呼吸阀整体试验承压的分析说明

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*,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 Pa。1952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

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

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

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 D  —阀体计算厚度, mm;

P  —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

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;

E  —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,取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。