呼吸閥整體試驗(yàn)承壓的分析說(shuō)明
石油儲(chǔ)罐是石油化工行業(yè)的重要設(shè)備,呼吸閥作為儲(chǔ)罐上的安全附件受到重視。由于環(huán)境溫度的變化,必然引起油
罐氣體空間內(nèi)壓發(fā)生變化,為此需要用呼吸閥來(lái)控制一定壓力,以減少油罐小呼吸損耗。在收發(fā)油作業(yè)時(shí)呼吸閥也
可以減少油罐的大呼吸損耗,因此在一定壓力范圍內(nèi),呼吸閥既能減少油料的蒸發(fā)損耗,同時(shí)又對(duì)油罐安全起到保護(hù)
作用。由于呼吸閥的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到油庫(kù)的安全,其中閥體的水壓試驗(yàn)壓力又是重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)之一,
為此就 SY /T0511) 1996《石油儲(chǔ)罐呼吸閥》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)壓力為0.2 MPa進(jìn)行論證,從而
使其能夠更好地服務(wù)于生產(chǎn)和滿足石油化工安全的需要。
呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SY /T0511) 1996《石油儲(chǔ)罐呼吸閥》中規(guī)定呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)壓力為0.2MPa,而老
標(biāo)準(zhǔn)SY7510) 87《石油儲(chǔ)罐呼吸閥》中規(guī)定呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)壓力為0. 9 MPa。關(guān)于呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)究
竟應(yīng)該承受多大壓力,一直存在爭(zhēng)論。一種觀點(diǎn)認(rèn)為儲(chǔ)罐僅能承受2MPa的壓力,所以呼吸閥能承受0.2MPa就足夠了;
另一種觀點(diǎn)認(rèn)為呼吸閥是油罐上的安全附件0.2MPa滿足不了爆炸所承受壓力的需要,閥體水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)0.9MPa。
1、呼吸閥的分析壓力試驗(yàn)的必要性：阻火呼吸閥閥體需分段進(jìn)行兩種壓力試驗(yàn),即按SY /T0511) 1996《石油儲(chǔ)
罐呼吸閥》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定呼吸閥閥體進(jìn)行.2MPa的水壓試驗(yàn)和按SY /T0511) 1996《石油儲(chǔ)罐阻火器》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定
阻火器殼體進(jìn)行0. 9 MPa的水壓試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)上兩種水壓試驗(yàn)根本無(wú)法在同一閥體內(nèi)進(jìn)行,這是因?yàn)樵诤粑y和阻火
器交界處無(wú)法進(jìn)行密封,只有在同一壓力下進(jìn)行的水壓試驗(yàn)才能夠?qū)崿F(xiàn)。所以要保證阻火器和呼吸閥能同時(shí)正常使
用, 阻火呼吸閥閥體必須進(jìn)行0. 9 MPa水壓試驗(yàn)。
2、爆炸壓力分析：罐進(jìn)行收發(fā)油作業(yè)或溫度變化必然引起呼吸閥的動(dòng)作,當(dāng)殘留在呼吸閥內(nèi)部的可燃?xì)怏w達(dá)到爆炸
濃度極限時(shí),遇火星或明火就會(huì)引起爆炸。這種化學(xué)爆炸會(huì)產(chǎn)生較高的溫度,并使壓力劇增,具有較強(qiáng)的破壞性。爆炸
產(chǎn)生的最大靜壓就是實(shí)驗(yàn)室中使用封閉球 體測(cè)定的定容爆炸壓力10.1%的瓦斯空氣混合氣體測(cè)定得到的定容爆炸
力大約為0.71 ~0.81MPa。1952年舒爾茨-容霍夫 ( Schu ltze-R honho f)在美國(guó)一個(gè)廢棄礦井進(jìn)行了兩次瓦斯?jié)?/span>度
為9.5%、積聚區(qū)域300m2的大型爆炸試驗(yàn),爆炸測(cè)得峰值壓力為1.01MPa ,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏?/span>1000 m /s?？扇?/span>氣體
燃燒產(chǎn)生的熱使燃燒峰面前方的氣體受到壓縮,產(chǎn)生一個(gè)超前于燃燒鋒面的壓力波,該壓力波以當(dāng)?shù)匾羲傧蚯皞?/span>播,行
