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

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.一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：
7.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；
8.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；
9.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。
10.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；
11.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。
12.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：
13.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；
14.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；
15.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；
16.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；
17.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:
18.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；
19.步骤7:更换破口模块，重复上述步骤。
20.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。
21.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.
22.23.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。
24.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：
[0025][0026][0027]
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：
[0028]
δx＝u+δu
[0029]
δy＝v+δv
[0030]
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。
[0031]
有益效果
[0032]
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。
[0033]
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。
[0034]
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。
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
使用氮气作为模拟气体，安全性高，试验可重复性强。
附图说明
[0039]
图1为本发明压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统结果示意图；
[0040]
图2为本发明压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统中罐体结构示意图；
[0041]
图3为本发明压力传感器分布图；
[0042]
图4为本发明破口热电偶分布图；
[0043]
图5为本发明热电偶架上热电偶布置图；
[0044]
图6为本发明破口模块示意图；
[0045]
图7为本发明不同材料的冲击功随温度变化情况曲线图；
[0046]
图8为本发明低合金钢冲击功随温度的变化规律曲线图；
[0047]
图9为本发明bos方法数据处理流程图。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0049]
高压容器破损时，释放气体的浓度分布特征是评价气体燃爆威胁的重要指标之一。长期以来，流场可视化一直是现代流体测量中不可或缺的工具，纹影技术作为一种稳定可靠，非接触式的动态流体实验方法而被普遍采用。其基本原理为光线在经过密度分布不均匀的区域时会发生折射，折射率大小与气体密度满足格拉斯顿-代尔定律：
[0050]
n(x,y,z,t)＝1+k
gp
ρ(x,y,z,t)
[0051]
式中n——光线折射率；
[0052]
ρ——流场内气体密度；
[0053]kgd
——为格拉斯顿-代尔常数，其值只与气体本身的物理性质有关，其中，x、y、z为坐标参数t为时间参数。
[0054]
上式表明，光线的折射率的梯度和所经过流场的气体密度成正比例关系，而气体的密度与气体的温度、压力、组成成分等各种物理性质相关。纹影技术通过观测流场的折射率变化而确定释放气体流场的分布特性，具有非接触测量的优点，并且已经逐渐成为一种重要的气体流场检测方法。
[0055]
meier于1999年结合传统纹影技术与piv互相关算法得到——背景纹影技术(background oriented schlieren)。其基本原理与传统的纹影技术一致，不同之处在于，bos技术关注点在于通过互相关算法来计算背景图案中局部元素的偏移量，其与流场的密度梯度(密度的一阶差分值)成正相关，通过计算像素点的位移即可获得气体云团的密度分布。其优点在于不需要透镜，可以对流场浓度分布进行非侵入、定量的测量。
[0056]
本发明为了实现高压容器突然释放气体时气体的动态参数监测，以及高压容器开口处材料的应力监测，公开了一种压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，实现对高压气体的压力、温度和流速的实时监测，以及对开口处材料应力进行同步监测。温度对槽罐材料的影响焦耳汤姆逊效应描述了在绝热过程中的温度变化，当气体通过阀门或破口时，从高压一侧流通到低压一侧，气体发生膨胀，有两种机理会导致气体的温度变化：(1)动能的变化；(2)克服分子间力所需的功。
[0057]
焦耳汤姆逊系数(j-t系数)对于测定在lpg工艺的设计和运行过程非常重要，常用于分析泄漏过程中的节流效应。流体在从破口释放时，可以近似看为等焓过程，μj为该过程中温度变化与压力变化比值的极限值。
[0058][0059]
因此，其泄漏过程中的由于节流膨胀而导致的温度变化δth可以表示为
[0060][0061]
式中ph——环境压力；
[0062]
pq——压力容器内压力。
[0063]
由于j-t系数与压力的关系几乎为一条直线，因此考虑采用辛普森数值积分法求解，温差公式变为
[0064][0065]
j-t系数的值可以为正值，负值或者0，这与气体状态有关。在气体释放过程中，容器内压力大于环境压力，即有ph《pq。因此当μj》0时，δth《0，气体释放过程为吸热过程，温度降低；当μj《0时，δth》0，气体释放过程为放热过程，温度升高，μj＝0时，δth＝0，此时为等焓过程，温度不发生改变。
