石油儲罐是石油化工行業的重要設備,呼吸閥作為儲罐上的安全附件受到重視。由于環境溫度的變化,必然引起油罐氣體空間內壓發生變化,為此需要用呼吸閥來控制一定壓力,以減少油罐小呼吸損耗。在收發油作業時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,呼吸閥既能減少油料的蒸發損耗,同時又對油罐安全起到保護作用。由于呼吸閥的設計、生產的標準關系到油庫的安全,其中閥體的水壓試驗壓力又是重要的設計標準參數之一,為此就 SY /T0511) 1996《石油儲罐呼吸閥》標準中規定的呼吸閥閥體水壓試驗壓力為0.2 MPa進行論證,從而使其能夠更好地服務于生產和滿足石油化工安全的需要。
呼吸閥閥體水壓試驗標準SY /T0511) 1996《石油儲罐呼吸閥》中規定呼吸閥閥體水壓試驗壓力為0.2MPa,而老標準SY7510) 87《石油儲罐呼吸閥》中規定呼吸閥閥體水壓試驗壓力為0. 9 MPa。關于呼吸閥閥體水壓試驗究竟應該承受多大壓力,一直存在爭論。一種觀點認為儲罐僅能承受2MPa的壓力,所以呼吸閥能承受0.2MPa就足夠了;另一種觀點認為,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,閥體水壓試驗壓力應0. 9MPa。
1、呼吸閥的分析壓力試驗的必要性:阻火呼吸閥閥體需分段進行兩種壓力試驗,即按SY /T0511) 1996《石油儲罐呼吸閥》標準中規定呼吸閥閥體進行.2MPa的水壓試驗和按SY /T0511) 1996《石油儲罐阻火器》標準中規定阻火器殼體進行0. 9 MPa的水壓試驗。結構上兩種水壓試驗根本無法在同一閥體內進行,這是因為在呼吸閥和阻火器交界處無法進行密封,只有在同一壓力下進行的水壓試驗才能夠實現。所以要保證阻火器和呼吸閥能同時正常使用, 阻火呼吸閥閥體必須進行0. 9 MPa水壓試驗。
2、爆炸壓力分析:罐進行收發油作業或溫度變化必然引起呼吸閥的動作,當殘留在呼吸閥內部的可燃氣體達到爆炸濃度極*,遇火星或明火就會引起爆炸。這種化學爆炸會產生較高的溫度,并使壓力劇增,具有較強的破壞性。爆炸產生的zui大靜壓就是實驗室中使用封閉球 體測定的定容爆炸壓力10.1%的瓦斯空氣混合氣體測定得到的定容爆炸壓力大約為0.71 ~0.81 M Pa。1952年舒爾茨-容霍夫 ( Schu ltze-R honho f)在美國一個廢棄礦井進行了兩次瓦斯濃度為9. 5%、積聚區域300 m2的大型爆炸試驗,爆炸測得峰值壓力為1. 01 MPa ,火焰傳播速度接近1000 m /s。可燃氣體燃燒產生的熱使燃燒峰面前方的氣體受到壓縮,產生一個超前于燃燒鋒面的壓力波,該壓力波以當地音速向前傳播,行進在燃燒峰面前稱為前驅沖擊波。壓力波作用于未燃氣體,使其溫度升高,從而使火焰的燃燒速度進一步加快。層層產生的壓力波 相互追趕并疊加,形成具有強烈破壞作用的沖擊波。
3、爆炸壓力與計算:油品蒸氣與空氣形成的爆炸性氣體混合物遇明火發生爆炸,爆炸時產生的壓力與容器類型和油品蒸氣的濃度有關。試驗證明體積均為283m³ 的不同類型油罐,發生爆炸時的壓力則不一樣,球形罐發生爆炸時壓力大于錐頂罐和滴狀罐(見下表)。
各種油罐爆炸的zui大壓力
名稱 | 罐內平時壓力(MPa) | 罐內zui大耐壓強度(MPa) | 爆炸蒸汽壓力(MPa) |
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,油罐的耐壓強度越大其爆炸壓力也就越大經對66號汽油在常溫 ( 11~ 13℃ ) 和常壓條件下進行的不同濃度爆炸壓力進行試驗,其結果(見下表和下圖)表明各種油罐爆炸的zui大壓力和油氣在不同濃度下所產生的zui大爆炸壓力均大于0. 2 MPa,呼吸閥作為油罐的安全附件,應等強度連接,因此呼吸閥水壓試驗壓力為 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 % | zui大爆炸壓力 MPa |
<1.35 | 不爆炸 |
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定。
濃度壓力爆炸曲線圖
根據丙烷在容器中爆炸的化學反應方程式,計算出丙烷在容器中爆炸可能產生的壓力。
丙烷化學反應方程式為: 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zui大壓力,MPa;
Tmax —爆炸后zui高溫度 (按下表選取 ), K
P0 —爆炸前壓力 (P0 = 0. 1M Pa);
T0 —爆炸前溫度 (T0 = 293 K)。
由反應式可知爆炸前氣體摩爾數 m = 24. 8, 氣體摩爾數 n = 25. 8。
不同物質爆炸后的zui高溫度
物質 | 燃燒溫度(℃) | 物質 | 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 |
由上面式中計算得到Pmax = 0. 8 MPa因此呼吸閥水壓試驗壓力為0. 9 M Pa是合理的。
4、試驗測定呼吸閥閥體承壓能力:
呼吸閥閥體承壓能力可通過試驗測出,即在呼吸閥負壓閥體中間位置貼上兩片應變片,然后向全天候呼吸閥內通入含有體積濃度 ( 4. 3 ±0. 215% )、初壓為 0. 1 MPa丙烷蒸氣混合氣進行zui少13次一組的爆炸試驗,這是因為混合氣體爆炸產生zui強的火焰傳播效應不一定產生zui大的爆炸力。試驗裝置見下圖。呼吸閥閥體承壓試驗圖:
分別測出13次爆炸閥體產生的線應變E1和環應變 E2,然后計算出閥體內的壓力。( 1)計算閥體壁厚根據GB-150) 98《鋼制壓力容器》中的規定,計算 DN200呼吸閥閥體承壓能力為0. 9 MPa時的閥體壁厚。
D= PDc /( 2[ R ] t U- p ) @ 1 /cos A
Dn = D+ C
式中 D —閥體計算厚度, mm;
P —設計壓力, M Pa;
Dc —錐殼大端內徑, mm;
[ R ] t—設計溫度下的許用應力, MPa;
U— 焊縫系數; 無量綱;
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。
由式上面公式計算阻火器殼體承壓能力為0.9MPa時的閥體壁厚為 Dn = 12 mm。
計算閥體呼吸閥閥體閥體爆炸后壓力:通過試驗測得呼吸閥爆炸后在閥體上的線應變和環應變,然后通過公式計算出呼吸閥閥體的承壓能力, 計算結果見如下表下圖:
試驗數據處理結果
序號 | 線應變(10-6mm) | 環應變(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 |
爆炸試驗數據圖:
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 = 320 mm;
E1 —應變, mm;
E2—環應變, mm。
通過試驗測定線應變 E1 和環應變 E2 可計算出一組壓強的數據,取13次平均值 52.75 M Pa為呼吸閥爆炸后的承壓能力。
通過對 DN200呼吸閥的結構特點及使用工況分析,并以 DN200閥為例進行計算和試驗分析, 計算和試驗數據的結果均大于0. 2 MPa,老標準 SY7510) 87《石油儲罐呼吸閥》關于呼吸閥閥體水壓試驗為 0. 9 MPa是合理的。