تحديد حجم صمامات أمان الضغط لأوعية الضغط المملوءة بالغاز في حالة الحريق

تحديد حجم صمامات أمان الضغط لأوعية الضغط المملوءة بالغاز في حالة الحريق

يؤدي التصنيف غير الصحيح لمساحة سطح الوعاء أثناء تحديد الحجم في حالة الحريق إلى مخاطر تشغيلية فورية. إذا تم تقييم وعاء مملوء بالغاز باستخدام منهجية المساحة المبللة، فسيتم تقدير مدخلات الحرارة المحسوبة بأقل من قيمتها الحقيقية. يؤدي هذا إلى صمام أمان ضغط (PSV) ذو حجم غير كافٍ. أثناء حريق البركة، ترتفع درجة حرارة جدار الوعاء بسرعة دون الاستفادة من تبريد السائل المتبخر. إذا لم تتمكن سعة التصريف من مضاهاة تمدد الغاز وضعف المعدن، فقد يتمزق الوعاء قبل أن يفتح الصمام بالكامل. وعلى العكس من ذلك، فإن المبالغة في تقدير المساحة غير المبللة تؤدي إلى صمامات ذات أحجام زائدة، مما يتسبب في هدر المشتريات ومشاكل استقرار محتملة أثناء أحداث التصريف الطفيفة. يجب على مهندسي العمليات التمييز بين الأسطح المبللة وغير المبللة لضمان مطابقة نظام التصريف لنمط الفشل الفيزيائي المحدد في API 521.

سياق المعايير والمتطلبات

الوثيقة الحاكمة الرئيسية لهذا الحساب هي API 521، بعنوان أنظمة تصريف الضغط وتخفيف الضغط. توضح الطبعة السابعة، المنشورة في يونيو 2020، منهجية تحديد امتصاص الحرارة أثناء التعرض للحريق. يفرق هذا المعيار بين الأوعية التي تحتوي على سائل وتلك التي تحتوي فقط على غاز أو بخار. بالنسبة لتحديد الحجم الميكانيكي للصمام نفسه، يرجع المهندسون إلى API 520، الذي يوفر الصيغ لتحويل مدخلات الحرارة إلى مساحة التصريف المطلوبة.

الامتثال لهذه المعايير ليس مجرد أمر تنظيمي؛ بل يعالج الحدود الفيزيائية لمادة الوعاء. تشير الأبحاث إلى أن التمزق يحدث عندما يتجاوز الإجهاد المطبق قوة الخضوع أو قوة الشد القصوى للمادة عند درجة الحرارة المرتفعة التي يتم الوصول إليها أثناء التعرض للحريق. لذلك، يجب أن يعكس حساب تحديد الحجم بدقة الحمل الحراري على جدار الوعاء.

المتن التقني: منهجية المساحة المبللة مقابل غير المبللة

يكمن التمييز الجوهري في تحديد الحجم لحالة الحريق في كيفية امتصاص جدار الوعاء للحرارة من حريق خارجي. تتغير المنهجية بناءً على مستوى السائل داخل الوعاء وقت وقوع الحادث.

ميكانيكا امتصاص الحرارة

عندما يكون الوعاء مبللاً، يغطي السائل السطح الداخلي للهيكل. أثناء الحريق، تنتقل الحرارة عبر الجدار المعدني إلى السائل. يمتص السائل هذه الطاقة كحرارة كامنة للتبخر. يحافظ تغيير الطور هذا على درجة حرارة الجدار المعدني منخفضة نسبياً، مما يحافظ على قوة الشد للفولاذ. تأخذ معادلة مدخلات الحرارة في API 521 ذلك في الاعتبار من خلال تطبيق معامل محدد على مساحة السطح المبللة.

عندما يكون الوعاء غير مبلل، مثل وعاء فصل الضاغط المملوء بالغاز أو وعاء التدفق، لا يوجد سائل لامتصاص الحرارة. يصطدم الحريق مباشرة بالمعدن. ترتفع درجة حرارة الجدار بسرعة، مما يقلل من قوة الخضوع للمادة. تتطلب منهجية API 521 نهج حساب مختلف للمساحات غير المبللة لمراعاة نقص التبريد. تكون مدخلات الحرارة بشكل عام أعلى لكل وحدة مساحة مقارنة بالأسطح المبللة لأن درجة حرارة المعدن لا تتقيد بنقطة غليان السائل.