[0066]
对于石油液化气，其为非理想气体，且槽罐内压力较大，为1.71mpa，初始温度较低，一般为-40℃，此时其j-t系数为正值，因此泄漏节流过程中温度降低。由上式可知，其温度降低大小由槽罐内压力，气体工质泄漏时间，环境压力与温度决定，而与破口本身大小无关，这也与本实验中结果相吻合。
[0067]
本发明的测量结果也证明了释放气流会对破口材料的温度带来影响。因此有必要从流固交互作用的角度分析温度对槽罐金属材料的影响，解释了气体释放过程对于压力容器储罐已有损伤的二次伤害。在所有四个模块实验中，破口附近的温度下降是最明显的，其温降的平均最大值接近-70℃。不同材料的夏比冲击功随温度变化的趋势不同，如下图所示。面心立方材料的冲击功对温度不敏感，但是对于体心立方材料，其冲击功受温度的影响很大，在低温下会受到韧性—脆性转变温度的影响，此时温度是影响金属材料韧性的主要因素之一，参见图7所述。
[0068]
本发明的主要部件均采用不锈钢制造，属于面心立方材料。而由事故报告可知，温岭事故中lpg储罐结构的主要金属材料是低合金钢q420，具有强度高，塑性韧性良好等优点，属于典型的体心立方材料。杨立国等人通过冲击实验研究了q420高强度钢的冲击韧性，其结果如下图所示。从图中可知，q420钢的冲击韧性对低温环境相当敏感，当意外损伤中由于气体释放而导致温度降低时，其会发生明显的韧性-脆性转变效应，温度为-60℃，其冲击功仅有100j左右。由曲线趋势可知，当温度更低时，其机械性能退化将更加严重，参见图8所示。
[0069]
此外，本实验是基于相似性原理计算设计，并作假设lpg在释放前已经处于气体状态。但是在实际事故中，当出现破口时，槽罐内压力迅速减小，lpg汽化速度非常快，并伴随着大量热量被吸收，从而进一步降低了槽罐破口处的金属温度。因此，事故中的温度降低可能会导致破口发生脆性断裂，受到二次伤害，对可燃性气体的储存安全具有潜在风险。
[0070]
实施例1
[0071]
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：所述监测试验台主要包括高压容器主体(圆柱槽罐)，直流稳压电源，电气盒，数据采集仪，计算机，热电偶，压力变送器以及氮气瓶。直流稳
压电源负责将220v的交流电整流为固定电压的直流电，并与电气盒相连。电气盒内将稳压直流电分流，可同时为多个设备供电，同时安装有隔离器，负责将压力变送器，热电偶输出的电流信号整合并转为电压信号，以便进一步输出到数据采集仪中。数据采集仪的型号为hioki lr8450，最多可以同时采集30个通道内的电压与温度数据，具有安装方便，操作简单等优点，本实验中数据采集的频率为100hz。最后，计算机负责整个监控整个实验设备工作状态并记录实验结果。高压容器为圆柱槽罐，罐体所用材料为304不锈钢，实验中罐体内压力大小为0.54mpa。罐体的直径为200mm，壁厚为10mm，罐体总长度为1400mm，经过计算可得，罐体的有效容积为35.6l。总体示意如图1，罐体图如图2。
[0072]
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：
[0073]
所述压力监测子系统：实验中在三个不同的位置安装了压力变送器。其中压力变送器p1安装在槽罐最内部，靠近密封法兰附近，用于监测槽罐内部压力变化情况。p2位于破口模块附近，槽罐内部x＝-45mm，z＝0mm的容器壁面上。p3位于槽罐外部，在破口x＝28mm，z＝0mm的容器壁面上。p2与p3被用于记录在气体泄漏释放过程中破口两侧的压力变化。压力变送器p2，p3的型号为wikaa-10，量程为0～1mpa，测量非线性精度为0.25％，具有结构紧凑，抗干扰能力强，测量精度高等优点。p1的型号为mik-p300，量程为0～1mpa，其具有液晶显示屏幕，方便实时读取槽罐容器内压力。压力传感器分布图如图3。
[0074]
所述温度监测子系统：由于在气体释放过程中，破口附近以及气体流场中的温度变化速度很快，因此温度测量元件应具有良好的动态响应特性。本实验中，温度测量采用高性能微型热电偶，测量点直径为0.08mm，根据德国工业标准din 60584，其精度等级为1级。之前的一项研究表明，在温差为200℃的周期性温度变化中，其振幅阻尼为0.26db，相移为20
°
，并且成功捕获到热混合流中的高频温度波动,具有非常良好的动态响应特性。破口模块附近共有6个热电偶，分别表示为t1到t6，如图4所示。从图中可以看到，t1位于破口内部，破口的中心，用于检测释放时破口上游的气体温度。t2—t4位于破口模块的外表面处，距破口边缘的距离分别为5、10和15mm。t5位于破口边缘，在流场中只露出前段探头部分。t6热电偶有两种安装方式，对于非模块1的其他模块，安装在破口的内表面处，对于破口一，由于此时破口直径太小，热电偶难以固定在破口内表面，故t6放置在破口的外中心。同时为了测量气体释放后流场内的温度分布，在容器前方的三个位置处布置了热电偶支架，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五个微型热电偶且，基于微型热电偶位于不同的支架以及在支架上的不同位置，其被分别表示为t11-t15、t21-t25、t31-t35。由于之前的模拟结果表明，被释放的气体流场关于槽罐的中心轴线呈对称结构。因此，为了更全面地观察气体释放时云团的分布特点，支架上的热电偶呈螺旋状布置。此外，气体从破口处释放后，会随着距离破口位置的不断增大而向四周扩张。因此，第三个支架上热电偶的径向分布距离比前面两个支架都要大。破口热电偶分布图如图4，热电偶架上热电偶布置如图5。
[0075]
所述流速监测子系统：为了测量流场中释放气流的速度，将热线风速仪安装在破口下游位置，热线风速仪的型号为xz4150d-220mt-30110vh，具有稳定可靠，微小风量下分辨率高等优点。
[0076]
应力监测子系统：为监测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。
[0077]
背景纹影法浓度监测子系统：使用背景纹影法进行测量，采用ccd相机拍摄背景图案中像素点的位移，相机的型号为wp-ut2000/m，拍摄帧率为16fps，镜头的型号为wp-10m0814-c，其分辨率为1000万。ccd相机安装在光学导轨上，方便进行光学位置调整，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，可得背景图案上的像素点在气体扰动下发生的微小位移。气体的密度与折射率满足格拉斯顿—代尔定律，编程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。
[0078]
实施例2
[0079]
一种压力容器材料破损特性及气体释放特性试验方法，包括如下步骤：
[0080]
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。
[0081]
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。将手机固定在手机支架上，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。
[0082]
