Nghiên cứu nổ vỡ bình chịu áp lực

- 1 - MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài : Ở nước ta hiện nay , thiết bị chịu áp lực ( bao gồm nồi hơi, bình chịu áp lực , hệ thống lạnh v.v .) đang được sử dụng rộng rãi và ngày càng nhiều không những trong xuất mà cả trong sinh hoạt . Có thể nói rằng không có một doanh nghiệp sản xuất nào là không sử dụng một trong các loại thiết bị chịu áp lực . Theo số liệu ước tính hiện nay trên cả nước có khoảng 0,5 triệu nồi hơi, gần 8.000 hệ thống lạnh khoảng 30 triệu thiết bị áp lực bao gồm cả các loại chai chứa khí. Những năm gần đây trung bình có khoảng 300 ÷ 400 nồi hơi, 400 ÷ 500 hệ thống lạnh và hàng vạn thiết bị chịu áp lực khác được đưa vào sử dụng, đặc biệt lĩnh vực khí đốt công nghiệp và sinh hoạt. Việc sử dụng thiết bị chịu áp lực , luôn luôn gắn liền với những yếu tố nguy hiểm , như nổ thiết bị, rò rỉ môi chất độc hại , bỏng nhiệt, điện giật, va đập cơ học v.v . Trong đó nguy hiểm nhất là hiện tượng nổ vỡ thiết bị chịu áp lực . Khi nổ thiết bị chịu áp lực , nó gây ra hậu quả rất to lớn , có thể làm chết và bị thương nhiều người, phá huỷ công trình nhà xưởng và thiết bị. Thời gian vừa qua xảy ra rất nhiều vụ tai nạn lao động do sự cố nổ vỡ thiết bị chịu áp lực , có nhiều vụ hết sức nghiêm trọng , đã gây thiệt hại khá lớn về người và tài sản . Nguyên nhân các vụ tai nạn này thì có nhiều nhưng bình chịu áp lực bị nổ vỡ khi độ bền của nó không chịu nổi áp suất môi chất tác dung lên nó . Ở các bình khí và khí hoá lỏng, áp suất tăng lên do nhiệt độ môi chất trong bình tăng lên. Sự tăng nhiệt độ này chủ yếu do chúng bị phơi nắng hay do để gần các nguồn nhiệt đốt nóng như lò đốt, lò nung v.v . và nguyên nhân do tăng quá mức nhiệt độ làm việc của kim loại , cũng làm cho ứng suất cho phép của vật liệu giảm đi , khiến cho vật liệu không chịu đựng nổi ngay cả ở áp suất làm việc cho phép của bình. Nguyên nhân khác là do tăng lượng môi chất quá mức trong bình. Để góp phần xác định nguyên nhân và các biện pháp ngăn chặn những sự cố đáng tiếc xảy ra trong sản xuất, sử dụng và bảo quản bình chịu áp lực, tôi chọn đề tài : '' Nghiên cứu nổ vỡ bình chịu áp lực ". - 2 - 2. Mục tiêu nghiên cứu : Trong đề tài này tôi muốn nghiên cứu những vấn đề liên quan đến nổ vỡ bình chịu áp lực . Tổng hợp đưa ra những công thức tính kiểm tra hay thiết kế cho các bình chịu áp lực trong thực tế . Kết quả tính toán được còn có thể dùng để điều chỉnh chế độ làm việc hoặc dự báo sự cố áp lực cho thiết bị . Đưa ra các giải pháp đề phòng, hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực. 3. Nội dung nghiên cứu : - Áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình. - Luật thay đổi nhiệt độ, áp suất khi gia nhiệt môi chất trong bình kín. - Công sinh ra và xác định ảnh hưởng của sự hình thành quả cầu lửa khi nổ vỡ bình chịu áp lực - Các nguyên nhân gây ra sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực và các giải pháp hạn chế. - Tính toán kiểm tra một vài thiết bị thực tế. 4. Phương pháp nghiên cứu : - Nghiên cứu lý thuyết . - Thực nghiệm so sánh và kết luận. 5. Ý nghĩa thực tiễn : Người thiết kế, quản lý, sử dụng bình chịu áp lực đánh giá được nguy cơ gây nổ vỡ bình chịu áp lực để có biện pháp phòng tránh. 