QUÁ TRÌNH NỔ an toàn quá trình

Sóng áp suất lan truyền chậm khoảng 1ms (với hỗn hợp hydrocarbonkhông khí) Kéo dài từ vài milli giây đến vài giây Detonation: Sóng áp suất lan truyền với vận tốc siêu thanh, gần Mach 5, khoảng từ 15002700ms Kéo dài từ vài micro giây đến vài mili giây Explosion: Quá trình cháy xảy ra trong bồn chứa gây ra áp suất cao và lan truyền vào đường ống Ứng suất chu vi và dọc trục gâySóng áp suất lan truyền chậm khoảng 1ms (với hỗn hợp hydrocarbonkhông khí) Kéo dài từ vài milli giây đến vài giây Detonation: Sóng áp suất lan truyền với vận tốc siêu thanh, gần Mach 5, khoảng từ 15002700ms Kéo dài từ vài micro giây đến vài mili giây Explosion: Quá trình cháy xảy ra trong bồn chứa gây ra áp suất cao và lan truyền vào đường ống Ứng suất chu vi và dọc trục gâySóng áp suất lan truyền chậm khoảng 1ms (với hỗn hợp hydrocarbonkhông khí) Kéo dài từ vài milli giây đến vài giây Detonation: Sóng áp suất lan truyền với vận tốc siêu thanh, gần Mach 5, khoảng từ 15002700ms Kéo dài từ vài micro giây đến vài mili giây Explosion: Quá trình cháy xảy ra trong bồn chứa gây ra áp suất cao và lan truyền vào đường ống Ứng suất chu vi và dọc trục gây

Trang 1

QUÁ TRÌNH NỔ

Trang 2

• Explosion: là quá trình nổ tung của bồn chứa, bể chứa và đường ống

• Nổ: quá trình giải phóng năng lượng đột ngột

• Nghiên cứu quá trình nổ: xem xét tác động của:

• Vụ nổ xảy ra bên trong đường ống và bể chứa

• Vụ nổ xảy ra bên ngoài và tác động đến đường ống và bể chứa

Trang 3

Deflagration và Detonation

• Deflagration:

• Sóng áp suất lan truyền chậm khoảng 1m/s (với hỗn hợp hydrocarbon-không khí)

• Kéo dài từ vài milli giây đến vài giây

Trang 4

• Deflagration:

• Khi vùng cháy bắt đầu lan truyền trong khoảng 1m đầu tiên (vận tốc 0,6 đến 1m/s) nó

sẽ nén khí trong ống tạo áp suất đỉnh đến 300psi (20bar)

• Với đường ống dài, quá trình deflagration có thể chuyển thành Detonation, khi đó vận tốc lên đến 2000m/s và áp suất lên đến hang trăm bar

• Áp suất đỉnh tăng 500 lần so với áp suất ban đầu trong quá trình chuyển sang

Trang 5

• Quá trình chuyển từ Deflagration sang Detonation có tính chất:

• Xảy ra nhanh nếu áp suất ban đầu lớn kết hợp với bề mặt ống thô ráp

• Có mặt bộ phận ngăn cản dòng chảy (van, khe hẹp…)

• Ví dụ: lửa có áp suất 5,5psi và vận tốc lan truyền 150m/s trong đường ống

thẳn có thể tăng lên đến 240psi và 1100m/s khi đi qua khuỷu

• Đường kính ống càng nhỏ, áp suất ban đầu càng lớn thì quá trình chuyển càng nhanh

Trang 7

Các loại tải trọng động

• Mức độ nghiêm trọng của áp suất động lên hệ thống bồn chứa và

đường ống phụ thuộc vào khoảng thời gian của xung áp suất so sánh với chu kỳ tự nhiên của đường ống và bể chứa T=1/f với f là tần số tự nhiên)

• Tần số tự nhiên liên quan đến quá trình biến dạng động do xung áp suất

• Đối với hình trụ (ống hoặc vỏ bồn chứa) biến dạng điển hình có hai loại:

• Biến dạng dọc trục (dãn dọc trục)

• Biến dạng hướng kính (phồng hướng kính)

• Tại chỗ nối giữa thân và đầu bồn, biến dạng hướng ra làm oằn mối nối

Trang 8

• Tần số tự nhiên của biến dạng dọc trục của hình trụ hở (ống hoặc thân bồn)