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；
[0083]
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:
[0084]
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；
[0085]
步骤7:更换破口模块，重复上述步骤。破口模块如图6。
[0086]
本发明设计并搭建了加压气体释放实验台，还原了高压气体从破损压力容器中快速释放的动态过程，测量了泄漏流场内气体的压力、温度、速度分布。采用了纹影技术与互相关算法，通过ccd相机拍摄泄漏过程中气体云团动态形貌，使用matlab编程计算，得到泄漏气体浓度的时空分布，克服了传统流场可视化方法难以进行定量计算的缺点。
[0087]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一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，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：所述压力监测子系统：在槽罐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；所述温度监测子系统：被释放的气体流场关于槽罐的中心轴线呈对称结构，在槽罐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；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。所述应力监测子系统：用于监测槽罐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；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。2.根据权利要求1所述的压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，其特征为：所述破口模块是具有不同直径中心圆孔的圆盘，厚度为10mm；根据不同的模拟需求对破口的大小及形状进行变换；该破口模块附近设置6个热电偶，分别表示为t1到t6，t1位于破口内部，破口的中心，用于检测释放时破口上游的气体温度；t2—t4位于破口模块的外表面处，距破口边缘的距离分别为5、10和15mm；t5位于破口边缘，在流场中只露出前段探头部分；t6热电偶安装在破口的内表面处。3.根据权利要求1所述的压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，其特征为：三个所述压力变送器的安装位置：设置在槽罐尾部p1，靠近密封法兰附近，用于监测槽罐内部压力变化情况；设置槽罐尾部p2、破口模块附近，槽罐内部容器壁面上；设置槽罐尾部p3、槽罐外部，在破口的容器壁面上；其中p2与p3被用于记录在气体泄漏释放过程中破口两侧的压力变化。4.根据权利要求1所述的压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，其特征为：温度测量采用高性能微型热电偶，测量点直径为0.08mm，在温差为200℃的周期性温度变化中，其振幅阻尼为0.26db，相移为20
°
，用于捕获释放气流中的高频温度波动。5.根据权利要求1所述的压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，其特征为：热线风速仪的型号为xz4150d-220mt-30110vh。6.根据权利要求1所述的压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，其特征为：高压容器采用满足安全厚度的不锈钢为主体材料。7.根据权利要求1所述的压力容器材料破损特性及气体释放特性试验系统，其特征为：所述高压容器为圆柱槽罐，罐体所用材料为304不锈钢，实验中罐体内压力大小为0.54mpa；罐体的直径为200mm，壁厚为10mm，罐体总长度为1400mm，罐体的有效容积为35.6l。8.一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：
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；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；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；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；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: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；步骤7:更换破口模块，重复上述步骤。9.根据权利要求8所述的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：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，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。10.根据权利要求8所述的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：为了保证光学测量与温度测量同步，也为了确定容器开门的时间点，将协同电路安装在槽罐的开门处；开门处安装有互相接触的金属杆作为开关，当槽罐开门闭合时，电路接通，背景板处的发光二极管被点亮，数据采集仪此时记录到电路内的9v电压；当槽罐开口打开的瞬间，金属杆连接断开，发光二极管熄灭，同时数据采集仪监测的电压信号变为0v；通过读取数据采集仪中的电压信号，电压陡降时间点即为开门瞬间；分析ccd相机拍摄的背景图案，照片中灯泡熄灭的时间点同样为开门瞬间。通过协同电路，就将温度测量与光学测量标定在同一起点。

技术总结
本发明公开一种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，用于对高压气体泄露过程中压力容器破口附近材料的应力及温度测量，以及对泄露气体的状态监测。设计并搭建了加压气体释放实验台，还原了高压气体从破损压力容器中快速释放的动态过程，测量了泄漏流场内气体的压力、温度、速度及浓度分布，并监测开口处材料的应力大小。通过更换不同的破口模块实现多种尺寸压力容器破口的模拟，研究了压力容器破损特性对气体释放特性的影响机制。本发明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；使用铰链开合结构释放气体，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，有较快的动态响应。较快的动态响应。较快的动态响应。


技术研发人员：周密 马书豪 张乃强 崔澄龙 李俊宸 马中康 仵雪鑫
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/5