一種測量CO₂管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種測量CO2管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置，包括一個實驗環(huán)道，所述實驗環(huán)道的入口與CO2注入系統(tǒng)相連，實驗環(huán)道的出口與雙爆破片控制裝置相連，且在實驗環(huán)道上安裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集環(huán)道在瞬態(tài)失壓工況下管道內(nèi)CO2流體壓力及溫度隨時間變化過程。本實用新型能夠安全、準確的測得減壓波傳播速度。該實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對CO2管道減壓過程的人為控制，可實現(xiàn)對超臨界、液態(tài)、氣態(tài)等不同相態(tài)的CO2管道減壓波的測量。該實用新型有助于對CO2管道泄漏的檢測以及對管道裂紋延展的安全控制。
【專利說明】
一種測量CO2管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型公開了一種測量CO2管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著溫室氣體排放增加，溫室效應(yīng)對人類生活生產(chǎn)的影響也越來越明顯。碳捕集 及封存技術(shù)(CCS)被認為是實現(xiàn)二氧化碳減排的有效方法。管道輸送作為其中的重要環(huán)節(jié) 不容忽視。由于長距離輸送CO 2過程中，管道需要穿過各種復(fù)雜地形和環(huán)境。惡劣的環(huán)境及 人為破壞等因素可能造成管道穿孔泄漏，進而造成管道韌性斷裂。對于韌性斷裂擴展控制 的首要問題是需要得到泄漏過程中流體的減壓特性，這樣可以計算出驅(qū)動裂紋擴展的局部 應(yīng)力大小。預(yù)測減壓波特性，尤其是減壓波速度，對于控制CO 2管道的裂紋擴展尤為重要。國 內(nèi)外測量減壓波速的方法通常是進行工業(yè)規(guī)模的全尺寸爆破實驗。此方法花費巨大，一次 實驗的費用高達幾千萬元。因此需要一種能夠模擬工業(yè)管道泄漏的實驗裝置和實驗方法， 既能節(jié)約費用，又能準確地測量減壓波速。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本實用新型的目的就是通過實驗設(shè)備的革 新，準確測量CO2管道減壓波傳播速度。
[0004] 本實用新型采用的技術(shù)方案如下：
[0005] -種測量⑶2管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置，包括一個實驗環(huán)道，所述 實驗環(huán)道的入口與CO 2注入系統(tǒng)相連，實驗環(huán)道的出口于雙爆破片控制裝置相連，且在實驗 環(huán)道上安裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過環(huán)道可以采集在瞬態(tài)失壓工況下管道內(nèi)CO 2流體壓力及 溫度隨時間變化過程。
[0006] 進一步的，在所述的實驗環(huán)道的入口和出口還安裝有電磁截止閥、安全閥和泄壓 放空閥，在實驗環(huán)道的外壁上設(shè)有溫度控制裝置。電磁截止閥可以實現(xiàn)遠控封閉開啟實驗 環(huán)道;管路采用DN20、304不銹鋼焊接而成，耐腐承壓效果好，適用于CO 2管道;外壁電加熱用 來實現(xiàn)控制管內(nèi)C〇2溫度及相態(tài);泄壓放空閥用于實現(xiàn)實驗準備及結(jié)束時安全泄放高壓非 實驗用C〇2。
[0007] 進一步的，所述的雙爆破片控制裝置由兩片正拱爆破片以及連接兩片爆破片的管 段組成，其中一個爆破片以夾持器夾持，固定在實驗環(huán)道出口；另一爆破片夾持在整個實驗 裝置末端與外界大氣連通，在兩個爆破片之間的管段開設(shè)注入孔以平衡主管內(nèi)壓力。不同 參數(shù)的爆破片可以實現(xiàn)管路在不同瞬態(tài)失壓工況下對管內(nèi)壓力溫度采集的實驗要求。
[0008] 進一步的，注入系統(tǒng):采用工業(yè)用高純度CO2氣瓶，采用氣瓶注入具有用量少，易操 作等優(yōu)點，為便于氣瓶的安全更換與拆裝，在CO 2氣瓶的注入端安裝有手自雙控閥門組。
[0009] 進一步的，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多個間隔安裝在實驗環(huán)道上的壓力采集裝置 以及溫度采集裝置。
[0010]具體的實驗方法如下：
[0011] 考慮到管道輸送過程中CO2的不同相態(tài)特性，該裝置可以測量不同相態(tài)下（氣態(tài)、 液態(tài)、超臨界態(tài))c〇 2管道的泄漏過程中減壓波的傳播速度及沿程參數(shù)變化規(guī)律。
[0012] 實驗操作過程中的方案設(shè)計如下：
[0013] 1)以氣態(tài)CO2注入實驗環(huán)道內(nèi)，掃氣清除管內(nèi)雜質(zhì);關(guān)閉實驗環(huán)道末端泄壓放空閥 及電磁截止閥；
