Расчет предохранительных клапанов для сосудов под давлением, заполненных газом, в условиях пожара
Неправильная классификация площади поверхности сосуда при расчете на случай пожара создает немедленный эксплуатационный риск. Если сосуд под давлением, заполненный газом, оценивается по методике смоченной поверхности, расчетный подвод тепла будет занижен. Это приводит к недостаточному размеру предохранительного клапана (PSV). При разливе горючего и пожаре температура стенки сосуда быстро растет без охлаждающего эффекта испаряющейся жидкости. Если пропускная способность сброса не соответствует расширению газа и ослаблению металла, сосуд может разорваться до того, как клапан откроется полностью. И наоборот, завышение площади несмоченной поверхности ведет к избыточному размеру клапанов, что влечет за собой нерациональные закупки и потенциальные проблемы со стабильностью при незначительных сбросах. Инженеры-технологи должны различать смоченные и несмоченные поверхности, чтобы система сброса соответствовала физическому режиму отказа, определенному в API 521.
Контекст стандартов и требований
Основным руководящим документом для данного расчета является API 521 под названием «Системы сброса давления и депрессуризации». Седьмое издание, опубликованное в июне 2020 года, излагает методику определения поглощения тепла при воздействии огня. Этот стандарт разграничивает сосуды, содержащие жидкость, и сосуды, содержащие только газ или пар. Для механического подбора размера самого клапана инженеры обращаются к API 520, который содержит формулы для преобразования подвода тепла в требуемую площадь сброса.
Соблюдение этих стандартов — это не просто нормативное требование; оно учитывает физические пределы материала сосуда. Исследования показывают, что разрыв происходит, когда приложенное напряжение превышает предел текучести или временное сопротивление материала при повышенной температуре, достигнутой во время пожара. Следовательно, расчет размера должен точно отражать тепловую нагрузку на стенку сосуда.
Техническая часть: Методология смоченной и несмоченной поверхности
Основное различие в расчете на случай пожара заключается в том, как стенка сосуда поглощает тепло от внешнего огня. Методология меняется в зависимости от уровня жидкости внутри сосуда в момент инцидента.
Механика поглощения тепла
Когда поверхность сосуда смочена, жидкость покрывает внутреннюю поверхность обечайки. Во время пожара тепло передается через металлическую стенку в жидкость. Жидкость поглощает эту энергию как скрытую теплоту парообразования. Этот фазовый переход поддерживает температуру металлической стенки на относительно низком уровне, сохраняя предел прочности стали. Уравнение подвода тепла в API 521 учитывает это путем применения специфического коэффициента к смоченной площади поверхности.
Когда поверхность сосуда не смочена, например, в заполненном газом сепараторе компрессора или ресивере, жидкость для поглощения тепла отсутствует. Огонь воздействует непосредственно на металл. Температура стенки быстро растет, снижая предел текучести материала. Методология API 521 требует иного подхода к расчету для несмоченных участков, чтобы учесть отсутствие охлаждения. Подвод тепла на единицу площади обычно выше по сравнению со смоченными поверхностями, так как температура металла не ограничена точкой кипения жидкости.
Определение площади воздействия
Расчет правильной площади поверхности является наиболее критическим этапом. Для вертикальных сосудов смоченная площадь обычно рассчитывается до определенной высоты от земли или уровня площадки, часто ограничиваемой потенциальной высотой пламени. Для несмоченных сосудов в тепловую нагрузку вносит вклад вся площадь поверхности, подвергающаяся воздействию.
Для расчетов на случай пожара общая площадь поверхности включает обечайку и открытые днища. Если сосуд приподнят, область ниже опорной конструкции может не подвергаться воздействию огня, в зависимости от расположения источника топлива. Однако консервативное проектирование обычно предполагает полное воздействие, если только специальная огнезащита или дренаж не снижают риск.
Фактор окружающей среды
В уравнении подвода тепла используется фактор окружающей среды, часто обозначаемый как F. Для голых, неизолированных сосудов, подвергающихся воздействию огня, API 521 устанавливает F = 1.0. Для изолированных сосудов F уменьшается в зависимости от материала изоляции и степени огнестойкости, при условии, что изоляция остается неповрежденной во время пожара. Инженеры должны проверить спецификацию изоляции на соответствие требованиям API 521 перед применением понижающего коэффициента. Для изолированных сосудов коэффициент снижает подвод тепла, если изоляция является огнестойкой и остается на месте во время пожара. Инженеры должны проверить спецификацию изоляции на соответствие требованиям API 521, чтобы учесть этот фактор. Если изоляция не является огнестойкой, размер сосуда должен рассчитываться как для голого.
Иллюстративный рабочий пример: Расчет площади
Следующий сценарий является иллюстративным. Он демонстрирует геометрическую разницу между расчетами смоченной и несмоченной площади для вертикального сосуда. Все размеры являются гипотетическими и приведены для демонстрации расчетов.