6. Bố cục luận văn: Ngoài phần mở đầu, mục lục , luận văn gồm 91 trang chia thành 5 chương : Chương 1. Trình bày tổng quan về bình chịu áp lực, thực trạng tình hình sử dụng chế tạo bình chịu áp lực ở Việt Nam. Chương 2. Trình bày áp suất cho phép, áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình và công sinh ra khi bình bị nổ vỡ. Chương 3. Trình bày luật thay đổi nhiệt độ, áp suất và tính dự báo sự cố áp lực khi gia nhiệt môi chất trong bình kín. Chương 4. Trình bày phân tích các nguyên nhân và các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực. - 3 - Chương 5. Trình bày tính toán kiểm tra thiết bị thực tế. Kết luận. Hướng phát triển đề tài. - 4 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÌNH CHỊU ÁP LỰC 1.1. Giới thiệu về bình chịu áp lực Bình chịu áp lực là một bình được thiết kế kín dùng để chứa môi chất khí và lỏng ở một áp suất khác với áp suất môi trường. Bình chịu áp lực được sử dụng trong cả hai lãnh vực công nghiệp và sinh hoạt . Nó xuất hiện trong công nghiệp, sinh hoạt như bình chứa khí nén và bồn chứa nước nóng. Các bình chịu áp lực khác chẳng hạn như : nồi hấp, khoang hơi, tháp chưng cất và nhiều bình khác được sử dụng trong khai thác khoáng sản hoặc như nhà máy lọc dầu, nhà máy hoá dầu, bình phản ứng hạt nhân, trong tàu vũ trụ, tàu ngầm, trong hệ thống phanh khí nén xe cơ giới, tàu lửa và tồn chứa các khí hoá lỏng như amoniắc, chlorine, propane, butane và LPG v.v… Bình chịu áp lực về lý thuyết nó có thể ở bất cứ hình dạng nào, nhưng hình cầu, hình côn, hình trụ thường được sử dụng. Về lý thuyết , mặt cầu sẽ có hình dạng tối ưu cho bình chịu áp lực. Nhưng thật không may mặt cầu rất khó để sản xuất do đó nó đắt tiền hơn , vì vậy phần lớn bình chịu áp lực là thân trụ với hai đáy bán ellip. Nhiều bình chịu áp lực được làm từ thép .Để sản xuất ra một bình hình cầu người ta sẽ hàn các phần được rèn lại với nhau . Một vài đặc tính cơ học của thép được gia tăng từ việc rèn, nhưng việc hàn có thể làm giảm những đặc tính không mong muốn. Một số bình chịu áp lực được chế tạo từ vật liệu composite, như sợi carbon tổng hợp được kết hợp với polymer. Do sức căng rất cao từ sợi carbon nên các bình có thể rất nhẹ . Bình chịu áp lực được thiết kế để vận hành một cách an toàn tại một áp suất và nhiệt độ cụ thể , kỹ thuật được gọi là '' Áp suất thiết kế '' và '' Nhiệt độ thiết kế ''. Một bình áp lực được thiết kế không phù hợp để sử dụng ở một áp suất cao tạo thành một mối nguy an toàn rất lớn. Do đó việc thiết kế và xác nhận của bình áp lực được quản lý bởi các tiêu chuẩn thiết kế như : Asme Boiler and Pressure Vessel ở Bắc Mỹ, tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản ( JIS), CSA B51 của Canada, AS1210 của Úc và các tiêu chuẩn quốc tế khác như Lloyd's, Germanischer Lloyd, Det Norske Veritas v.v… - 5 - 1.2. Các thuật ngữ 1.2.1. Thuật ngữ về bình chịu áp lực - Bình chịu áp lực : là một thiết bị dùng để tiến hành các quá trình nhiệt học hoặc hoá học , cũng như để chứa và chuyên chở môi chất có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. - Bình chịu áp lực liên hợp : là tổ hợp gồm hai hay nhiều bình chịu áp lực nối với nhau