Trang 9

• Tần số tự nhiên của biến dạng hướng kính của hình trụ hở (ống hoặc thân bồn)

Trang 10

• Tải trọng do áp suất của quá trình nổ có thể xảy ra theo 3 chế độ:

• Hầu như tĩnh (quasi-static)

- xung hình chữ nhật có biến dạng gấp đôi so với áp suất tĩnh

- xung hình tam giá có biến dạng gấp 1,5 lần so với áp suất tĩnh

Trang 11

- biến dạng nhỏ hơn so với áp suất tĩnh

- biến dạng phụ thuộc vào cường độ áp suất (diện tích của phần đường cong áp suất-thời gian) và thời gian tác động Do vậy xung chữ nhật tạo biến dạng lớn hơn xung tam giác

Trang 12

• So sánh giữa khoảng thời gian chịu áp suất động (Tl) và chu kỳ tự

nhiên (T) ta có:

• 0,4T<T l <40T: - tải trọng không thuộc dạng gần tĩnh, không thuộc dạng xung

mà thuộc về loại tải trọng động

• Khi ống hoặc bồn chứa chịu xung áp suất đầu tiên thường sẽ bị phồng hoặc/và dãn ra

• Nếu ống hoặc bồn chứa không bị nổ vỡ với xung áp suất đầu tiên nó

sẽ hồi phục và tiếp tục chịu các xung áp suất phản xạ yếu hơn gây

hiện tượng rung tác động đến độ bền mỏi của ống và bồn chứa

• Độ bền mỏi được xem xét trong trường hợp có các vụ nổ xảy ra lập đi lập lại Nếu chỉ là vụ nổ đơn, độ bền mỏi thường không được xét đến

Trang 13

Các tính chất động

• Khi mức biến dạng rất cao trong các vụ nổ, có sự tăng độ bền yield và

độ bền tới hạn và giảm độ cứng của vật liệu

• Hàm số biểu diễn sự phụ thuộc của độ bền yield và độ bền tới hạn

theo tốc độ biến dạng đối với thép hàm lượng carbon thấp ở nhiệt độ phòng khi tốc độ biến dạng nằm trong khoảng 1100s-1 như sau

Trang 14

Các tính chất động

• Hàm số tương tự:

và

với hợp kim nhôm

Lưu ý: không dùng các hàm số trên để xác định biến dạng tối đa do biến dạng tối đa xảy ra khi tốc độ biến dạng tiến đến không

Trang 15

Các giới hạn áp suất

• Áp suất nổ vỡ hình trụ dưới áp suất tĩnh hoặc gần tĩnh tính bởi:

Trang 16

Các giới hạn áp suất

• Áp suất gây vỡ hình trụ dưới áp suất gây ra do nổ detonation tính bởi:

Trang 17

Các tiêu chuẩn thiết kế

Tải trọng gần tĩnh

• Khi ứng suất uốn lớn đáng kể so với ứng suất kéo và uốn trong trường hợp ống hoặc bồn chứa bị biến dạng ta có thể xem là tải trọng tĩnh, khi

đó áp suất cần phải đạt giá trị:

• Có thể sử dụng công thức này để tính cho cả hai trường hợp biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Trang 18

• Phương pháp tiếp cận khác để phân tích ứng suất trong quá trình xảy

ra vụ nổ là áp dụng diễn tiến theo thời gian của xung áp suất tác dụng lên mô hình phần tử hữu hạn có tính đàn hồi hoặc tính dẻo

• Với phương pháp phần tử hữu hạn, có thể tính toán ứng suất, biến dạng Khi đó tiêu chuẩn chấp nhận sẽ phụ thuộc và yếu tố tính toán

và tiêu chuẩn ASME B&PV (Section III, Section VIII Division1, Division

2 và Division 3)

• Để áp dụng các quy luật thiết kế của ASME B&PV cần phải xác định

các đại lượng:

Trang 19

• Để áp dụng các quy luật thiết kế của ASME B&PV cần phải xác định các đại lượng:

 Cường độ ứng suất màng toàn bộ chủ yếu P m (ứng suất trung bình theo tiết diện ngang) ngoại trừ các vị trí mất liên tục hình học và tập trung ứng suất

