АВАРИЙНЫЙ КЛАПАН РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Предлагаемое изобретение относится к устройствам защиты резервуаров для нефти и нефтепродуктов от аварийного воздействия внутреннего избыточного давления при взрыве или пожаре.
Известные устройства для безопасного (без разрушения корпуса резервуара) сброса внутреннего избыточного давления предусматривают создание «слабого узла» соединения настила стационарной крыши со стенкой резервуара или установку аварийных клапанов, (см. ГОСТ 31385-2008, «Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов», приложение B.4).
«Слабый узел» соединения настила крыши со стенкой должен обеспечивать частичный или полный отрыв настила крыши от стенки резервуара и быстрый сброс избыточного давления, предотвращая разрушение стенки и узла крепления стенки с днищем, а также разлив продукта за пределы резервуара.
Однако такой сценарий защиты предполагает разрушение настила крыши и, соответственно, всех находящихся на крыше элементов оборудования, площадок обслуживания, ограждений и пр.
Более целесообразным, а в ряде случаев единственно возможным, является установка на стационарной крыше аварийного клапана, который обеспечивает сброс избыточного давления без разрушения настила крыши.
Вместе с тем, проектирование аварийного клапана имеет ряд принципиальных отличий, делающих невозможным выполнение его конструкции на базе модернизации стандартных дыхательных клапанов давления, устанавливаемых на стационарных крышах резервуаров для обеспечения нормальной эксплуатации.
3
3
3
3
Эти особенности связаны со следующими факторами: Во-первых, в отличие от традиционных клапанов давления, имеющих максимальную производительность 3000 м/час при диаметре клапана 0,5 м (см., например, дыхательный клапан типа КДС-3000/500 http://www.ngm-group.ru/oborud/kds3000/), аварийный клапан должен обеспечивать пропускную способность по воздуху не менее 20000 м/час, (см. стандарт API-2000 «Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks», Table 7, а также стандарт СТО-СА-03-002-2009 «Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов», табл.13.1.). Тем не менее, отечественные производители аварийных клапанов заявляют их пропускную способность до 30000 м/час при проходном диаметре клапана 500 мм (см., например, каталог ЗАО «Нефтегазмаш» http://www.ngm-group.ru/oborud/ka_tornado/ или НПО «Санеф» http://nposanef.ru/catalog/klapany-avariynye/klapany-avariynye-berkut.html). Однако самый элементарный расчет показывает, что при прохождении 30000 мгазо-воздушной смеси через отверстие диаметром 0,5 м скорость воздушного потока составляет:
,
что эквивалентно скорости урагана, вызывающего не только механические разрушения, но и воспламенение газо-воздушного потока за счет эффекта электризации.
2
Очевидно, что режим работы аварийного клапана не должен отличаться от работы стандартного клапана при прохождении через него газового потока со скоростью не более 5 м/сек. Исходя из этого условия может быть определен минимальный диаметр аварийного клапана, составляющий 1,5 м с площадью пропускного отверстия 1,8 м.
a
a
2
В соответствии с п.13.4.6 СТО-СА-03-002-2009 установочное значение срабатывания аварийных клапанов p должно составлять p=1,4∗p, где p - рабочее давление в резервуаре (обычно 200 кг/м).
В результате имеем подъемную силу, действующую на крышку клапана, равную 1,4×200×1,8=504 кг.
Таким образом, если выполнить аварийный клапан стандартным образом с подъемной крышкой, (как это, например, описано в API 2000 и в вышеуказанных каталогах ЗАО «Нефтегазмаш» и НПО «Санеф»), то масса крышки должна составлять не менее 500 кг, что является техническим абсурдом.
a
Из вышеприведенных рассуждений следует, что в качестве аварийного клапана должна применяться тонкостенная (легкая) мембрана, моментально разрушающаяся (отрывающаяся от фланца) при расчетном давлении p, при этом полностью открывая пропускное сечение клапана.
Известен ближайшее аналогичное устройство - аварийный клапан, состоящий из плоского фланца и соединенного с плоским фланцем разрывного диска (см. например, патент US 7870865 B2; МПК F16K 17/16, F16K 17/40; дата публикации 18.01.2011). Разрывной диск состоит из центральной сферической части и переходного усеченного конуса, образующих мембрану переменной кривизны.
Ближайший аналог предполагает использование материала, преимущественно металла, толщиной от 0,05 до 0,25 мм. Диаметр устройства может изменяться от 20 до 260 мм при расчетном давлении срабатывания от 14 кПа до 690 кПа.
Очевидно, что такие параметры устройства не отвечают расчетным параметрам аварийного клапана, приведенным выше:
- давление срабатывания в диапазоне от 3 кПа до 5 кПа;
- диаметр мембраны - не менее 1,5 м.
Кроме того, известная конструкция клапана работает только в одном направлении - на внутреннее давление, а для нефтяных резервуаров зачастую необходимым является наличие аварийного устройства для работы не только на внутреннее давление, но и на вакуум.
Недостатками ближайшего аналога являются невысокая величина давлении срабатывания и только срабатывание от повышенного давления внутри резервуара.
Задачей настоящего изобретения является создание аварийного клапана с разрывным диском минимальным диаметром около 1,5 м, рассчитанным на срабатывание при внутреннем давлении от 3,0 кПа до 5 кПа и вакууме от 1 кПа до 3 кПа.
Технический результат заключается в обеспечении разрушения разрывного диска аварийного клапана резервуара для нефти и нефтепродуктов при заданных значениях давления внутри резервуара как высоких, так и низких.
