Luân Văn-Tính toán Nguyên nhân và hạn chế nổ vỡ bình chịu áp lực

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. 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. Phƣơng 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.

Chương 5. Trình bày tính toán kiểm tra thiết bị thực tế. Kết luận.

Hướng phát triển đề tài.

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…

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

- 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 ( NH3 )

có dung tích đến 6.000 m3; Các công ty kinh doanh gas LPG thường sử dụng các

bồn chứa từ 140 m3  đến trên 10.000 m3; Nhà máy hoá chất Việt Trì sản xuất Clo lỏng tích vào bồn chứa có tổng dung tích đến 40 m3 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 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.

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:

S  - Ứng suất cho phép của vật liệu.

ST   - Giới hạn bền được xác định nhỏ nhất của vật liệu ở nhiệt độ trong phòng.

S y - Giới hạn chảy được xác định nhỏ nhất của vật liệu ở nhiệt độ trong phòng.

nB   - Hệ số an toàn bền.

nT  - Hệ số an toàn chảy.

Nhiệt độ trong phòng thường được xác định tại 20oC.

Theo tài liệu [ 12, tr. 765 ]. Đối với vật liệu thép cán, rèn hoặc đúc thì :

nB = 3 và nT = 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.

2.2. Xây dựng quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ

2.2.1 Phương pháp chung, phương pháp bình phương nhỏ nhất

0      50     100    150    200    250    300    350    400    450    500    550    600

Nhiệt độ t(oC)

SA285-A                        CT3                                SA675-50

SA415-1                        SA516-70                       SA516-60

20K                                12MX                             X18H10T

Hình 2.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi ứng suất cho phép của một số kim loại.

2.3. Áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất trong

* Ký hiệu của các thông số trong công thức :  Xem hình 2.2

t = Chiều dày yêu cầu . khi sử dụng trong công thức tính áp suất nó là chiều dày thực tế. ( mm )

Hình 5.5 : Hình ảnh quá trình thử nghiệm vỏ bình LPG

KẾT LUẬN

Từ những kết quả nghiên cứu của luận văn thì luận văn có những đóng góp chính như sau :

- Tổng hợp đưa ra được các công thức tính áp suất cho phép và áp suất sự cố đối với các bộ phận chịu áp lực của bình. Dựa vào đó chúng ta có thể tính thiết kế hay tính kiểm tra áp suất cho phep đối với các bình chịu áp lực.

- Xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất cho phép của vật liệu với nhiệt độ và sự liên hệ giữa nhiệt độ với áp suất của môi chất . Dựa vào đó chúng ta có thể nhận biết được tình trạng làm việc của bình. Tính toán nhanh hoặc dùng để lập trình trong việc tính toán thiết kế, kiểm tra bình đối với từng loại vật liệu chế tạo và môi chất sử dụng.

- Ta hoàn toàn xác định thời gian nổ khi gia nhiệt cho môi chất trong bình . Sự gia nhiệt luôn luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ và áp suất của môi chất trong bình nếu van an toàn hay thiết bị bảo vệ khác không hoạt động thì áp suất sẽ vượt quá áp suất cho phép , tình trạng này kéo dài sẽ gây nên sự cố. Do vậy việc tính được thời gian nổ là rất cần thiết cho việc tính thiết kế, kiểm tra dự báo sự cố áp lực cho thiết

bị.

- Xác định được công sinh ra và sự ảnh hưởng bức xạ nhiệt của quả cầu lửa được hình thành khi xảy ra sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực .Từ đó chúng ta đánh giá được mức độ phá hoại của chúng để đề ra các yêu cầu về vị trí lắp đặt cho từng loại thiết bị dựa vào điều kiện làm việc cụ thể của từng thiết bị và biện pháp phòng ngừa chúng.

- Xác định rõ các nguyên nhân gây nổ vỡ bình chịu áp lực và đã đề xuất các giải pháp hạn chế sự cố nổ vỡ bình chịu áp lực. Qua đó giúp chúng ta tốt hơn trong việc thiết kế, chế tạo, quản lý và sử dụng thiết bị chịu áp lực để góp phần giảm thiểu tai nạn lao động.

- Tổng hợp xây dựng hoàn chỉnh các công thức tính bền đối với bình chịu áp lực để có thể áp dụng cho Tiêu chuẩn Việt Nam về bình chịu áp lực.

- Lập trình phần mềm tính toán để tính toán thiết kế , kiểm tra bền bình chịu áp lực . Lập trình phần mềm tính toán tìm luật tăng nhiệt độ - áp suất và dự báo sự cố khi gia nhiệt môi chất trong bình kín.

- Khảo sát và thu thập số liệu về tình hình sử dụng và chế tạo thiết bị chịu áp lực tại Việt Nam.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[ 1 ] PGS. TS Nguyễn Bốn ( 2002 ) , Nghiên cứu tính toán dự báo sự cố áp lực

          khi gia nhiệt môi chất trong bình kín , Đề tài nghiên cứu khoa học số

B2002-15-21, Đại học Đà Nẵng.

[ 2 ] PGS. TS Nguyễn Bốn ( 2001 ) , Giáo trình thiết bị trao đổi nhiệt, Trường

Đại học kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng.

[ 3 ] PGS. TS Nguyễn Bốn, PGS. TS Hoàng Ngọc Đồng ( 1999 ), Nhiệt kỹ thuật, Nhà xuất bản giáo dục.

[ 4 ] Nguyễn Bá Dũng, Nguyễn Duy Thiết, Nguyễn Văn Thông, Tạ Bá Phụng ( 1979 ), Kỹ thuật bảo hộ lao động, Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp.

[ 5 ] Bộ Lao Động Thương Binh và Xã Hội ( 1998 ), Tập hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn nồi hơi và bình chịu áp lực, Nhà xuất bản Lao động.

[ 6 ] Ali Danesh ( 1998 ), PVT and phase behaviour of petroleum reservoir fluids , Elsevier, Scotland.

[ 7 ] Bruce E. Poling, George H. Thomson, Daniel G. Friend, Richard L .Rowley, W. Vincent Wilding, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook , 8th

Section 2, McGraw-Hill, USA.

[ 8 ] David R.Lide (2004-2005 ), CRC Handbook of Chemistry and Physics,

85th Edition, CPC Press , New York, USA.

[ 9 ] Merv Fingas, Ph.D, The handbook of hazardous materials spills technology, McGraw-Hill, USA.

[ 10 ] Sam Mannan, Lee’s Loss Prevention the Process Industries, Elsevier,

USA.

[ 11 ] The American Society of Mechanical Engineers New York (2004 ), 2004

Boiler & Pressure vessel code, Section VIII, Division 1, New York, USA. [ 12 ] The American Society of Mechanical Engineers New York (2004 ), 2004

Boiler & Pressure vessel code, Section II, Par D, New York, USA.