 Cường độ ứng suất uốn chính P b (thay đổi ứng suất tuyến tính từ bề dày zero đến ½ bề dày đối tượng đang xét

 Cường độ ứng suất màng cục bộ P L (ứng suất trung bình tại các vị trí mất

tính liên tục hình học nhưng thay đổi từ từ về kích thước và hình dạng và

không bị tập trung ứng suất)

 Cường độ ứng suất gia tăng thứ cấp Q (ứng suất nơi mất liên tục hình học không tập trung ứng suất)

 Ứng suất đỉnh F (độ tăng ứng suất do tập trung ứng suất)

Trang 20

• Ở chế độ tĩnh hoặc gần tĩnh, các quy luật thiết kế của ASME B&PV

Section VII Division 2 dựa trên các tính toán ứng suất đàn hồi

• Các tính toán này phụ thuộc vào ứng suất cho phép Sm là hàm số phụ thuộc loại vật liệu và nhiệt độ (cho trong ASME Section VIII Division II Part D) như sau

Trang 21

Tải trọng gần tĩnh theo ASME Section

VIII Division 2

• Trường hợp phân tích đàn hồi:

kiểu đàn hồi bị giới hạn =70% ứng suất

tới hạn của vật liệu

sở bị giới hạn đến 105% ứng suất tới

hạn.

ứng suất tới hạn

Trang 22

VIII Division 2

• Trường hợp phân tích dẻo:

Sử dụng đường cong biến dạng-ứng

Trang 23

VIII Division 2

• Trường hợp phân tích phá giới hạn:

Vật liệu được mô hình hóa kiểu dẻo

đàn hồi hoàn hảo

Tải trọng áp dụng bị giới hạn đến

90% tải trọng phá hủy

Tải trọng phá hủy là tải trọng gây

biến dạng lớn

Trang 24

VIII Division 2

• Trường hợp phân tích phá hủy dẻo:

Tải trọng giới hạn là tải trọng làm

biến dạng gấp đôi tải trọng tại ứng

suất yield

Điều kiện trên được xác định khi

Trang 25

VIII Division 2

• Trường hợp phân tích độ không ổn

định dẻo:

Mô hình dẻo giả định biến dạng phát

triển liên tục tạo nên nhiều điểm nối

đến khi chế độ dẻo trở nên không ổn

định

Tải trọng giới hạn được định nghĩa

bằng 70% tải trọng không ổn định

Trang 26

Các tải trọng dạng xung

• Ở chế độ tải trọng xung khi thời gian xung nhỏ hơn nhiều so với chu

kỳ tự nhiên việc đánh giá cần dựa trên các biến dạng và ứng suất như chế độ tải trọng gần tĩnh

• Mức độ chính xác đòi hỏi cao hơn khi quan tâm đến tương tác giữa xung áp suất và cấu tử theo thời gian

• Các tiêu chuẩn chấp nhận nên dựa theo biến dạng dẻo trong cấu tử

so sánh với biến không ổn định dẻo của vật liệu

và

Trang 27

Nứt vỡ

• Phân tích khuyết tật dạng nứt vỡ cần phải thực hiện theo các quy luật thiết kế của ASME B&PV section III và section VIII

• Các khuyết tật nứt vỡ này có thể do quá trình chế tạo vật liệu ban

đầu, hoặc do quá trình gia công và xử lý vật liệu khi chế tạo đường

ống và bồn chứa, bể chứa

• Mức độ ổn định khuyết tật nứt vỡ của các bồn chứa bị khuyết tật khi chịu tác động của áp suất nổ do việc giảm độ cứng do bản chất động của áp suất tác động

Trang 28

Bảo vệ ngăn ngừa quá trình nổ

Nứt vỡ

• Quá trình nổ cần được ngăn ngừa và bảo vệ từ gian đoạn thiết kế

• Nếu không thế bảo vệ được, người thiết kế và chủ đầu tư phải chấp nhận các giải pháp giảm hậu quả vụ nổ, ví dụ sử dụng:

• thiết bị chặn lửa, chặn nổ kiểu detonation (API 2028, API 2210 UL)

• Van cô lập vụ nổ (Fike)

• Hệ thống khử (NFPA)

• Hệ thống xả nổ (NFPA)

• Đĩa nổ (ASME VIII)