Сущность технического решения заключается в том, что аварийный клапан резервуара для нефти и нефтепродуктов состоит из плоского фланца и соединенного с фланцем разрывного диска, включающего центральную часть и усеченный конус, и отличающийся от ближайшего аналога тем, что центральная часть состоит из плоской крышки с конической отбортовкой, соединенной с усеченным конусом ниже уровня плоской крышки, в то время как верхняя кромка усеченного конуса соединена с плоским фланцем выше уровня плоской крышки.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где показано:
на фиг.1 - общий вид аварийного клапана в плане;
на фиг.2 - поперечный разрез аварийного клапана по сечению A-A на фиг.1;
на фиг.3 - узел I по фиг.2;
на фиг.4 - силовая схема работы аварийного клапана;
на фиг.5 - распределение изгибающих моментов в аварийном клапане при работе на внутреннее давление p и на вакуум v.
Аварийный клапан резервуара для нефти и нефтепродуктов состоит из плоского фланца 6 и соединенного с фланцем разрывного диска, включающего центральную часть и усеченный конус 7. Центральная часть состоит из плоской мембраны 8 с конической отбортовкой 9, соединенной с усеченным конусом 7 ниже уровня плоской мембраны 8, в то время как верхняя кромка усеченного конуса 7 соединена с плоским фланцем 6 выше уровня плоской мембраны 8 (фиг.1, 2, 3).
Плоский фланец 6 имеет конический срез в месте крепления к нему усеченного конуса 7 (фиг.3).
Аварийный клапан резервуара для нефти и нефтепродуктов устанавливается на стационарной крыше резервуара 1 на монтажном патрубке 2, включающем усиливающий «воротник» 3, обечайку 4 и горизонтальный фланец 5 (фиг.1, 2).
Для установки аварийного клапана в проектное положение на монтажный патрубок 2 аварийный клапан снабжен строповочными петлями 10. Плоская мембрана 8 прикреплена цепью (или тросом) 11 к усиливающему «воротнику» 3 (фиг.1, 2).
p
v
Соединение усеченного конуса 7 осуществлено ослабленными сварными угловыми швами k и k соответственно (фиг.3). Выполнение отбортовки плоской мембраны 8 выполняется методом штамповки (без сварки).
Работа клапана осуществляется следующим образом.
Воздействие внутреннего давления p на плоскую мембрану 8 вызывает ее подъем ее, сопровождаемый возникновением значительных (несколько тонн на погонный метр) продольных сил, создающих дополнительные изгибающие моменты в местах соединений усеченного конуса 7 с конической отбортовкой 9 и с плоским фланцем 6.
Максимальный момент разрыва возникает в сварном шве, расположенном в месте соединения усеченного конуса 7 с плоским фланцем 6, где и происходит разрыв клапана.
При воздействии внутреннего вакуума резервуара на плоскую мембрану 8, возникает опускание ее центра, в результате чего возникает горизонтальная сила, создающая дополнительные изгибающие моменты в местах соединений усеченного конуса 7 с конической отбортовкой 9 и с плоским фланцем 6.
Максимальный момент разрыва возникает в месте соединения усеченного конуса 7 с конической отбортовкой 9, где и происходит разрыв клапана.
Вышеуказанное пояснено изображениями на фиг.4 и 5, на которых использованы следующие обозначения.
v - воздействие вакуума;
N - продольная сила;
A - точка сварного шва соединения усеченного конуса 7 с плоским фланцем 6;
B - точка сварного шва соединения усеченного конуса 7 с отбортовкой 9;
E - точка в центре плоской мембраны 8;
OA
М - изгибающий момент в точке A;
OB
М - изгибающий момент в точке B;
A
М - результирующий момент в точке A;
B
М - результирующий момент в точке B;
p - давление на плоскую мембрану 8;
A
B
Воздействие давления p на плоскую мембрану 8 вызывает ее подъем, сопровождаемый возникновением значительных (несколько тонн на погонный метр) продольных сил N, создающих дополнительные изгибающие моменты в точках A и B (фиг.4, 5). Результирующие моменты М, М в этих точках определяются следующими формулами:
AP
A0
p
BP
B0
Р
М=М+N·e, М=М-N·е,
A0
B0
где М и М - изгибающие моменты в точках A и B для плоской круглой пластины того же диаметра и толщины.
Воздействие вакуума V на плоскую мембрану 8 также вызывает возникновение дополнительных изгибающих моментов в точках A и B. Результирующие моменты в этих точках определяются следующими формулами:
AV
A0
p
BV
B0
P
М=-М+N·е, М=-М-N·e.
p
v
На фиг.5а представлена характерная эпюра изгибающих моментов для плоской мембраны (e=e=0) при действии избыточного давления.
p
v
На фиг.5b, с показаны аналогичные эпюры для описанного выше аварийного клапана (e≠0, e≠0) при действии избыточного давления и вакуума соответственно. Расчеты выполнялись в геометрически нелинейной постановке с применением вычислительного комплекса ANSYS. Установлено, что при определенных значениях геометрических параметров изгибающий момент в точке A от действия давления превосходит максимальный момент в жестко заделанном контуре плоской мембраны 8 примерно на 80%. В то же время, изгибающий момент в точке B от действия вакуума превосходит эту же величину примерно на 50%.
p
v
Таким образом, наличие в точках A и B ослабленных угловых сварных швов обеспечивает их разрушение при назначении катетов этих швов k и k(фиг.3) в соответствии с требованиями СП 16.13330.2011 (Актуализированная редакция СНиП II-23-81∗ «Стальные конструкции»).