làm việc trong điều kiện giống hoặc khác nhau về áp suất, nhiệt độ và môi chất. - Bể ( xitéc ) : là bình chịu áp lực được đặt trên toa xe hoả, ô tô hay các phương tiện vận tải khác. - Thùng : là bình chịu áp lực có dạng hình trụ đặt nằm hoặc đứng có thể di chuyển hoặc đặt cố định. - Chai : là một loại bình chịu áp lực bằng kim loại có dung tích nhỏ ( thường dưới 100 lít ) dùng để chứa các chất lỏng, khí nén, khí hoá lỏng, khí hoà tan ở áp suất. - Bình hấp hoặc nồi nấu : là loại bình chịu áp lực trong đó xảy ra quá trình nhiệt học và có thể được đốt nóng bằng điện , khí nóng, hơi nước hoặc nhiên liệu khác. - Nồi hơi đun bằng điện : là nồi hơi dùng điện để đun nước thành hơi dùng cho các thiết bị khác. 1.2.1. Thuật ngữ về thông số - Áp suất làm việc cho phép : là áp suất lớn nhất mà thiết bị được phép làm việc lâu dài. - Áp suất cực đại cho phép : là áp suất lớn nhất mà thiết bị được phép làm việc trong một thời gian nhất định. Trị số áp suất này và thời gian cho phép kéo dài do người chế tạo qui định - Áp suất thiết kế : là áp suất do người thiết kế qui định làm cơ sở tính sức bền cho các bộ phận của bình, áp suất này chưa kể đến áp suất tĩnh - 6 - - Nhiệt độ lớn nhất của môi chất chứa trong bình : được xác định là nhiệt độ môi chất của bình. - Nhiệt độ lớn nhất của thành bình khi có chứa môi chất : được xác định là nhiệt độ tính toán của thành bình. Khi không có sự tăng giảm nhiệt độ thành bình do hấp thụ hay toả nhiệt thì có thể lấy nhiệt độ tính toán của thành bình bằng nhiệt độ của môi chất tiếp xúc với thành bình. 1.3. Thực trạng chế tạo và sử dụng bình chịu áp lực tại Việt Nam Từ trước tới nay chưa có một cuộc điều tra nào xác định số lượng và chủng loại bình chịu áp lực trong địa phương. Hiện cả nước có khoảng 270.000 doanh nghiệp , trong số đó có 40% doanh nghiệp thuộc khối kinh doanh thường sử dụng ít nhất từ một thiết bị chịu áp lực trở lên. Theo con số này và nhu cầu sử dụng thiết bị phục vụ phát triển sản xuất và dân sinh, có thể ước tính hiện nay trên cả nước có khoảng 0,5 triệu nồi hơi và hơn 30 triệu bình chịu áp lực bao gồm các loại chai chứa khí. Số lượng này sẽ còn tiếp tục gia tăng theo xu thế tăng nhanh các doanh nghiệp và tốc độ phát triển nhanh của nền kinh tế. Theo thống kê, từ năm 2003 đến nay, đã xảy ra 150 vụ nổ chai gas gây chết người. Điều đáng quan tâm hiện nay có rất nhiều doanh nghiệp kinh doanh các sản phẩm khí , hoá chất độc hại có sử dụng nhiều bồn, bể để tồn trữ ở dạng có áp suất , dễ gây nổ, gây cháy, gây ngộ độc. Ví dụ : Công ty cổ phần VEDAN tại Long Thành - Đồng Nai có sử dụng bồn chứa amôniắc ( NH 3 ) có dung tích đến 6.000 m 3 ; Các công ty kinh doanh gas LPG thường sử dụng các bồn chứa từ 140 m 3 đến trên 10.000 m 3 ; Nhà máy hoá chất Việt Trì sản xuất Clo lỏng tích vào bồn chứa có tổng dung tích đến 40 m 3 và đóng chai , nếu sự cố xảy ra , chỉ cần 1mg Clo nguyên chất có thể gây tử vong cho người hít phải. Để quản lý các đối tượng kiểm định nói chung và bình chịu áp lực nói riêng , tất cả các quốc gia trên thế giới đều ban hành các tiêu chuẩn , quy chuẩn kỹ thuật an toàn làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo, kiểm định kỹ thuật an toàn để quản lý