Trang 29

Thiết bị chặn lửa, chặn nổ kiểu detonation (API 2028, API 2210 UL)

• Là thiết bị thụ động điển hình gồm các kênh bằng kim loại xoắn ruột

gà cho phép một khoảng dịch chuyển tự do của khí dưới điều kiện vận hành bình thường

• Trong trường hợp nổ, các kênh kim loại này đóng vai trò thiết bị trao đổi nhiệt và hấp thụ nhiệt sinh ra từ ngọn lửa

• Một số loại thiết bị chặn lửa có đệm kín bằng chất lỏng và vách ngăn

• Lựa chọn thiết bị ngọn lửa phải:

• Thích hợp

• Kích thước phù hợp lưu chất

• Phù hợp với áp suất và loại nổ (deflagration hay detonation)

Trang 30

Van cô lập vụ nổ (Fike)

• Phát hiện vụ nổ bằng các cảm ứng áp suất gắn trên bồn chứa, ống hay

bể chứa

• Cảm ứng áp suất sẽ kích hoạt nguồn ni tơ áp suất cao để đóng van cô lập trong thời gian rất ngắn (mili giây)

Trang 31

Hệ thống khử (NFPA)

• Gần giống với hệ thống chống lửa

• Cảm ứng phát hiện áp suất bùng nổ deflagration và gửi tín hiệu để phun Halon hay chất chống cháy hóa học dạng bột qua các vòi vào trong hệ thống

Trang 32

Hệ thống xả nổ (NFPA)

• Có các lỗ mở cho phép khí sinh ra trong quá trình nổ thoát ra

• Thường được sử dụng để xả khí trong các vụ nổ deflagration trong các bồn chứa áp suất thường và có lỗ mở lớn Diện tích xả tính bởi:

Trang 33

Đĩa nổ (ASME VIII)

• Có thể xả thông khí các vụ nổ deflagration và detonation

• Là loại thiết bị không thể đóng lại sau khi xả tại áp suất xác định

• Có sẵn trên thị trường với khoảng rộng kích thước và áp suất

• Loại đĩa nổ phẳng dễ bị hiện tượng mỏi nên được thay bằng loại vòm

áp suất tác động phía mặt lõm

• Hiện nay sử dụng đĩa vòm áp suất tác động phía mặt lồi

• Cần thường xuyên kiểm tra tình trạng bị ăn mòn của đĩa nổ

Trang 34

Đĩa nổ (ASME VIII)

• Có thể xả thông khí các vụ nổ deflagration và detonation

• Là loại thiết bị không thể đóng lại sau khi xả tại áp suất xác định

• Có sẵn trên thị trường với khoảng rộng kích thước và áp suất

• Loại đĩa nổ phẳng dễ bị hiện tượng mỏi nên được thay bằng loại vòm

áp suất tác động phía mặt lõm

• Hiện nay sử dụng đĩa vòm áp suất tác động phía mặt lồi

• Cần thường xuyên kiểm tra tình trạng bị ăn mòn của đĩa nổ

Trang 35

Quá trình nổ bên ngoài

• Đánh giá tác động của các vụ nổ bên ngoài lên đường ống có thể áp dụng tương tự như với các công trình kiến trúc và nhà cửa

• Bước 1: so sánh thời gian xung áp suất (TI) với chu kỳ uốn ngang tự nhiên (T) của hệ thống ống

• Ở chế độ gần tĩnh (T I >40T)

Trang 36

• Gia tốc ngang tác động lên ống gây ra biến dạng, moment uốn và ứng suất có thể tính toán được

• Ở chế độ xung (T I <0.4T) biến dạng ngang tính toán bởi

Trang 37

• Xung áp suất phản xạ lên thành, nếu thành ống hoặc bồn gắn các bộ phận

khác, ứng suất sẽ chuyển từ ứng suất nén trước đó sang ứng suất kéo khi chịu xung áp suất phản xạ và làm cho các bộ phận này dễ hư hỏng hơn

Trang 38

Áp suất tác động lên đường ống có thể tính toán được bởi

Trang 39

Trang 40

Sóng tự do được phản xạ trên bề mặt bất kỳ ví dụ lên ống hoặc giá đỡ ống sẽ gây áp suất tổng Pr (kPa) và áp suất dư cố định Ps có thể tính toán được bởi

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	555,96 KB