進(jìn)在燃燒峰面前稱為前驅(qū)沖擊波。壓力波作用于未燃?xì)怏w,使其溫度升高,從而使火焰的燃燒速度進(jìn)一步加快。層層
產(chǎn)生的壓力波 相互追趕并疊加,形成具有強(qiáng)烈破壞作用的沖擊波。
3、爆炸壓力與計(jì)算：油品蒸氣與空氣形成的爆炸性氣體混合物遇明火發(fā)生爆炸,爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力與容器類型和
油品蒸氣的濃度有關(guān)。試驗(yàn)證明體積均為283m3 的不同類型油罐,發(fā)生爆炸時(shí)的壓力則不一樣,球形罐發(fā)生爆炸時(shí)壓
力大于錐頂罐和滴狀罐(見(jiàn)下表)。
各種油罐爆炸的最大壓力
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名稱 |
罐內(nèi)平時(shí)壓力（MPa） |
罐內(nèi)最大耐壓強(qiáng)度（MPa） |
爆炸蒸汽壓力（MPa） |
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錐頂罐 |
0.315 |
0.014 |
0.733 |
|
滴狀罐 |
0.420 |
0.733 |
|
|
球形罐 |
2.440 |
3.250 |
一般情況下,油罐的耐壓強(qiáng)度越大其爆炸壓力也就越大經(jīng)對(duì)66號(hào)汽油在常溫 ( 11~ 13℃ ) 和常壓條件下進(jìn)行的
不同濃度爆炸壓力進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果(見(jiàn)下表和下圖)表明各種油罐爆炸的最大壓力和油氣在不同濃度下所產(chǎn)生的最
大爆炸壓力均大于0. 2MPa,呼吸閥作為油罐的安全附件應(yīng)等強(qiáng)度連接因此呼吸閥水壓試驗(yàn)壓力為 0. 9 MPa是合理的。
油蒸氣在不同濃度下的爆炸壓力
|
汽油在空氣中的濃度體積百分比 ％ |
最大爆炸壓力 MPa |
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＜1.35 |
不爆炸 |
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1.58 |
0.556 |
|
1.60 |
0.584 |
|
2.04 |
0.750 |
|
2.58 |
0.785 |
|
2.70 |
0.825 |
|
3.00 |
0.818 |
|
3.01 |
0.835 |
|
3.08 |
0.825 |
|
3.24 |
0.811 |
|
3.40 |
0.806 |
|
3.86 |
0.800 |
|
4.24 |
0.780 |
|
4.70 |
0.557 |
|
5.04 |
0.157 |
|
5.46 |
0.110 |
|
5.84 |
0.108 |
|
6.08 |
0.068 |
|
6.48 |
0.058 |
|
＞6.96 |
不爆炸 |
注：汽油濃度由紅外線分析儀測(cè)定。
濃度壓力爆炸曲線圖
根據(jù)丙烷在容器中爆炸的化學(xué)反應(yīng)方程式,計(jì)算出丙烷在容器中爆炸可能產(chǎn)生的壓力。
丙烷化學(xué)反應(yīng)方程式為: C3H8 + 5O2 + 18. 8N2 = 3CO2 + 4H2O+ 18. 8N2
爆炸后壓力為: Pm ax = T max T0 # P0 # n m
式中 Pmax —爆炸后最大壓力,MPa;
Tmax —爆炸后最高溫度 (按下表選取 ), K
P0 —爆炸前壓力 (P0 = 0. 1MPa);
T0 —爆炸前溫度 (T0 = 293 K)。
由反應(yīng)式可知爆炸前氣體摩爾數(shù) m = 24. 8, 氣體摩爾數(shù) n = 25. 8。
不同物質(zhì)爆炸后的最高溫度
|
物質(zhì) |
燃燒溫度（℃） |
物質(zhì) |
燃燒溫度（℃） |
|
甲醇 |
1100 |
丁烷 |
1982 |
|
乙醇 |
1180 |
天然氣 |
2020 |
|
乙炔 |
2325 |
石油氣 |
2120 |
|
乙烯 |
2102 |
原油 |
1100 |
|
丙烯 |
2065 |
汽油 |
1200 |
|
甲烷 |
1963 |
重油 |
1000 |
|
乙烷 |
1971 |
氫 |
2130 |
|
丙烷 |
1977 |
煤氣 |
1600～1850 |
由上面式中計(jì)算得到Pmax = 0. 8 MPa因此呼吸閥水壓試驗(yàn)壓力為0. 9 M Pa是合理的。
4、試驗(yàn)測(cè)定呼吸閥閥體承壓能力：
呼吸閥閥體承壓能力可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出,即在呼吸閥負(fù)壓閥體中間位置貼上兩片應(yīng)變片,然后向全天候呼吸閥內(nèi)通入
