本發(fā)明屬于石油化工儲罐安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種著火儲罐失效模式研究方法。

背景技術(shù)：

隨著石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，儲罐的數(shù)量和體積逐漸增加，隨之而來的是儲罐安全問題日益嚴重。在眾多的儲罐安全事故中，儲罐火災(zāi)占很大比重。

儲罐發(fā)生全表面火災(zāi)時，由于高溫火焰隨著氣流變化的不穩(wěn)定性，罐內(nèi)液體溫度的不均勻，水噴淋冷卻的不均勻，導(dǎo)致罐壁受力非常復(fù)雜。國內(nèi)外專家學(xué)者長期以來對火災(zāi)情況下儲罐的失效機理進行了大量研究，初步認為：在不考慮材料的結(jié)構(gòu)缺陷、損傷以及焊接等工藝對結(jié)構(gòu)的影響的情況下，著火儲罐失效的模式主要有：疲勞破裂、蠕變破裂以及韌性破裂。

長期以來，鑒于火災(zāi)情況下實驗的困難以及成本問題，國內(nèi)外專家主要通過建模的方式來求解罐壁受力以及溫度，進而通過比較高溫時鋼材的屈服強度和罐壁受力判斷著火儲罐是否會發(fā)生韌性破裂；對疲勞破裂和蠕變破裂由于機理復(fù)雜的緣故，研究很少。

目前，國內(nèi)沒有專門的實驗方法來研究著火儲罐的失效模式，為此，本專利提出一種主要借助實驗來研究罐壁受力以及溫度的實驗系統(tǒng)，同時用熱模擬試驗機測量處于失效溫度下的試件的力學(xué)特性，進而判斷具體的失效模式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種著火儲罐失效模式研究系統(tǒng)和研究方法，為研究著火儲罐熱響應(yīng)及安全時間提供技術(shù)保障。

本發(fā)明提供一種著火儲罐失效模式研究系統(tǒng)，其包括測試著火儲罐應(yīng)力應(yīng)變以及儲罐壁溫度實驗裝置和利用熱模擬試驗機測定構(gòu)件的熱疲勞特性、蠕變特性以及屈服強度，判斷著火儲罐失效模式。

其中，所述測試著火儲罐應(yīng)力應(yīng)變以及儲罐壁溫度實驗裝置包括儲罐、儲罐頂端的水噴淋設(shè)備、位于儲罐外壁的應(yīng)變片、位于儲罐內(nèi)壁的應(yīng)變片、位于儲罐頂端的應(yīng)變片、位于儲罐外壁的溫度傳感器、位于儲罐內(nèi)壁的溫度傳感器、位于儲罐頂端的溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及電腦。

其中，所述應(yīng)變片分布在儲罐外壁、儲罐內(nèi)壁和儲罐鋼板的頂端。

其中，所述儲罐內(nèi)壁和儲罐外壁的每個布置應(yīng)變片的位置都布置兩個應(yīng)變片，兩個應(yīng)變片相互垂直，其中一個沿著儲罐軸向。

其中，布置在儲罐罐壁鋼板頂部的每個位置的應(yīng)變片的數(shù)量為一個，指向儲罐中心方向，即沿著徑向。

其中，緊挨著每個應(yīng)變片位置處貼有溫度傳感器。

本發(fā)明提供一種采用上述著火儲罐失效模式研究方法，通過測試著火儲罐的應(yīng)變應(yīng)力以及溫度，同時利用熱模擬試驗機對處于失效溫度的試件進行力學(xué)特性測試，所述試件是仿照沒有進行實驗的儲罐失效部位制作的樣品，測量其屈服強度和熱疲勞特性以及蠕變特性，并與著火儲罐失效部位的部件應(yīng)變應(yīng)力特性進行比較，得出其最終的失效模式。

其中，所述著火失效儲罐失效模式研究方法具體包括：

第一步，儲罐著火時，對儲罐表面的變形和溫度進行測量和記錄；標記著火時，儲罐表面大幅變形失效部位；

第二步，利用記錄下來的各個測點的儲罐變形和溫度值，對儲罐表面的變形及溫度建模；

第三步，仿照失效部位在火災(zāi)前的樣式，制作試件，測量彈性模量和屈服強度，判斷失效模式是否為韌性破裂；

第四步，仿照失效部位在火災(zāi)前的樣式，制作試件，進行熱疲勞和蠕變特性測試，并與實驗時的失效部件進行對比，判別試件是在發(fā)生蠕變破裂還是熱疲勞破裂。

有益的技術(shù)效果

本發(fā)明提供一種著火儲罐失效模式研究系統(tǒng)和研究方法，通過測取著火儲罐的應(yīng)變以及溫度，進而通過建模得到整個儲罐的應(yīng)變和溫度；利用熱模擬試驗機測量試件的屈服強度、彈性模量、整體變形隨時間變化曲線等，利用相應(yīng)的準則和失效模式特性，判斷儲罐失效模式。

