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石油儲罐是石油化工行業(yè)的重要設(shè)備,呼吸閥作為儲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,同時又對油罐安全起到保護

作用。由于呼吸閥的設(shè)計、生產(chǎn)的標準關(guān)系到油庫的安全,其中閥體的水壓試驗壓力又是重要的設(shè)計標準參數(shù)之一,

為此就 SY /T0511) 1996《石油儲罐呼吸閥》標準中規(guī)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(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標準SY /T0511) 1996《石油儲罐呼吸閥》中規(guī)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(guī)定呼吸閥閥體水壓試驗壓力為0. 9 MPa。關(guān)于呼吸閥閥體水壓試驗究

竟應(yīng)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(yīng)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(guī)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(guī)定

阻火器殼體進行0. 9 MPa的水壓試驗。結(jié)構(gòu)上兩種水壓試驗根本無法在同一閥體內(nèi)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?qū)崿F(xiàn)。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(fā)油作業(yè)或溫度變化必然引起呼吸閥的動作,當殘留在呼吸閥內(nèi)部的可燃氣體達到爆炸

濃度極限時,遇火星或明火就會引起爆炸。這種化學(xué)爆炸會產(chǎn)生較高的溫度,并使壓力劇增,具有較強的破壞性。爆炸

產(chǎn)生的最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

力大約為0.71 ~0.81MPa。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?jié)?/span>度

為9.5%、積聚區(qū)域300m2的大型爆炸試驗,爆炸測得峰值壓力為1.01MPa ,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉咏?/span>1000 m /s。可燃氣體

燃燒產(chǎn)生的熱使燃燒峰面前方的氣體受到壓縮,產(chǎn)生一個超前于燃燒鋒面的壓力波,該壓力波以當?shù)匾羲傧蚯皞?/span>播,行

進在燃燒峰面前稱為前驅(qū)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(chǎn)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(fā)生爆炸,爆炸時產(chǎn)生的壓力與容器類型和

油品蒸氣的濃度有關(guān)。試驗證明體積均為283m3 的不同類型油罐,發(fā)生爆炸時的壓力則不一樣,球形罐發(fā)生爆炸時壓

力大于錐頂罐和滴狀罐(見下表)。

各種油罐爆炸的最大壓力

名稱	罐內(nèi)平時壓力（MPa）	罐內(nèi)最大耐壓強度（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(jīng)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(jié)果(見下表和下圖)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 ％	最大爆炸壓力 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(jù)丙烷在容器中爆炸的化學(xué)反應(yīng)方程式,計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(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丙烷蒸氣混合氣進行最少13次一組的爆炸試驗,這是因為混

合氣體爆炸產(chǎn)生最強的火焰?zhèn)鞑バ?yīng)不一定產(chǎn)生最大的爆炸力。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(chǎn)生的線應(yīng)變E₁和環(huán)應(yīng)變 E₂,然后計算出閥體內(nèi)的壓力。( 1)計算閥體壁厚根據(jù)GB-150) 

98《鋼制壓力容器》中的規(guī)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(shè)計壓力, M Pa;

Dc —錐殼大端內(nèi)徑, mm;

[ R ] t—設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力, MPa;

U— 焊縫系數(shù); 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(yīng)變和環(huán)應(yīng)變,然后通過公式計

算出呼吸閥閥體的承壓能力, 計算結(jié)果見如下表下圖：

試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

序號	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。

通過試驗測定線應(yīng)變 E1 和環(huán)應(yīng)變 E2 可計算出一組壓強的數(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。通過對 DN200呼吸閥的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的果

均大于0.2 MPa,老標準 SY7510) 87《石油儲罐呼吸閥》關(guān)于呼吸閥閥體水壓試驗為 0.9 MPa是合理的。