[0014] 2)根據(jù)實驗環(huán)道管容及實驗參數(shù)估算實驗用氣量充裝實驗環(huán)道，同步監(jiān)測管內(nèi)壓 力及溫度，充裝至計算用氣量時關(guān)閉實驗環(huán)道首端電磁截止閥，封閉實驗環(huán)道；
[0015] 3)開啟末端電磁截止閥連通爆破片，對實驗環(huán)道進行加熱升溫升壓，采用雙爆破 片控制裝置控制管內(nèi)爆破壓力，通過注入孔向爆破管段注入CO 2平衡實驗環(huán)道內(nèi)壓力，使實 驗環(huán)道內(nèi)CO2流體絕對壓力不變情況下相對壓力下降，同時爆破管段內(nèi)CO 2壓力低于外爆破 片標定爆破壓力，再次調(diào)節(jié)主管實驗壓力至內(nèi)爆破片爆破壓力，升溫過程結(jié)束，再升高爆破 管段壓力至外爆破片爆破，外爆破片爆破后將使內(nèi)爆破片背壓為環(huán)境壓力進而使內(nèi)爆破片 爆破，爆破瞬間形成泄漏瞬態(tài)失壓工況，根據(jù)采集管內(nèi)參數(shù)及時間關(guān)系得出減壓波傳播速 度；
[0016] 4)泄漏至設(shè)定壓力時，關(guān)閉實驗環(huán)道末端的電磁截止閥，實驗結(jié)束，更換爆破片進 行下一組實驗。
[0017] 減壓波傳播速度的計算方法：
[0018] 根據(jù)實驗裝置的設(shè)計，利用安裝在管路上2個壓力傳感器在軸線方向上的間隔距 離除以兩傳感器采集到相同壓力之間的滯后時間即得到減壓波速度在該實驗管段上的實 驗值，假設(shè)實驗中產(chǎn)生的減壓波僅為單程傳播，在實驗管路入口端能量完全耗散。減壓波速 度可以表示為：
[0019]
[0020] w衣不頭版測#的減壓波速度，m/s;L表示兩個壓力傳感器間的距離，m; Δ t表示兩 個壓力傳感器相繼左右的時間間隔，s。
[0021 ]本實用新型的有益效果如下：
[0022] 本實用新型提供了一種測量CO2管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置及方 法，能夠安全、準確的測得減壓波傳播速度。該實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)對CO 2管道減壓過程的人 為控制，可實現(xiàn)對超臨界、液態(tài)、氣態(tài)等不同相態(tài)的CO2管道減壓波的測量。該實用新型有助 于對CO 2管道泄漏的檢測以及對管道裂紋延展的安全控制。
[0023] 環(huán)道的使用能夠模擬了真實工程中管道的泄漏減壓過程。環(huán)道是泄漏減壓過程的 主體，也是輸送CO2流體的工具。所以應(yīng)在環(huán)道(管道)中測定減壓波傳播速度。
【附圖說明】
[0024] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本 實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還 可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1實驗裝置原理圖；
[0026]圖2圖1的A視圖放大結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖3手自雙控閥門。
【具體實施方式】
[0028] 如圖1所示，一種測量CO2管道減壓波傳播速度的裝置，主要由實驗環(huán)道、雙爆破片 控制裝置、注入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多部分組成。通過環(huán)道可以采集在瞬態(tài)失壓工況下管道 內(nèi)CO 2流體壓力及溫度隨時間變化過程，是研究減壓波傳播特性的有效方法，實驗裝置圖如 圖1所示。
[0029] 實驗環(huán)道:包括電磁截止閥、管路、外壁電加熱、泄壓放空閥及安全閥等。電磁截止 閥可以實現(xiàn)遠控封閉開啟環(huán)道;管路采用DN20、304不銹鋼焊接而成，耐腐承壓效果好，適用 于CO 2管道;外壁電加熱用來實現(xiàn)控制管內(nèi)CO2溫度及相態(tài);泄壓放空閥用于實現(xiàn)實驗準備及 結(jié)束時安全泄放高壓非實驗用CO 2。
[0030] 雙爆破片控制裝置:爆破片是一次性的泄壓裝置，是壓力容器、管道的重要安全裝 置，可以在規(guī)定的爆破壓力及溫度下，當爆破片兩側(cè)壓差達到預(yù)定值時，爆破片破裂或脫落 從而泄放壓力。在相同的爆破溫度下，實際爆破壓力與標定爆破壓力會有區(qū)別，爆破允差是 指實際爆破壓力與標定爆破壓力之間的允許的偏差。為了使管內(nèi)CO 2在要求參數(shù)下實現(xiàn)泄 漏工況，安全準確控制爆破片爆破，采用雙爆破片裝置。該裝置由兩片正拱爆破片及二者之 間管段組成，爆破片以夾持器夾持，通過法蘭用螺栓固定在主管道出口，另一爆破片夾持在 實驗裝置末端與外界大氣連通，在爆破片之間管段開設(shè)注入孔以平衡主管內(nèi)壓力。不同參 數(shù)的爆破片可以實現(xiàn)管路在不同瞬態(tài)失壓工況下對管內(nèi)壓力溫度采集的實驗要求。
[0031] 注入系統(tǒng):采用工業(yè)用高純度CO2氣瓶，采用氣瓶注入具有用量少，易操作等優(yōu)點， 為便于氣瓶的安全更換與拆裝，在注入端設(shè)計安裝手自雙控閥門組，如圖2所示。手控閥門 用于通過氣瓶向主管道內(nèi)注氣更換氣瓶過程對主管道的封閉，自控閥門為遠控球閥，用于 加熱升壓過程封閉主管道，其開度可控，注氣結(jié)束后需關(guān)閉自控閥，完全開啟手控閥。