附圖說明

圖1著火儲罐失效模式研究系統(tǒng)。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種著火儲罐失效模式研究系統(tǒng)，其包括測試著火儲罐應(yīng)力應(yīng)變以及儲罐壁溫度實驗裝置和利用熱模擬試驗機測定構(gòu)件的熱疲勞特性、蠕變特性以及屈服強度，判斷著火儲罐失效模式。

所述測試著火儲罐應(yīng)力應(yīng)變以及儲罐壁溫度實驗裝置包括儲罐、儲罐頂端的水噴淋設(shè)備、位于儲罐外壁的應(yīng)變片、位于儲罐內(nèi)壁的應(yīng)變片、位于儲罐頂端的應(yīng)變片、位于儲罐外壁的溫度傳感器、位于儲罐內(nèi)壁的溫度傳感器、位于儲罐頂端的溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及電腦。

所述應(yīng)變片分布在儲罐外壁環(huán)形和軸向，儲罐內(nèi)壁與外壁相應(yīng)的位置也布置有所述應(yīng)變片，在儲罐鋼板的頂端也均勻布置應(yīng)變片。

所述儲罐內(nèi)壁和儲罐外壁的每個布置應(yīng)變片的位置都布置兩個應(yīng)變片，兩個應(yīng)變片相互垂直，其中一個沿著儲罐軸向。儲罐壁上的應(yīng)變片可以測量儲罐內(nèi)外壁面的變形情況。

布置在儲罐罐壁鋼板頂部的每個位置的應(yīng)變片的數(shù)量為一個，指向儲罐中心方向，即沿著徑向。因為罐壁厚度方向上的變形較小，可以認為上部應(yīng)變片測到的變形就是整個罐壁厚度方向的變形，因此罐壁頂部的應(yīng)變片可以測量罐壁厚度方向的變形。

緊挨著每個應(yīng)變片位置處貼有溫度傳感器，溫度傳感器可以測量每個位置的溫度，準確的溫度對于用熱模擬試驗機來測量鋼材的屈服強度、彈性模量、蠕變時應(yīng)變隨時間變化的曲線，熱疲勞破壞時應(yīng)變的變化具有重要的意義。

水噴淋設(shè)備的作用是模擬真實的滅火場景，使罐壁由于水噴淋的作用而不斷的冷熱變化。

本發(fā)明提供一種采用上述著火儲罐失效模式研究方法，通過測試著火儲罐的應(yīng)變應(yīng)力以及溫度，同時利用熱模擬試驗機對處于失效溫度的試件進行力學(xué)特性測試，測量其屈服強度和熱疲勞特性以及蠕變特性，并與著火儲罐失效部位的部件應(yīng)變應(yīng)力特性進行比較，得出其最終的失效模式。

所述著火失效儲罐失效模式研究方法具體包括：

第一步，儲罐著火時，對儲罐表面的變形和溫度進行測量和記錄；標記著火時，儲罐表面大幅變形失效部位；

第二步，利用記錄下來的各個測點的儲罐變形和溫度值，對儲罐表面的變形及溫度建模；

第三步，仿照失效部位在火災(zāi)前的樣式，制作試件，測量彈性模量和屈服強度，判斷失效模式是否為韌性破裂；

第四步，仿照失效部位在火災(zāi)前的樣式，制作試件，進行熱疲勞和蠕變特性測試，并與實驗時的失效部件進行對比，判別試件是在發(fā)生蠕變破裂還是熱疲勞破裂。

所述第一步進一步具體為進行儲罐池火實驗時，對儲罐表面各個測點的變形和溫度進行測量和記錄；儲罐表面某部分會首先發(fā)生大幅度變形(內(nèi)陷或撕裂)，標記下此處位置和此時的時間。

所述第二步進一步具體為對測量的儲罐表面的變形及溫度進行建模，可以得出儲罐整體的溫度和變形隨時間變化的數(shù)據(jù)，并在電腦中三維顯示。

所述第三步進一步具體為使用與失效部位相同的鋼材，根據(jù)熱模擬試驗機的要求和失效部位在著火前的樣式，制作合適的試件，在該處位置失效時的溫度下，利用熱模擬試驗機測量試件的彈性模量和屈服強度，利用測到的失效時的應(yīng)變，可以得出失效位置的應(yīng)力，進而利用強度判斷準則，判斷失效模式是否為韌性破裂。

