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呼吸阀整体试验承压的分析说明

点击次数:504次 发布时间:2017-03-08

石油储罐是石油化工行业的重要设备,呼吸阀作为储罐上的安全附件受到重视。由于环境温度的变化,必然引起油罐气体空间内压发生变化,为此需要用呼吸阀来控制一定压力,以减少油罐小呼吸损耗。在收发油作业时呼吸阀也可以减少油罐的大呼吸损耗,因此在一定压力范围内,呼吸阀既能减少油料的蒸发损耗,同时又对油罐安全起到保护作用。由于呼吸阀的设计、生产的标准关系到油库的安全,其中阀体的水压试验压力又是重要的设计标准参数之一,为此就 SY /T0511) 1996《石油储罐呼吸阀》标准中规定的呼吸阀阀体水压试验压力为0.2 MPa进行论证,从而使其能够更好地服务于生产和满足石油化工安全的需要。

呼吸阀阀体水压试验标准SY /T0511) 1996《石油储罐呼吸阀》中规定呼吸阀阀体水压试验压力为0.2MPa,而老标准SY7510) 87《石油储罐呼吸阀》中规定呼吸阀阀体水压试验压力为0. 9 MPa。关于呼吸阀阀体水压试验究竟应该承受多大压力,一直存在争论。一种观点认为储罐仅能承受2MPa的压力,所以呼吸阀能承受0.2MPa就足够了;另一种观点认为,呼吸阀是油罐上的安全附件,0.2MPa满足不了爆炸所承受压力的需要,阀体水压试验压力应0. 9MPa

1、呼吸阀的分析压力试验的必要性:阻火呼吸阀阀体需分段进行两种压力试验,即按SY /T0511) 1996《石油储罐呼吸阀》标准中规定呼吸阀阀体进行.2MPa的水压试验和按SY /T0511) 1996《石油储罐阻火器》标准中规定阻火器壳体进行0. 9 MPa的水压试验。结构上两种水压试验根本无法在同一阀体内进行,这是因为在呼吸阀和阻火器交界处无法进行密封,只有在同一压力下进行的水压试验才能够实现。所以要保证阻火器和呼吸阀能同时正常使用, 阻火呼吸阀阀体必须进行0. 9 MPa水压试验。

2、爆炸压力分析:罐进行收发油作业或温度变化必然引起呼吸阀的动作,当残留在呼吸阀内部的可燃气体达到爆炸浓度极限时,遇火星或明火就会引起爆炸。这种化学爆炸会产生较高的温度,并使压力剧增,具有较强的破坏性。爆炸产生的zui大静压就是实验室中使用封闭球 体测定的定容爆炸压力10.1%的瓦斯空气混合气体测定得到的定容爆炸压力大约为0.71 ~0.81 M Pa1952年舒尔茨-容霍夫 ( Schu ltze-R honho f)在美国一个废弃矿井进行了两次瓦斯浓度为9. 5%、积聚区域300 m2的大型爆炸试验,爆炸测得峰值压力为1. 01 MPa ,火焰传播速度接近1000 m /s。可燃气体燃烧产生的热使燃烧峰面前方的气体受到压缩,产生一个超前于燃烧锋面的压力波,该压力波以当地音速向前传播,行进在燃烧峰面前称为前驱冲击波。压力波作用于未燃气体,使其温度升高,从而使火焰的燃烧速度进一步加快。层层产生的压力波 相互追赶并叠加,形成具有强烈破坏作用的冲击波。

3、爆炸压力与计算:油品蒸气与空气形成的爆炸性气体混合物遇明火发生爆炸,爆炸时产生的压力与容器类型和油品蒸气的浓度有关。试验证明体积均为283m³ 的不同类型油罐,发生爆炸时的压力则不一样,球形罐发生爆炸时压力大于锥顶罐和滴状罐(见下表)

各种油罐爆炸的zui大压力

名称

罐内平时压力(MPa

罐内zui大耐压强度(MPa

爆炸蒸汽压力(MPa

锥顶罐

0.315

0.014

0.733

滴状罐

0.420

0.733

球形罐

2.440

3.250

一般情况下,油罐的耐压强度越大其爆炸压力也就越大经对66号汽油在常温 ( 11~ 13 ) 和常压条件下进行的不同浓度爆炸压力进行试验,其结果(见下表和下图)表明各种油罐爆炸的zui大压力和油气在不同浓度下所产生的zui大爆炸压力均大于0. 2 MPa,呼吸阀作为油罐的安全附件,应等强度连接,因此呼吸阀水压试验压力为 0. 9 MPa是合理的。

