《压力容器与管道安全评价 教学课件 ppt 作者 杨启明 4.3 压力容器的泄漏源及》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压力容器与管道安全评价 教学课件 ppt 作者 杨启明 4.3 压力容器的泄漏源及（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三节 压力容器的泄漏源及扩散 模式,研究原因： 化工、石油化工火灾爆炸、人员中毒事故很多是由于物料的泄漏引起。原因可能是腐蚀、设计缺陷、材质选择不当、机械穿孔、密封不良以及人为操作失误等。,目的：充分准确地判断泄漏量的大小，掌握泄漏后有毒有害、易燃易爆物料的扩散范围，对明确现场救援与实施现场控制处理非常重要。 危害程度：因泄漏而导致事故的危害很大程度上取决于有毒有害、易燃易爆物料的泄漏速度和泄漏量,涉及的基本学科与理论： 传质学、流体力学、大气扩散学的基本原理 作用： 描述可能的泄漏、扩散过程 为评价建设项目、在役装置的危险程度 建立针对性的应急事故救援预案 实施有效的现场控制与处理提供科学
2、依据和参考。,本节主要内容： 一、常见泄漏源 二、经小孔泄漏的模式 三、扩散模式分析 四、扩散模型与分析计算,一、常见泄漏源,一般情况下，可以根据泄漏面积的大小和泄漏持续时间的长短，将泄漏源分为两类： 一是小孔泄漏 二是大面积泄漏 本书将研究如下泄漏源模型描述物质的泄漏过程：,工艺单元中液体经小孔泄漏的源模式； 储罐中液体经小孔泄漏的源模式； 液体经管道泄漏的源模式； 气体或蒸气经小孔泄漏的源模式； 闪蒸液体的泄漏源模式； 易挥发液体蒸发的源模式,二、经小孔泄漏的模式,1、液体经小孔泄漏的源模式 系统与外界无热交换，液体流动的不同能量形式遵守如下的机械能守恒方程 公式 (4-1) 式中：p压力
3、，Pa，习惯上将压强也称为压力，以后不做说明； 流体密度，kgm-3； 动能校正因子，无因次；,1.液体经小孔泄漏的源模式,U流体平均速度，ms-1，简称流速； g重力加速度，ms-2； z高度，m，以基准面为起始计量标准 F阻力损失，Jkg-1； Ws轴功，J； m质量，kg 公式分析：,动能校正因子值与速度分布有关 本节从工程计算角度出发，值近似取为1 对于不可压缩流体，密度恒为常数，有 泄漏过程暂不考虑轴功，Ws 工艺单元中的液体在稳定的压力作用下，经薄壁小孔泄漏，如图所示,容器内的压力为p1，小孔直径为d，面积为A，容器外为大气压力。 在此，容器内液体流速可以忽略，不考虑摩擦损失和液位
4、变化。,Q为单元时间内流体流过任一截面的质量，称为质量流量，其单位为kgs-1 考虑到因惯性引起的截面收缩以及摩擦引起的速度减低，引入孔流系数C0 孔流系数C0实际流量与理想流量的比值 经小孔泄漏的实际质量流量为 ： (4-7),对于修圆小孔(如图4-7)，孔流系数C0值约为1。,图4-7 修圆小孔 图4-8 厚壁小孔或器壁连有短管,对于薄壁小孔(壁厚d/2)，当雷诺数Re105时，C0值约为0.61 若为厚壁小孔(d/2壁厚4d)，或者在容器孔处外伸有一段短管(如图4-14)，C0值约为0.81。 可见厚壁小孔和短管泄漏的孔流系数比薄壁小孔的孔流系数要大。,在相同的截面积和压力差条件下，前者
5、的实际泄漏量高于后者1.33倍。 在很多情况下，难以确定泄漏孔口的孔流系数。 为保持足够的安全裕度，确保估算出最大的泄漏量和泄漏速度，C0值可取为1 。,2、储罐中液体经小孔泄漏的源模式,如图4-9所示的液体储罐，距其液位高度z0处有一小孔，在静压能和势能的作用下，储罐中的液体经小孔向外泄漏。泄漏过程可由机械能守恒方程描述，储罐内的液体流速可以忽略。 储罐内的液体压力为pg，外部为大气压力(表压p)。如前定义孔流系数，并由下式表示,公式,将上式代入机械能守恒方程，求出泄漏速度 (4-9) 若小孔截面积为A，则质量流量Q为 (4-10),（4-8）,由式(4-9)和式(4-10)可见： 随着泄漏
