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石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析
石油儲罐是石油化工行業(yè)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(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。由于呼吸閥的設計、生產(chǎn)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(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。
呼吸閥是固定在儲罐頂上的通風裝置，以保證罐內(nèi)壓力的正常狀態(tài)，防止罐內(nèi)超壓或真空使儲罐遭受損壞，也可減少罐內(nèi)液體、油品蒸發(fā)損耗。根據(jù)中國《石油化工設計防火規(guī)范》(GB50160-92)的規(guī)定：“甲、乙類液體的固定頂罐，應設阻火器和呼吸閥"。
2. 石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析作用:
呼吸閥是保證儲罐正常呼吸的一種安全裝置，它不僅能維持儲罐氣壓平衡，確保儲罐在超壓或真空時免遭破壞，且能最大限度減少罐內(nèi)介質(zhì)的排放，減少環(huán)境污染。
3. 石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析工作原理:
當容器承受正壓時，呼吸閥打開呼出氣體泄放正壓;當容器承受 負壓時，防火呼吸閥打開吸入氣體泄放負壓。由此保證壓力在一 定范圍內(nèi)，保證容器安全。防火呼吸閥不僅能維持儲罐氣壓平衡 確保儲罐在超壓或真空時破壞，且能減少罐內(nèi)介質(zhì)和損耗。防爆 阻火呼吸閥，一種是達到一定壓力時，進行呼或吸。另一種是設 計成純粹只呼不吸。可以理解為用兩個適當壓力的單向閥代替。 防爆阻火呼吸閥不僅能維持儲罐氣壓平衡，確保儲罐在超壓或真 空時破壞，且能減少罐內(nèi)介質(zhì)和損耗。防爆阻火呼吸閥集阻火器 與呼吸閥為一體，其新穎的結構為創(chuàng)。它是石化儲罐 的新型安全設備，其是阻火呼吸性能好，重量輕，維修 方便。
3.1當儲罐內(nèi)壓力與大氣壓力平衡時，呼吸閥呼出閥瓣與呼出口閥座產(chǎn)密配合，吸入閥瓣與吸入口閥座產(chǎn)密配合。
3.2 當儲罐內(nèi)壓力超過大氣壓力值時，罐內(nèi)高壓直接作用于呼出口閥瓣下方，并克服閥瓣重力以及作用于閥瓣上的外氣壓力，從而打開呼出閥瓣由通道排出罐內(nèi)過高氣壓，使罐壓力與大氣壓力保持平衡。
3.3 當儲罐內(nèi)壓力低于大氣壓力值時(即產(chǎn)生過低負壓)，大氣壓通過吸氣通道進入并直接作用于吸入口閥瓣下方,并克服閥瓣重力以及作用于閥瓣上方的罐內(nèi)壓力，從而打開吸入口閥瓣向儲罐內(nèi)補充壓力，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。
4.石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析的工作原理
呼吸閥工作原理是用彈簧限位閥板,由正負壓力決定或呼或吸.呼吸閥應該具有泄放正壓和負壓兩方面功能，具體:當容器承受正壓時，呼吸閥打開呼出氣體泄放正壓；當容器承受負壓時，呼吸閥打開吸入氣體泄放負壓。由此保證壓力在一定范圍內(nèi)，保證容器安全。
一種是達到一定壓力時,進行呼或吸。另一種是設計成純粹只呼不吸.可以理解為用兩個適當壓力的單向閥代替。
呼吸閥不僅能維持儲罐氣壓平衡，確保儲罐在超壓或真空時破壞，且能減少罐內(nèi)介質(zhì)和損耗。
5.石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析各種呼吸閥的工作原理:
呼吸閥在蒸汽加熱系統(tǒng)中起到阻汽排水作用，選擇合適的呼吸閥，可使蒸汽加熱設備達到最高工作效率。要想達到的效果，就要對各種類型呼吸閥的工作性能、特點進行全面的了解。