các đối tượng này. Ở nước ta đã ban hành các tiêu chuẩn về bình chịu áp lực như : TCVN 6153:1996 đến TCVN 6156 : 1996 cho bình chịu áp lực ; TCVN 6486 : 1999 đối với bồn LPG, TCVN 6104 : 1996 đối với hệ thống lạnh ; TCVN 6292 : 1997 , TCVN 6294 : 1997, TCVN - 7 - 6295 : 1997 cho chai chứa khí; TCVN 6008 : 1995 về chất lượng mối hàn thiết bị áp lực. Và trong Thông tư số 04/2008/TT-BLĐTBXH ngày 27/2/2008 của Bộ Lao Động Thương Binh và Xã Hội đã có hướng dẫn đăng ký và kiểm định đối với bình chịu áp lực này. Nhưng hiện nay phần lớn các đơn vị nhỏ lẻ có sử dụng bình chịu áp lực chưa được kiểm định kỹ thuật an toàn. Ở nước ta hiện nay chưa ban hành đầy đủ các văn bản pháp luật về các tiêu chí , điều kiện đối với cơ sở chế tạo thiết bị chịu áp lực . Hiện tại chưa có khảo sát chính thức nào về các cơ sở chế tạo bình chịu áp lực trong phạm vi cả nước. Nhiều đơn vị chế tạo bình chịu áp lực ở nước ta đã ngày càng lớn mạnh như : Công ty cổ phần nồi hơi Việt Nam, các Công ty cổ phần Lilama v.v . đã chế tạo được các bồn chịu áp lực có đặc tính kỹ thuật cao , đáp ứng được các tiêu chuẩn trong nước và nước ngoài. Trong khi đó có rất nhiều cơ sở không đủ năng lực , điều kiện vẫn tham gia chế tạo và cho ra đời những sản phẩm không đảm bảo chất lượng an toàn, gây hậu quả cho người sử dụng . Kết thanh tra năm 2006 tại 18 doanh nghiệp có đăng ký kinh doanh chế tạo bình chịu áp lực tại TP HCM cho thấy , chỉ có 5/18 doanh nghiệp ( 27 % ) là có đủ các điều kiện đối với doanh nghiệp chế tạo bình chịu áp lực theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Còn lại hầu hết các cơ sở , doanh nghiệp được thanh tra đều không có đủ tiêu chuẩn mặt bằng sản xuất ; 40% cơ sở , doanh nghiệp không có kỹ sư chuyên ngành chế tạo máy , thiết bị nhiệt ; 40% cơ sở không có công nhân hàn áp lực . Nhiều đơn vị không có hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm , không có quy trình công nghệ chế tạo và giám sát chất lượng thiết bị hoàn chỉnh được ban hành thành văn bản và vi phạm phổ biến nhất là vật liệu chế tạo không có nguồn gốc, xuất xứ, không được kiểm tra thử nghiệm. Vì vậy Nhà nước cần xây dựng và ban hành tiêu chí , điều kiện đối với cơ sở chế tạo bình chịu áp lực , tạo ra hành lang pháp lý sao cho chỉ có cơ sở có đủ điều kiện mới được phép chế tạo bình chịu áp lực, để góp phần giảm thiểu nguy cơ nổ vỡ bình chịu áp lực. CHƯƠNG 2 - 8 - ÁP SUẤT CHO PHÉP , ÁP SUẤT SỰ CỐ ĐỐI VỚI CÁC BỘ PHẬN CHỊU ÁP LỰC CỦA BÌNH VÀ TÍNH CÔNG SINH RA KHI NỔ VỠ BÌNH 2.1. Hệ số an toàn bền và ứng suất cho phép Khi tính về độ bền, thường sử dụng ứng suất cơ sở - gọi là ứng suất cho phép S, ứng suất này có được bằng cách chia trị số độ bền của vật liệu khi thí nghiệm kéo cho một trị số gọi là hệ số an toàn về độ bền . Hệ an toàn bền cần phải được chọn sao cho đảm bảo được khả năng làm việc ổn định của các bộ phận , đồng thời bảo đảm tiết kiệm kim loại. Ứng suất cho phép thường được chọn trị số bé nhất trong hai trị số sau: B T n S S = và T Y n S S = Trong đó: S - Ứng suất cho phép của vật liệu. T S - Giới hạn bền được xác định nhỏ nhất của vật liệu ở nhiệt độ trong phòng. y S - Giới hạn chảy được xác định nhỏ nhất của vật liệu ở nhiệt độ trong