。实验装置的研制，可实现与超压泄放有关的综合性测试实验，如BLEVE实验、安全阀超压起跳实验和爆破片爆破试验，可用于相关专业的实验教学和科学研究。

1 实验装置模块设计

过热蒸汽超压泄放远程测试装置由压力容器模块，安全泄放模块，实验台模块三部分组成。压力容器功能是盛装实验介质，上方及两侧设有接管用以接入温度传感器，压力传感器和安全泄放装置。安全泄放系统包括安全阀、爆破片和电磁阀装置。实验台系统包括控制系统和加载系统。图1为装置模块设计框图。

图1 测试装置模块设计框图

2 实验装置的选型设计

2.1 压力容器的设计

压力容器是实验装置的主体，实验介质为水，通过加热电极对水进行加热，产生过热蒸汽。考虑过热蒸汽产生的条件及实验室环境因素，该压力容器的工作温度、工作压力、设计温度等参数如表1所示。

表1 压力容器主要设计参数

实验装置用压力容器采用立式结构，容器直径300 mm，两端焊接一对标准椭圆封头，容器筒体长750 mm，总高900 mm.根据以上设计参数，选用奥氏体不锈钢S30403作为容器母材，选取EHA标准椭圆封头，筒体和封头厚度均为8 mm.

2.2 安全泄放模块的计算选型

容器顶端连接一可调开度的电磁阀，通过调节不同的开度，模拟面积不同的泄漏点。因容器工作温度较高，附近热辐射强烈，要求该电磁阀开度可连续调节，能在220℃下稳定工作，采用05型电动执行机构。电磁阀固定于压力容器上方的阀杆，防止实验过高温度影响电磁阀的正常工作。

为了进行不同的安全阀超压起跳实验和爆破片爆破试验，本装置选用4组不同型号的安全阀：A21W-16P、A21Y-25P、A27W-16P和A28H/Y-16C，4组不同型式的爆破片：反拱带槽型、正拱带槽型、反拱开缝型和正拱开缝型，以研究不同情况安全泄放时有关参数的特性曲线以及满足过热蒸汽超压泄放的实验要求。

2.3 实验台模块的设计

实验台模块主要包括安装水箱、水泵等组件，上部放置有控制仪器等。考虑到功能要求和人体工程学原理，其长宽高设定为1 200 mm×600 mm×700 mm，以便于人员操作。箱体左侧设有接管口，用以连出水泵管线，正面设有门，用于注水及维修。

在实验台内，设有450 mm×450 mm×500mm的水箱，容积为101.25 L，水箱可以满足容器的容积要求。该设计工作介质为水，且扬程较低，流量较小，选用1DB-35型自吸式清水泵，其具体参数如表2所示。

表21 DB-35型自吸式清水泵参数

实验台上方设有远程高清摄像头，压力传感器、温度控制器、超声波液位计分别对容器的压力、温度、液位等参数进行精确的采集控制，可在远程控制端安全准确的观察到实验现象并能通过软件精准的记录实验数据，满足实验的要求。

3 实验装置的总体结构

根据上述设计方案，完成主要部件图纸绘制、参数计算、选型、制造及数据采集、控制和分析软件的编制等工作。整套实验装置结构如图2所示，经过测试，该套实验装置达到了预期的设计目标，可以完成安全阀超压起跳实验，爆破片超压爆破实验和沸腾液体蒸汽爆炸（BLEVE）实验，可用于安全工程、过程装备与控制工程等相关专业的实验教学和科学研究。

图2 总体装置图

4 结束语

根据沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的发生机理，研制了过热蒸汽超压泄放远程测试装置，该实验装置可以完成安全阀起跳实验，爆破片爆破实验和BLEVE实验。实验装置借助远程控制、测试和视频监控系统，实验人员可以在保证安全的条件下完成相关实验。经过实际测试，该套实验装置达到了预期的设计指标和功能，可用于安全工程及过程装备与控制工程等相关专业的实验教学和科学研究工作。

[1]韩春九，吴国强.我国压力容器制造的现状特点和存在问题[J].装备制造技术，2009（11）：94-95.

[2]陈思凝，孙金华.锅炉沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE）的小尺寸模拟试验[J].热能动力工程，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]马晓茜，王晶晶.液化天然气BLEVE机理研究及其事故后果评价[J].华南理工大学学报（自然科学版），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

国家级大学生创新创业训练计划项目—过热蒸汽超压泄放远程测试装置的创新设计（项目编号：201610220003）；国家级大学生创新创业训练计划项目—储罐内置式声发射检测用多传感器投放装置设计（项目编号：201610220001）

周宇航（1997-），女，黑龙江哈尔滨人，本科在读，研究方向为过程装备与控制工程。