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。結構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實現(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,遇火星或明火就會引起爆炸。這種化學爆炸會產(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)舛葹?.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?000 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(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。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等強度連接因此呼吸閥水壓試驗壓力為 0. 9 MPa是合理的。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析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反應方程式,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)。
由反應式可知爆炸前氣體摩爾數(shù) m = 24. 8, 氣體摩爾數(shù) n = 25. 8。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析不同物質(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、石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析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(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)生的火焰?zhèn)鞑バ灰欢óa(chǎn)生最大的爆炸力。試驗裝置見下圖。
阻火呼吸閥是安裝在固定頂罐上的通風裝置，減少油品蒸發(fā)損耗 控制儲罐壓力作用。具有通風量大，泄漏量小，耐腐蝕，防凍性 能好。它能對石油儲罐內(nèi)外壓著進行自動調(diào)節(jié)等特點。
阻火呼吸閥的閥體能承受0.2 M pa的水壓，無滲透和變形現(xiàn)象。呼 吸閥耐低溫性能在空氣相對濕度大于70%，溫度為-30℃時， 經(jīng)過24小時的冷凍后，其閥盤開啟壓力符合工作壓力要求，(允許 壓差正負20pa)o G丁Q型通氣管的閥盤部件動作時，靈敏度高，動 作完成后，保證密封。呼吸閥閥內(nèi)留有足夠的空間，保證儲罐的 通氣量。呼吸閥沒達到工作壓力以前:公稱通徑'150mm，其泄 漏量≤0.04m3/h;公稱通徑≥220mm，其泄漏量≤0.4m3/h;當呼吸 閥達到了工作壓力以后:閥盤立即開啟，保證儲罐正常的通氣要求。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析主要技術參數(shù)
操作壓力(Operating pressure):
A型:+355Pa(+36mmH20)、-295Pa(-30mmH20)
B型:+980Pa(+100mmH20)、-295 Pa(-30mmH20)
C型:+1750Pa(+180 m m H 20)、-295 Pa(-30mm H20)
D型:特殊壓力，用戶。
阻火層材質(zhì)(Fire barrier material):304不銹鋼。
防爆級別(Explosion proof grade):BS 5501;IIA, IIB, IICo
法蘭標準(Flange standard):GB, HG, SH, HGJ, JB, ANSL,
JIS等標準。(用戶，請注明壓力等級)制造、檢測 標準:按(石油儲罐呼吸閥)SY7511-87,(石油儲罐阻火器阻火性 能和試驗方法(GB5908-86等標準進行制造和驗收，或用戶標準。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析主要特點
阻火呼吸閥在系統(tǒng)中起安全保護作用。阻火呼吸閥在蒸汽加熱系 統(tǒng)中起到阻汽排水作用，選擇合適的呼吸閥，可使蒸汽加熱設備 達到最高工作效率。阻火呼吸閥工作原理是用彈簧限位閥板，由 正負壓力決定或呼或吸。呼吸閥應該具有泄放正壓和負壓兩方面 功能。
分別測出13次爆炸閥體產(chǎn)生的線應變E1和環(huán)應變 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 —設計壓力, M Pa;
Dc —錐殼大端內(nèi)徑, mm;
[ R ] t—設計溫度下的許用應力, 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變和環(huán)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：
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析試驗數(shù)據(jù)處理結果