تحديد المساحة المعرضة

يعد حساب مساحة السطح الصحيحة الخطوة الأكثر أهمية. بالنسبة للأوعية الرأسية، يتم حساب المساحة المبللة عادةً حتى ارتفاع معين من الأرض أو المنسوب، وغالباً ما تكون محدودة بارتفاع اللهب المحتمل. بالنسبة للأوعية غير المبللة، تساهم كامل مساحة السطح المعرضة في الحمل الحراري.

بالنسبة لحسابات حالة الحريق، تشمل المساحة السطحية الإجمالية المعرضة الهيكل والرؤوس المعرضة. إذا كان الوعاء مرتفعاً، فقد لا تتعرض المساحة الموجودة أسفل هيكل الدعم للحريق، اعتماداً على موقع مصدر الوقود. ومع ذلك، يفترض التصميم المتحفظ عادةً التعرض الكامل ما لم يخفف عزل الحريق المحدد أو الصرف من المخاطر.

عامل البيئة

تستخدم معادلة مدخلات الحرارة عامل بيئة، يشار إليه غالباً بـ F. بالنسبة للأوعية المكشوفة وغير المعزولة والمعرضة للحريق، يحدد API 521 القيمة F = 1.0. بالنسبة للأوعية المعزولة، يتم تقليل F بناءً على مادة العزل وتصنيف مقاومة الحريق، بشرط أن يظل العزل سليماً أثناء سيناريو الحريق. يجب على المهندسين التحقق من مواصفات العزل مقابل متطلبات API 521 قبل تطبيق معامل مخفض. بالنسبة للأوعية المعزولة، يقلل المعامل من مدخلات الحرارة، بشرط أن يكون العزل مقاوماً للحريق ويظل في مكانه أثناء الحريق. يجب على المهندسين التحقق من مواصفات العزل مقابل متطلبات API 521 لاعتماد هذا التخفيض. إذا لم يكن العزل مقاوماً للحريق، فيجب تحديد حجم الوعاء كوعاء مكشوف.

مثال توضيحي عملي: حساب المساحة

السيناريو التالي هو سيناريو توضيحي. يوضح الفرق الهندسي بين حسابات المساحة المبللة وغير المبللة لوعاء رأسي. جميع الأبعاد افتراضية لغرض توضيح الحسابات.

السيناريو: تم تركيب وعاء فاصل رأسي في منشأة إنتاج. يبلغ طول الوعاء من المماس إلى المماس $10$ أمتار وقطره $2$ متر. يرتفع قاع الوعاء $3$ أمتار فوق مستوى الأرض. مستوى السائل الطبيعي عند $50%$ من ارتفاع الوعاء.

الخطوة 1: حساب إجمالي مساحة السطح تشمل المساحة السطحية الخارجية الإجمالية ($A_{total}$) الغلاف الأسطواني والرأسين. $$A_{shell} = \pi \cdot D \cdot L$$ $$A_{shell} = \pi \cdot 2,\text{m} \cdot 10,\text{m} = 62.83,\text{m}^2$$

$$A_{heads} = 2 \cdot (1.22 \cdot 2^2,\text{m}^2) = 9.76,\text{m}^2$$ $$A_{total} = 62.83,\text{m}^2 + 9.76,\text{m}^2 = 72.59,\text{m}^2$$