油蒸气在不同浓度下的爆炸压力

汽油在空气中的浓度体积百分比

zui大爆炸压力 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:汽油浓度由红外线分析仪测定。

                      浓度压力爆炸曲线图

根据丙烷在容器中爆炸的化学反应方程式,计算出丙烷在容器中爆炸可能产生的压力。

丙烷化学反应方程式为: C3H8 + 5O2 + 18. 8N2 = 3CO2 + 4H2O+ 18. 8N2

爆炸后压力为: Pm ax = T max T0 # P0 # n m

式中 Pmax —爆炸后zui大压力,MPa;

Tmax —爆炸后zui高温度 (按下表选取 ), K

P0    —爆炸前压力 (P0 = 0. 1M Pa);

T0    —爆炸前温度 (T0 = 293 K)

由反应式可知爆炸前气体摩尔数 m = 24. 8, 气体摩尔数 n = 25. 8

不同物质爆炸后的zui高温度

物质

燃烧温度(℃)

物质

燃烧温度(℃)

甲醇

1100

丁烷

1982

乙醇

1180

天然气

2020

乙炔

2325

石油气

2120

乙烯

2102

原油

1100

丙烯

2065

汽油

1200

甲烷

1963

重油

1000

乙烷

1971

2130

丙烷

1977

煤气

1600~1850

由上面式中计算得到Pmax = 0. 8 MPa因此呼吸阀水压试验压力为0. 9 M Pa是合理的。

4、试验测定呼吸阀阀体承压能力:

呼吸阀阀体承压能力可通过试验测出,即在呼吸阀负压阀体中间位置贴上两片应变片,然后向全天候呼吸阀内通入含有体积浓度 ( 4. 3 ±0. 215% )、初压为 0. 1 MPa丙烷蒸气混合气进行zui少13次一组的爆炸试验,这是因为混合气体爆炸产生zui强的火焰传播效应不一定产生zui大的爆炸力。试验装置见下图。呼吸阀阀体承压试验图:

 

分别测出13次爆炸阀体产生的线应变E1和环应变 E2,然后计算出阀体内的压力。( 1)计算阀体壁厚根据GB-150) 98《钢制压力容器》中的规定,计算 DN200呼吸阀阀体承压能力为0. 9 MPa时的阀体壁厚。

D= PDc /( 2[ R ] t U- p ) @ 1 /cos A

Dn = D+ C

式中—阀体计算厚度, mm;

—设计压力, M Pa;

Dc —锥壳大端内径, mm;

[ R ] t—设计温度下的许用应力, MPa;

U 焊缝系数; 无量纲;  

A—锥壳半顶角;

Dn —阀体名义厚度, mm;

C—厚度附加量 (C = C 1 + C 2 ), mm;

C1 —厚度偏差, C1 = 2 mm, mm;

C2 腐蚀裕量, C2 = 1 mm, mm

由式上面公式计算阻火器壳体承压能力为0.9MPa时的阀体壁厚为 Dn = 12 mm

计算阀体呼吸阀阀体阀体爆炸后压力:通过试验测得呼吸阀爆炸后在阀体上的线应变和环应变,然后通过公式计算出呼吸阀阀体的承压能力, 计算结果见如下表下图:

试验数据处理结果

序号

线应变(10-6mm

环应变(10-6mm

压力(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

爆炸试验数据图:

RH = {E /( 1- L 2 ) }# (E1 + LE2 ) ( 4)

RH= PDz /2Dn               5

P = 2Dn # RH /Dz             6

式中 Dn—呼吸阀壁厚, Dn = 12 mm;

—弹性模量, E = 10. 29MPa;

L 泊松比, L= 0. 27;

D2 —阀直径, D 2 = 320 mm;

E1 —应变, mm;

E2—环应变, mm

通过试验测定线应变 E1 和环应变 E2 可计算出一组压强的数据,13次平均值 52.75 M Pa为呼吸阀爆炸后的承压能力。

通过对 DN200呼吸阀的结构特点及使用工况分析,并以 DN200阀为例进行计算和试验分析, 计算和试验数据的结果均大于0. 2 MPa,老标准 SY7510) 87《石油储罐呼吸阀》关于呼吸阀阀体水压试验为 0. 9 MPa是合理的。