Сценарий: Вертикальный сепаратор установлен на производственном объекте. Сосуд имеет длину от касательной до касательной $10$ метров и диаметр $2$ метра. Днище сосуда поднято на $3$ метра над уровнем земли. Нормальный уровень жидкости находится на отметке $50%$ высоты сосуда.
Шаг 1: Расчет общей площади поверхности Общая площадь внешней поверхности ($A_{total}$) включает цилиндрическую обечайку и два днища. $$A_{shell} = \pi \cdot D \cdot L$$ $$A_{shell} = \pi \cdot 2,\text{m} \cdot 10,\text{m} = 62.83,\text{m}^2$$
$$A_{heads} = 2 \cdot (1.22 \cdot 2^2,\text{m}^2) = 9.76,\text{m}^2$$ $$A_{total} = 62.83,\text{m}^2 + 9.76,\text{m}^2 = 72.59,\text{m}^2$$
Шаг 2: Определение смоченной площади В случае пожара, затрагивающего сосуд, заполненный жидкостью, смоченная площадь ограничивается поверхностью, контактирующей с жидкостью, и высотой обечайки до предела пламени. Высота пламени в сценарии разлива топлива обычно оценивается с использованием эмпирических зависимостей или принимается консервативно; API 521 не устанавливает фиксированную высоту. Общепринятая практика предполагает высоту пламени 6–10 m в зависимости от источника топлива и расположения сосуда, но конкретное значение должно быть обосновано в проектных основах. Для данного примера принята высота пламени 7.6 m. Днище сосуда находится на отметке $3$ метра. Высота предела пламени от днища = $7.6,\text{m} - 3,\text{m} = 4.6,\text{m}$. Длина сосуда составляет $10$ метров, таким образом, пламя охватывает $4.6$ метра обечайки. $$A_{wetted_shell} = \pi \cdot 2,\text{m} \cdot 4.6,\text{m} = 28.90,\text{m}^2$$ Добавляем нижнее днище (полностью смоченное и подверженное воздействию): 1.22·(2)² = 4.88 m². $$A_{wetted} = 28.90,\text{m}^2 + 4.88,\text{m}^2 = 33.78,\text{m}^2$$
Шаг 3: Определение несмоченной площади Если сосуд заполнен газом (например, дренажный ресивер или скруббер компрессора без жидкости), тепло поглощает вся открытая поверхность. $$A_{unwetted} = A_{total} = 72.59,\text{m}^2$$
Шаг 4: Сравнение потенциала подвода тепла
, что приводит к значительному занижению размера проходного сечения клапана. Это демонстрирует, почему определение состояния среды во время сценария пожара является критически важным.
Практический чек-лист для инженеров
Используйте этот чек-лист на этапе анализа проекта или проверки технического обслуживания для обеспечения соответствия требованиям безопасности.
- Проверьте нормальный рабочий уровень и максимально возможный уровень жидкости для сосуда.
- Подтвердите высоту установки сосуда относительно уровня потенциального источника пожара.
- Проверьте спецификации изоляции на огнестойкость перед применением коэффициентов окружающей среды.
- Убедитесь, что давление настройки PSV учитывает накопленное давление во время сценария пожара.
- Проверьте выбор материала клапана, чтобы убедиться в сохранении прочности при повышенных температурах.
- Подтвердите, что сбросной трубопровод может пропустить расширенный объем газа без чрезмерного противодавления.
- Убедитесь, что концепция отсечения позволяет проводить безопасное техническое обслуживание PSV без ущерба для системы противопожарной защиты.
- Задокументируйте принятое решение о смоченном или несмоченном состоянии в файле проектных основ.
Заключение и следующие шаги
Расчет размеров предохранительных клапанов для случаев пожара требует строгой оценки условий воздействия на сосуд. Различие между смоченной и несмоченной площадью не является незначительной корректировкой; оно фундаментально меняет расчет тепловой нагрузки. Инженеры должны правильно применять методологию API 521, чтобы предотвратить разрыв сосуда вследствие ослабления металла.
В качестве немедленного действия просмотрите проектные основы для всех газонаполненных сосудов на вашей установке. Убедитесь, что расчеты размеров PSV отражают метод несмоченной площади там, где отсутствует запас жидкости. Убедитесь, что все модификации на объекте сохраняют целостность системы сброса давления.
Примечание по безопасности: Любая процедура, связанная со вскрытием, сбросом давления или осмотром оборудования, содержащего углеводороды, должна соответствовать строгим протоколам безопасности. Перед началом любых физических работ обеспечьте изоляцию, сброс давления, проверку отсутствия энергии, LOTO, меры предосторожности во взрывоопасная зона, обнаружение газа и безопасный дренаж.