الخطوة 2: تحديد المساحة المبللة في حالة الحريق التي تشمل وعاءً مملوءاً بالسائل، تقتصر المساحة المبللة على السطح الملامس للسائل وارتفاع الغلاف حتى حد اللهب. عادة ما يتم تقدير ارتفاع اللهب في سيناريو حريق البركة باستخدام ارتباطات تجريبية أو افتراضه بشكل متحفظ؛ لا تفرض API 521 ارتفاعاً ثابتاً. الممارسة الشائعة تفترض ارتفاعات لهب تتراوح بين 6–10 m اعتماداً على مصدر الوقود وموقع الوعاء، ولكن يجب تبرير القيمة المحددة في أساس التصميم. لهذا المثال، تم افتراض ارتفاع لهب قدره 7.6 m. قاع الوعاء عند $3$ أمتار. ارتفاع حد اللهب من القاع = $7.6,\text{m} - 3,\text{m} = 4.6,\text{m}$. طول الوعاء هو $10$ أمتار، لذا يغطي اللهب $4.6$ متر من الغلاف. $$A_{wetted_shell} = \pi \cdot 2,\text{m} \cdot 4.6,\text{m} = 28.90,\text{m}^2$$ أضف الرأس السفلي (مبلل بالكامل ومعرض): 1.22·(2)² = 4.88 m². $$A_{wetted} = 28.90,\text{m}^2 + 4.88,\text{m}^2 = 33.78,\text{m}^2$$

الخطوة 3: تحديد المساحة غير المبللة إذا كان الوعاء مملوءاً بالغاز (على سبيل المثال، وعاء تصريف أو جهاز تنقية ضاغط بدون سائل)، فإن السطح المعرض بالكامل يمتص الحرارة. $$A_{unwetted} = A_{total} = 72.59,\text{m}^2$$

الخطوة 4: مقارنة إمكانات مدخلات الحرارة

، مما يؤدي إلى فتحة صمام ذات حجم أصغر بكثير من المطلوب. يوضح هذا سبب أهمية تحديد حالة المائع أثناء سيناريو الحريق.

قائمة مراجعة عملية للمهندسين

استخدم قائمة المراجعة هذه أثناء مرحلة مراجعة التصميم أو التحقق من الصيانة لضمان الامتثال لمتطلبات السلامة.

• تحقق من مستوى التشغيل الطبيعي وأقصى مستوى سائل موثوق للوعاء.
• تأكد من ارتفاع الوعاء بالنسبة لمستوى مصدر الحريق المحتمل.
• افحص مواصفات العزل لتصنيفات مقاومة الحريق قبل تطبيق عوامل البيئة.
• تأكد من أن ضغط ضبط PSV يأخذ في الاعتبار الضغط المتراكم أثناء سيناريو الحريق.
• راجع اختيار مادة الصمام للتأكد من احتفاظها بقوتها عند درجات الحرارة المرتفعة.
• تحقق من أن أنابيب التفريغ يمكنها التعامل مع حجم الغاز المتمدد دون ضغط خلفي مفرط.
• تأكد من أن فلسفة العزل تسمح بالصيانة الآمنة لـ PSV دون المساس بنظام الحماية من الحريق.
• وثق افتراض الحالة المبللة مقابل غير المبللة في ملف أساس التصميم.

الخلاصة والخطوات التالية

يتطلب تحديد حجم صمامات أمان الضغط لحالات الحريق تقييماً دقيقاً لحالة تعرض الوعاء. التمييز بين المساحة المبللة وغير المبللة ليس تعديلاً طفيفاً؛ بل هو يغير حساب الحمل الحراري بشكل جذري. يجب على المهندسين تطبيق منهجية API 521 بشكل صحيح لمنع تمزق الوعاء بسبب ضعف المعدن.

للإجراء الفوري، راجع أساس التصميم لجميع الأوعية المملوءة بالغاز في وحدتك. تأكد من أن حسابات حجم PSV تعكس طريقة المساحة غير المبللة حيث لا يوجد مخزون سائل. تأكد من أن جميع التعديلات الميدانية تحافظ على سلامة نظام التنفيس.

ملحوظة سلامة: يجب أن تتبع أي إجراءات تتضمن فتح المعدات التي تحتوي على هيدروكربونات أو خفض ضغطها أو فحصها بروتوكولات سلامة صارمة. تأكد من العزل، وخفض الضغط، والتحقق من الطاقة الصفرية، و LOTO، واحتياطات المنطقة خطرة، والكشف عن الغاز، والتنفيس الآمن قبل بدء أي عمل بدني.