phòng. n B - Hệ số an toàn bền. n T - Hệ số an toàn chảy. Nhiệt độ trong phòng thường được xác định tại 20 o C. Theo tài liệu [ 12, tr. 765 ]. Đối với vật liệu thép cán, rèn hoặc đúc thì : n B = 3 và n T = 2/3. Theo tài liệu [ 11, 12 ] thì khi tính toán về độ bền , người ta ứng dụng bảng ứng suất lớn nhất cho phép ; bảng này lập cho phần lớn các loại thép với tất cả các vùng nhiệt độ làm việc cho phép của các loại thép đó. Đối với các thiết bị chịu áp lực nhiệt độ biến đổi trong một giới hạn rất rộng, có những thiết bị làm việc dưới điều kiện lạnh sâu, có những thiết bị làm việc ở nhiệt độ mấy nghìn độ. Trong điều kiện này tính chất của vật liệu rất khác thường, thép trở nên dòn hoặc nhũn . Do vậy khi chọn ứng suất cho phép điều trước tiên ta cần xét đến nhiệt độ của vật liệu chế tạo. - 9 - 2.2. Xây dựng quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ ( ) tfS = 2.2.1 Phương pháp chung, phương pháp bình phương nhỏ nhất Từ bảng số liệu thực nghiệm đã cho : x x 1 x 2 x 3 x 4 x i x n y y 1 y 2 y 3 y 4 y i y n Giả sử y phụ thuộc x dạng y = ax + b khi đó: ax i + b - y i = ε i , i = 1,2,. . .,n là các sai số tại x i , do đó : 2 1 )( i n i i ybaxf −+= ∑ = là tổng các bình phương của các sai số. f phụ thuộc vào a và b, còn x i và y i đã biết. Mục đích của phương pháp bình phương bé nhất là xác định sao cho f nhỏ nhất. Như vậy a và b là nghiệm của hệ phương trình:        =−+= ∂ ∂ =−+= ∂ ∂ ∑ ∑ = = 01).(2 0).(2 1 1 i n i i ii n i i ybax b f xybax a f ⇔        =−+= ∂ ∂ =−+= ∂ ∂ ∑ ∑ = = 0)(2 0)(2 1 1 2 i n i i iii n i i ybax b f yxbxax a f ⇔        =+ =+ ∑∑ ∑∑∑ == === n i i n i i n i ii n i i n i i ybnxa yxxbxa 11 111 2 ( 2-1 ) Giải hệ phương trình ( 2-1 ) ta được : ∑∑ ∑ ∑ ∑ == = = = −       − = n i i n i i n i n i n i iiii xnx yxnyx a 1 2 2 1 1 1 1 ; ∑∑ ∑ ∑ ∑ ∑ == = = = = −       − = n i i n i i n i n i n i n i iiiii xnx yxyxx b 1 2 2 1 1 1 1 1 2 . Từ đó ta có phương trình đường thẳng xấp xỉ là : y = ax + b ; với a,b đã tính ở trên. 2.2.2 Ứng dụng tìm ( ) tVlfS , = của một số vật liệu thường được dùng chế tạo - 10 - bình áp lực Dựa vào bảng nhiệt độ t ( 0 C ) và ứng suất cho phép S ( Bar ) của vật liệu đã cho, áp dụng tính toán như 2.2.1 ta tìm được mối quan hệ như sau : 1)      − − = − − )10.33,11(18 )10.138,61(1739,14 ),( 3 4 3 t t tCTS Khi t ∈ ( 20 ÷ 250 ) o C Khi t ∈ ( 250 ÷ 300 ) o C 2)      − − − = − − − )10.38,181(89,37 )10.55,131(065,20 )10.4,41(83,14 ),20( 3 3 4 t t t tKS Khi t ∈ ( 20 ÷ 250 ) o C Khi t ∈ ( 250 ÷ 420 ) o C Khi t ∈ ( 420 ÷ 500 ) o C 3)      − − − = − − − )10.733,11(52,71 )10.13,61(278,17 )10.9,51(71,14 ),12( 3 4 5 t t t tMXS Khi t ∈ ( 20 ÷ 250 ) o C Khi t ∈ ( 250 ÷ 480 ) o C Khi t ∈ ( 480 ÷ 540 ) o C 4) )10.03,61(726,14),1018( 4 ttTHXS − −= Khi t ∈ ( 20 ÷ 500 ) o C 5) S(SA 240-304) =      − − − − )10.386,11(82,3924 )10.37,61(79,1475 14,1406 3 4 t t Khi t ∈ ( -20 ÷ 93 ) o C Khi t ∈ ( 93 ÷ 538 ) o C Khi t ∈ ( 538 ÷ 621 ) o C 6) S(SA 285-A)      − −= − − )10.648,11(46,2147 )10.806,871(1,1140 14,1460 3 4 t t Khi t ∈ ( -20 ÷ 260 ) o C Khi t ∈ ( 260 ÷ 371 ) o C Khi t ∈ ( 371 ÷ 482 ) o C 7) S(SA 415 -1, t)    − = − )10.89,71(87,1672 14,1460 4 t Khi t ∈ ( -20 ÷ 204 ) o C Khi t ∈ ( 260 ÷ 343 ) o C