6、过程的延续，储罐内液位高度不断下降，泄漏速度和质量流量也均随之降低。,如果储罐通过呼吸阀或弯管与大气连通，则内外压力差p为0。式(4-10)可简化为 (4-11),若储罐的横截面积为A0，则可经小孔泄漏的最大液体总量为 (4-12),定义边界条件： t=0，z=z0；t=t, z=z 对上式进行分离变量积分，有 (4-16),当液体泄漏至泄漏点液位后，泄漏停止 z0 根据上式可得到总的泄漏时间 (4-17),将式(4-16)代入到式(4-17)，可以得到随时间变化的质量流量 (4-18),如果储罐内盛装的是易燃液体，采取通氮气保护的措施。液体表压为pg，内外压差即为pg 根据式(4-10)、式
7、(4-12)、式(4-13)、式(4-14)可同理得到：,(4-19) (4-20),将式(4-20)代入式(4-10)得到任意时刻的质量流量Q (4-21),根据上式可求出不同时间的泄漏质量流量。,例1 如图4-10所示某一盛装丙酮液体的储罐，上部装设有呼吸阀与大气连通。在其下部有一泄漏孔，直径为4cm。已知丙酮的密度为800kgm-3。求： (1)最大泄漏量； (2)泄漏质量流量随时间变化的表达式； (3)最大泄漏时间； (4)泄漏量随时间变化的表达式,解：(1)最大泄漏量即为泄漏点液位以上的所有液体量,(2)泄漏质量流量随时间变化的表达式，C0取值为1，则,(3)令泄漏质量流量时间表达式
8、的左侧为0，即得最大泄漏时间 t14285s=3.97h,(4)任一时间内总的泄漏量为泄漏质量流量对时间的积分 给定任意泄漏时间，即可得到已经泄漏的液体总量,3、液体经管道泄漏的源模式,在化工生产中，通常采用圆形管道输送流体。如图4-11所示 如果管线发生爆裂、折断或因误拆盲板等，可造成液体经管口泄漏。 泄漏过程可用式(4-3)描述 其中阻力损失F的计算是估算泄漏速度和泄漏量的关键。,液体在管路中的流动阻力可以分为直管阻力和局部阻力。 直管阻力是流体流经一定直径的直管时，由于流体与管壁之间的摩擦而产生的阻力。 局部阻力是流体流经管路中的阀门、弯头等，由于速度或方向改变而引起的阻力。,(1)直管
9、阻力计算 (4-22) 此公式称为范宁(Fanning)公式 式中：摩擦系数，无因次； l管长，m； d管径，m。 其余符号意义同前,摩擦系数的计算与表征流体流动类型的参数雷诺数有关 RedU,根据雷诺数的大小可以判断流体流动类型为层流、湍流还是过渡流。 对于层流情况，即雷诺数Re2000时,对于由层流向湍流过渡时，即雷诺数2000Re4000时，层流或湍流的计算式均可应用。 工程上为安全起见，常将过渡流视为湍流处理。,扎依钦科(3a) 经验公式可供参考 =0.0025Re1/3,对于湍流情况，即雷诺数Re4000时，不仅与Re有关，还与相对粗糙度/d有关。 为管壁粗糙度，是指管壁上突出物的平
10、均高度，如果没有实侧值，则可查表4-4。d为圆管内径。 对于光滑管 (1)4000Re106时，有Blasius公式,(2)2500Re107时，有 对于粗糙管 (1)Re2000时，有Colebrook公式,该公式有一个简化形式，称为阿里特苏里()公式,(2)Re10000时，有 此公式的简化形式称为希夫林松()公式,以上是采用一些公式对值进行计算，也可以采用简便的办法，根据雷诺数Re和相对粗糙度/d，由莫迪图(图4-12)查得值。 (2)局部阻力 定义：流体在圆管内流动，由于管件、阀门、流通截面的扩大或缩小而产生流动阻力，称为局部阻力。,局部阻力可按式(4-23)、式(4-24)计算 (4
