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

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

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

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

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。