| 序號 | 線應變（10-6mm） | 環(huán)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 |
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析爆炸試驗數(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 —應變, mm;
E2—環(huán)應變, mm。
通過試驗測定線應變 E1 和環(huán)應變 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(shù)據(jù)的果均大于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。
呼吸閥是維護儲罐氣壓平衡，減少介質(zhì)揮發(fā)的安全節(jié)能產(chǎn)品，呼吸閥充分利用儲罐本身的承壓能力來減少介質(zhì)排放，其原理是利用正負壓閥盤的重量來控制儲罐的排氣正壓和吸氣負壓；當往罐外抽出介質(zhì)，使罐內(nèi)上部氣體空間的壓力下降，達到呼吸閥的操作負壓時，罐外的大氣將頂開呼吸閥的負壓閥盤頂開，使外界氣體進入罐內(nèi)，使罐內(nèi)的壓力不再繼續(xù)下降，讓罐內(nèi)與罐外的氣壓平衡，來保護儲罐的安全裝置。
我公司生產(chǎn)的呼吸閥，具有結構緊湊，通氣量大，泄漏量小，耐 腐蝕，密封性能好等特點，最近又開發(fā)具有水準的防暴 阻火呼吸閥(日XF-IZ型)，阻火器位于呼吸閥吸入口處，杜 絕火源進入呼吸閥殼體內(nèi);具有體積小，重量輕，檢修;清洗 更換方便等優(yōu)點。閥盤采用聚四氟乙烯材料，具有耐低溫，防凍 等優(yōu)點。閥內(nèi)設靜電輸出裝置，使得該閥時刻與罐體保持等電位。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析維護保養(yǎng)方法
1、存放:呼吸閥產(chǎn)品在運達工地后，若暫時不安裝或以后工廠大 修、檢修，應存放在有防雨設施的倉庫中:呼吸閥系列產(chǎn)品在 運輸時不得倒置。
2、維護:a、呼吸閥系列產(chǎn)品，應每月上罐頂檢查一次，檢查閥盤、 閥座、閥桿、閥套等部位是否有灰塵、污垢，若有，應清理干凈。
3、每半年應檢查阻火器呼吸閥的阻火層一次，若發(fā)現(xiàn)有污漬、雜 質(zhì)堵塞阻火層，應取下阻火層，用相對應的溶劑清楚污漬，然 后用清水將阻火層清洗干凈，放在通風吹干后再放入殼體內(nèi)。
4、以上產(chǎn)品殼體內(nèi)外表面的油漆應每年涂刷一遍。
5、為了呼吸閥使用安全，應在3-6個月內(nèi)定期將波紋阻火層拆下 清洗干凈，保證阻火層上每個孔暢通，防止堵塞，確保安全正 常使用。定期檢查通風氣正、負閥盤動作是否靈活，導桿及閥 盤接觸密封面有無損壞，如有損壞應立即調(diào)換。在檢查維護重 新安裝時，應保證閥內(nèi)各結合面嚴密配合，閥盤升降靈活。新 閥啟用時，應安裝前清除閥盤間的防震物，否則呼吸閥將失靈。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析安裝步驟
1、呼吸閥應安裝在儲罐氣源的最高點，以降低物料蒸發(fā)損耗和以 便順利地提供通向呼吸閥最直接和最大的通道。通常對于立式 罐，呼吸閥應盡量安裝在罐頂中央頂板范圍內(nèi)，對于罐頂需設 隔熱層的儲罐、可安裝在梯子平臺附近;
2、當需要安裝兩個呼吸閥時，它們與罐頂中心應對稱布置;
3、若呼吸閥用在氮封罐上，則氮氣供氣管的接管位置應遠離呼吸 閥接口，并由罐頂部插入儲罐內(nèi)約200mm，這樣氮氣進罐 后不直接排出，達到氮封的目的。
石油儲罐阻火呼吸閥閥體承壓計算分析的安裝
1.拆除包裝，閱讀產(chǎn)品說明這點到關重要。
2.吊裝呼吸閥時，應選用適當?shù)钠鸬豕ぞ撸悦鈸p傷呼閥閥盤保護帽。
3.檢查罐或水箱上的管法蘭的同軸度和垂直度，這對壓力真空泄放閥（呼吸閥）的正常使用到關重要。
4.檢查罐或水箱上的管法蘭的水線表面。它須是干凈的，沒有劃傷，腐蝕，工具痕跡，并且平坦。
5.拆下法蘭端口保護蓋和其它包裝材料。
6.檢查墊片;確保該材料是適合于應用。
7.使用螺栓圓把墊圈置于中心。
根據(jù)國家標準《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》(GB50160-90) 之規(guī)定，'甲、乙類液體的固定頂罐;應用阻火器和呼吸閥。可 見呼吸閥、阻火器是儲罐的安全設施，它不僅能維持儲 罐氣壓平衡，確保儲罐在超壓或真空時免遭破壞，且能減少罐內(nèi) 介質(zhì)的揮發(fā)和損耗，呼吸閥是維護儲罐氣壓平衡，減少介質(zhì)揮發(fā) 的安全節(jié)能產(chǎn)品，常與阻火器配套使用。