11、-23) (4-24) 式(4-28)中，le称为当量长度，即将局部阻力折合成当量长度的直管来计算,式(4-24)中，称为局部阻力系数，即将局部阻力折合成动能来计算。 值可由表4-2、表4-3查得,(3)总的阻力损失计算 总的阻力损失为直管阻力和局部阻力损失之和。,或 （4-25）,例2 如图4-13所示有一含苯污水储罐，气相空间表压为0，在下部有一100mm的输送管线通过一闸阀与储罐相连。在苯输送过程中闸阀全开，在距储罐20m处，管线突然断裂。已知水的密度为1000kgm-3，粘度1.010-3kgm-1s-1，计算泄漏的最大质量流量,解：考虑液面与管线断裂处为计算截面。忽略储罐内苯的流速，
12、应用式(4-3),总的阻力损失根据下式计算,查表4-2，闸阀全开，局部阻力系数为0.17,雷诺数 假设管道为光滑管，选用Blasius公式计算,则总的阻力损失为,将已知数据代入式(4-3)整理，有117U2+3.56U1.75=98，假设流速U的数值，代入上式，直至两端相等 U=5.6m/s，左端=109.3； U=5.4m/s，左端=102.2,U=5.3m/s，左端=98.8。至此可认为误差足够小,验证雷诺数 符合Blasius公式的应用条件，说明得到的流速结果正确，则泄漏的最大质量流量为,4、气体或蒸气经小孔泄漏的源模式,假设不同： 前面讨论的液体为不可压缩流体，密度恒定不变。 对于气体
13、或蒸气，这条假设只有在初态和终态压力变化较小(p0-p)/p020%)和较低的气体流速(0.3倍音速)的情况下，才可应用。,当气体或蒸气的泄漏速度大到与该气体中音速相近，或超过音速时，会引起很大的压力、温度、密度变化，则根据不可压缩流体假设得到的结论不再适用。 现在讨论可压缩气体或蒸气以自由膨胀的形式经小孔泄漏的情况。,在工程上，通常将气体或蒸气近似为理想气体，其压力、密度、温度等参数遵循理想气体状态方程,（4-26） 式中：p绝对压力，Pa； R理想气体常数，8.314Jmol-1-1 M气体摩尔质量，kgmol-1； 密度，kgm-3； T温度，K,气体或蒸气在小孔内绝热流动，其压力密度关
14、系可用绝热方程或称等熵方程描述,（4-27） 式中，绝热指数，是等压热容与等容热容的比值，CpCV 几种类型气体的绝热指数列于表4-4 此外也可按表4-5近似选取气体绝热指数,如下图4-14所示的气体或蒸气经小孔泄漏的过程。轴功为0，忽略势能变化，则机械能守恒方程式(4-1)简化为 （4-28）,定义孔流系数,（4-29） 忽略气体或蒸气的初始动能，将代换得到 （4-30）,得到泄漏质量流量,（4-33） 根据理想气体状态方程，有 （4-34） 从安全工作的角度考虑，考虑经小孔泄漏的气体或蒸气的最大流量,若以压力比p/p0为横坐标，以流量Q为纵坐 标，根据式(4-35)可得到图4-15中的0b
15、c曲线。,当pp0=时，小孔前后的压力相等，Q=0； 当pp0=0时，气体或蒸气流向绝对真空，=0，故Q= 流量曲线存在最大值，令dQ/d(pp0)=，可求得极值条件,（4-36）,式中，pc称为临界压力。 将此极值条件代入式(4-32)、式(4-35)可得到最大流速和最大流量,（4-37） （4-38）,由图(4-15)可以看到，当ppc时，气体或蒸气流速低于音速，如图中bc段曲线所示。 当p=pc时，气体或蒸气的泄漏速度刚好可能达到的最大流速如式(4-37)所示，实际上就是气体或蒸气中的音速。 当ppc时，气体或蒸气似乎可以充分降压、膨胀、加速。,但是根据气体流动力学的原理，泄漏速度不可能超过音速，这时其泄漏速度和质量流量与p=pc时相同，因此在图中以ab线表示。 在化工生产中发生的气体或蒸气泄漏，很多属于最后一种情况。,例3 在某生产厂有一空气柜，因外力撞击，在空气柜一侧出现一小孔。小孔面积为19.6cm2，空气柜中的空气经此小孔泄漏入大气。已知空气柜中的压力为2.51