所述第四步進一步具體為利用熱模擬試驗機，將失效部件的溫度隨時間變化的關(guān)系編制程序，對試件進行實驗，可以得出試件的彈性模量隨著溫度(時間)的關(guān)系，進而得出某溫度下，試件的整體受力，以及失效部件的應(yīng)力隨溫度(時間)的關(guān)系；將失效部件的應(yīng)力和溫度隨時間的變化編程，用來控制熱模擬試驗機的應(yīng)力和溫度變化，對試件進行實驗，可以得出試件的整體變形隨時間的變化曲線，通過該曲線可以判別試件是在發(fā)生蠕變破裂還是熱疲勞破裂。

以下采用實施例和附圖來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。

本發(fā)明提供一種著火儲罐失效模式的研究系統(tǒng)，其主要包括兩部分，一部分是測試著火儲罐應(yīng)力應(yīng)變以及罐壁溫度的實驗裝置，一部分是利用熱模擬試驗機測定構(gòu)件的熱疲勞特性、蠕變特性以及屈服強度，進而判斷著火儲罐的失效模式裝置。

測試著火儲罐應(yīng)力應(yīng)變以及罐壁溫度的實驗裝置主要由儲罐1、儲罐頂端的水噴淋設(shè)備2、儲罐外壁、內(nèi)壁以及頂端的應(yīng)變片3和溫度傳感器4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5以及電腦6組成，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

儲罐內(nèi)部裝有實驗需要的油品，儲罐外壁在環(huán)形和軸向均勻布有應(yīng)變片3，內(nèi)壁相應(yīng)的位置也布有應(yīng)變片3，罐壁鋼板的頂端也均勻布置有應(yīng)變片3，罐壁內(nèi)外側(cè)每個位置處布置有兩個應(yīng)變片，兩個應(yīng)變片的方向垂直，其中一個沿著儲罐軸向；布置在儲罐罐壁鋼板頂部的應(yīng)變片，在每個位置處有一個，指向儲罐中心方向，即沿著徑向。罐壁上應(yīng)變片可以測量儲罐內(nèi)外壁面的變形情況，罐壁頂部的應(yīng)變片可以測量罐壁厚度方向的變形(因為罐壁厚度方向上的變形較小，可以認為上部應(yīng)變片測到的變形就是整個罐壁厚度方向的變形)。

緊挨每個應(yīng)變片位置處貼有溫度傳感器4，溫度傳感器4可以測量每個位置的溫度，準確的溫度對于用熱模擬試驗機來測量鋼材的屈服強度、彈性模量、蠕變時應(yīng)變隨時間變化的曲線，熱疲勞破壞時應(yīng)變的變化具有重要的意義。

水噴淋設(shè)備2的作用是模擬真實的滅火場景，使罐壁由于水噴淋的作用而不斷的冷熱變化。

實驗開始時，首先打開數(shù)據(jù)采集器和電腦，引燃儲罐1中的油品，進行儲罐表面應(yīng)變和溫度采集，直至儲罐表面出現(xiàn)大幅變形，對儲罐的整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)影響時，記下變形的位置和此時的時間，為描述方便，稱為失效區(qū)域和失效時間。

通過對采集到的數(shù)據(jù)進行建模，可以得出儲罐整體的溫度和變形隨時間變化的數(shù)據(jù)，并在電腦中三維顯示。

使用與失效區(qū)域相同的鋼材和樣式，根據(jù)熱模擬試驗機的要求，制作合適的試件，在失效區(qū)域失效時的溫度下，利用熱模擬試驗機測量試件的彈性模量和屈服強度，然后利用測到的失效時的應(yīng)變，可以得出失效位置的應(yīng)力，進而利用強度判斷準則，判斷失效模式是否為韌性破裂。

按照失效區(qū)域的尺寸制作試件，利用熱模擬試驗機，將失效區(qū)域的溫度隨時間變化的關(guān)系編制程序，對試件進行實驗，可以得出試件的彈性模量隨著溫度(時間)的關(guān)系；利用著火儲罐實驗系統(tǒng)測取的失效區(qū)域的應(yīng)變，可以得到失效區(qū)域的應(yīng)力隨溫度(時間)變化的關(guān)系，分析失效區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度隨時間的變化，對應(yīng)蠕變破裂和熱疲勞破裂的特征，可以判斷失效模式屬于蠕變破裂或熱疲勞破裂，或兩種破裂占的比例。

至此，可以通過儲罐池火實驗以及熱模擬試驗機對試件的試驗，判斷失效模式的種類或各個種類占的比例。

所有上述的首要實施這一知識產(chǎn)權(quán)，并沒有設(shè)定限制其他形式的實施這種新產(chǎn)品和/或新方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，上述內(nèi)容修改，以實現(xiàn)類似的執(zhí)行情況。但是，所有修改或改造基于本發(fā)明新產(chǎn)品屬于保留的權(quán)利。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。