[0032] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):包括壓力采集及溫度采集，依托LabVIEW平臺編制相應(yīng)采集程序， 根據(jù)實驗要求變送器輸出標準4-20mA信號，實現(xiàn)信號監(jiān)測及連續(xù)存儲，采集頻率應(yīng)足夠高， 才能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力波的采集。
[0033] 其中：如圖2所示，在圖1中實驗環(huán)道的交叉處不連通。
[0034] 考慮到管道輸送過程中C02的不同相態(tài)特性，該裝置可以測量不同相態(tài)下（氣態(tài)、 液態(tài)、超臨界態(tài))C02管道的泄漏過程中減壓波的傳播速度及沿程參數(shù)變化規(guī)律。
[0035] 實驗操作過程中的方案設(shè)計如下：
[0036] 1)掃氣清除管內(nèi)雜質(zhì)，關(guān)閉環(huán)道末端泄壓閥及截止閥；
[0037] 2)根據(jù)環(huán)道管容及實驗參數(shù)估算實驗用氣量充裝環(huán)道，同步監(jiān)測管內(nèi)壓力及溫 度，充裝至計算用氣量時關(guān)閉環(huán)道首端截止閥，封閉環(huán)道；
[0038] 3)開啟末端截止閥連通爆破片，對環(huán)道進行加熱升溫升壓，采用雙爆破片控制裝 置控制管內(nèi)爆破壓力，通過注入孔(如圖1所示）向爆破管段注入CO 2平衡主管內(nèi)壓力，使主 管內(nèi)CO2流體絕對壓力不變情況下相對壓力下降，同時爆破管段內(nèi)CO 2壓力低于外爆破片標 定爆破壓力，再次調(diào)節(jié)主管實驗壓力至內(nèi)爆破片爆破壓力，升溫過程結(jié)束，再升高爆破管段 壓力至外爆破片爆破，外爆破片爆破后將使內(nèi)爆破片背壓為環(huán)境壓力進而使內(nèi)爆破片爆 破，爆破瞬間形成泄漏瞬態(tài)失壓工況，可根據(jù)采集管內(nèi)參數(shù)及時間關(guān)系得出減壓波傳播速 度；
[0039] 4)泄漏至一定壓力時可關(guān)閉環(huán)道末端截止閥，實驗結(jié)束，可更換爆破片進行下一 組實驗。
[0040] 減壓波傳播速度計算
[0041] 根據(jù)實驗裝置的設(shè)計，利用安裝在管路上2個壓力傳感器在軸線方向上的間隔距 離除以兩傳感器采集到相同壓力之間的滯后時間即得到減壓波速度在該實驗管段上的實 驗值，假設(shè)實驗中產(chǎn)生的減壓波僅為單程傳播，在實驗管路入口端能量完全耗散。減壓波速 度可以表示為：
[0042]
[0043] w表示實驗測得的減壓波速度，單位m/s;L表示兩個壓力傳感器間的距離，單位m; A t表示兩個壓力傳感器相繼左右的時間間隔，單位s。
[0044]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新 型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng) 域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范 圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種測量CO2管道泄漏過程減壓波傳播速度的實驗裝置，其特征在于:包括一個實驗 環(huán)道，所述實驗環(huán)道的入口與CO 2注入系統(tǒng)相連，實驗環(huán)道的出口與雙爆破片控制裝置相 連，且在實驗環(huán)道上安裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實驗環(huán)道在瞬態(tài)失壓工 況下管道內(nèi)CO 2流體壓力及溫度隨時間變化過程。2. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于:在所述的實驗環(huán)道的入口和出口還安裝 有電磁截止閥、安全閥和泄壓放空閥。3. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于：在實驗環(huán)道的外壁上設(shè)有溫度控制裝 置。4. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于:所述的雙爆破片控制裝置由兩片正拱爆 破片以及連接兩片爆破片的管段組成，其中一個爆破片以夾持器夾持，固定在實驗環(huán)道出 口；另一爆破片夾持在整個實驗裝置末端與外界大氣連通，在兩個爆破片之間的管段開設(shè) 注入孔以平衡主管內(nèi)壓力。5. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于:所述的注入系統(tǒng)包括CO2氣瓶，在CO2氣瓶 的CO 2注入端安裝有手自雙控閥門組。6. 如權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多個間隔安裝 在實驗環(huán)道上的壓力采集裝置以及溫度采集裝置。
【文檔編號】G01N3/12GK205538488SQ201620262192
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】滕霖, 李玉星, 趙青, 王武昌, 胡其會
【申請人】中國石油大學(xué)(華東)