含有體積濃度 ( 4. 3 ±0. 215% )、初壓為 0. 1 MPa丙烷蒸氣混合氣進(jìn)行最少13次一組的爆炸試驗(yàn),這是因?yàn)榛?/span>
合氣體爆炸產(chǎn)生最強(qiáng)的火焰?zhèn)鞑バ?yīng)不一定產(chǎn)生最大的爆炸力。試驗(yàn)裝置見(jiàn)下圖。
呼吸閥閥體承壓試驗(yàn)圖
分別測(cè)出13次爆炸閥體產(chǎn)生的線應(yīng)變E1和環(huán)應(yīng)變 E2,然后計(jì)算出閥體內(nèi)的壓力。( 1)計(jì)算閥體壁厚根據(jù)GB-150)
98《鋼制壓力容器》中的規(guī)定,計(jì)算 DN200呼吸閥閥體承壓能力為0.9 MPa時(shí)的閥體壁厚。
D= PDc /( 2[ R ] t U- p ) @ 1 /cos A
Dn = D+ C
式中 D —閥體計(jì)算厚度, mm;
P —設(shè)計(jì)壓力, M Pa;
Dc —錐殼大端內(nèi)徑, mm;
[ R ] t—設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力, MPa;
U— 焊縫系數(shù); 無(wú)量綱;
A—錐殼半頂角;
Dn —閥體名義厚度, mm;
C—厚度附加量 (C = C 1 + C 2 ), mm;
C1 —厚度偏差, C1 = 2 mm, mm;
C2 — 腐蝕裕量, C2 = 1 mm, mm。
由式上面公式計(jì)算阻火器殼體承壓能力為0.9MPa時(shí)的閥體壁厚為 Dn = 12 mm。
計(jì)算閥體呼吸閥閥體閥體爆炸后壓力：通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得呼吸閥爆炸后在閥體上的線應(yīng)變和環(huán)應(yīng)變,然后通過(guò)公式計(jì)
算出呼吸閥閥體的承壓能力, 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)如下表下圖：
試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果
|
序號(hào) |
線應(yīng)變（10-6mm） |
環(huán)應(yīng)變（10-6mm） |
壓力（pa） |
|
1 |
55.0 |
25.0 |
51.4 |
|
2 |
56.0 |
24.0 |
52.0 |
|
3 |
55.6 |
24.2 |
51.8 |
|
4 |
57.8 |
23.1 |
53.3 |
|
5 |
54.6 |
25.4 |
51.1 |
|
6 |
58.3 |
27.0 |
54.7 |
|
7 |
56.9 |
26.7 |
53.4 |
|
8 |
55.2 |
24.9 |
51.5 |
|
9 |
56.1 |
25.2 |
52.4 |
|
10 |
57.2 |
25.3 |
53.3 |
|
11 |
56.8 |
24.9 |
52.9 |
|
12 |
57.9 |
26.1 |
54.1 |
|
13 |
57.1 |
25.5 |
53.3 |
爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖：
RH = {E /( 1- L 2 ) }# (E1 + LE2 ) ( 4)
RH= PDz /2Dn （5）
P = 2Dn # RH /Dz （6）
式中 Dn—呼吸閥壁厚, Dn = 12 mm;
E —彈性模量, E = 10. 29MPa;
L — 泊松比, L= 0. 27;
D2 —閥直徑, D 2 = 320mm;
E1 —應(yīng)變, mm;
E2—環(huán)應(yīng)變, mm。
通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定線應(yīng)變 E1 和環(huán)應(yīng)變 E2 可計(jì)算出一組壓強(qiáng)的數(shù)據(jù),取13次平均值 52.75 M Pa為呼吸閥爆炸后的承壓能
力。通過(guò)對(duì) DN200呼吸閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用工況分析,并以 DN200閥為例進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)分析, 計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的果
均大于0.2 MPa,老標(biāo)準(zhǔn) SY7510) 87《石油儲(chǔ)罐呼吸閥》關(guān)于呼吸閥閥體水壓試驗(yàn)為 0.9 MPa是合理的。
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