МИНИСТЕРСТВО ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

РУКОВОДЯЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

ДОПУСТИМЫЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
ПО ТРУБОПРОВОДАМ
И ИСТЕЧЕНИЯ В ЕМКОСТИ
(АППАРАТЫ, РЕЗЕРВУАРЫ)

РТМ 6-28-007-78

Разработан Всесоюзным научно-исследовательским институтом техники безопасности в химической промышленности (ВНИИТБХП)

ДИРЕКТОР ИНСТИТУТА                                                             МАЖАРА Е.Ф.

ЗАМ. ДИРЕКТОРА ПО НАУЧНОЙ РАБОТЕ, к.т.н.                   ЛИНЕЦКИЙ В.А.

ОТВЕТСТВЕННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛИ:

ЗАВ. ЛАБОРАТОРИЕЙ, к.т.н.                                                       ЗАХАРЧЕНКО В.В.

ЗАВ. ГРУППОЙ                                                                              МОРОВЩИК А.Н.

РУКОВОДЯЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Настоящий руководящий технический материал (РТМ) разработан в соответствии с "Правилами защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности" и устанавливает основные правила, приемы и методы определения допустимых скоростей движения жидкости по трубопроводам и истечения их в емкости (аппараты, резервуары).

Руководящий технический материал (РТМ) распространяется на случаи транспортировки органических жидкостей по заземленным технологическим трубопроводам с внутренним диаметром от 40 до 600 мм в заземленные металлические аппараты и резервуары.

Требования РТМ не распространяются на случаи транспортировки двухфазных смесей, эмульсий, коллоидных растворов, а также на случаи транспортировки любых жидких продуктов по неметаллическим или футерованным неметаллическими материалами трубопроводам.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Возможность интенсивной электризации жидкостей при транспортировании их по трубопроводам определяется главным образом скоростью и удельным объемным электрическим сопротивлением.

В связи с тем, что удельное объемное электрическое сопротивление жидкости сильно зависит от содержания и состава растворенных в них примесей (т.е. от технологии их получения, способа и степени очистки), при оценке возможности электризации их в каком-либо производстве желательно ориентироваться на значение этого параметра, полученное при измерениях, проведенных с пробами, отобранными из аппаратов и магистралей этого производства. При использовании данных, приведенных в приложении 1, или заимствованных из литературных источников, следует пользоваться наибольшим из приводимых значений.

1.2. Жидкости с удельным объемным электрическим сопротивлением менее 10⁵ Ом × м практически не электризуются, и их транспортировка со скоростями до 10 м/с заведомо безопасна.

Электризация, способная привести к возникновению искровых разрядов, для жидкостей с удельным объемным электрическим сопротивлением до 10⁹ Ом × м исключена при транспортировке их по трубопроводам со скоростями до 5 м/с.

Для жидкостей, имеющих удельное объемное электрическое сопротивление более 10⁹ Ом × м, максимальные безопасные скорости транспортировки по трубопроводам и допустимые скорости истечения в аппараты и резервуары различных форм и размеров из различных загрузочных патрубков могут быть определены по настоящему РТМ. При этом ограничение скорости транспортировки максимальным безопасным значением исключает возникновение опасных разрядов в любом заполняемом аппарате (резервуаре) при любом способе подачи жидкости, исключающем разбрызгивание. Ограничение значения скорости потока в трубопроводе допустимой скоростью истечения исключает опасные разряды только при данном способе подачи жидкости в аппарат (резервуар) данных форм и размеров.

1.3. Максимальная безопасная скорость транспортировки жидкости по трубопроводу определяется исходя из необходимости ограничить предельно допустимым значением плотность заряда в потоке, движущемся по данному трубопроводу.

1.4. Допустимая скорость истечения жидкости в аппарат (резервуар) определяется исходя из необходимости ограничить предельно допустимым значением максимально возможную плотность заряда в приповерхностном слое жидкости, находящейся в заполняемом аппарате (резервуаре), при данном способе загрузки.

1.5. Предельно допустимое значение плотности заряда определяется как плотность заряда в объеме жидкости, при которой вероятность возникновения разряда с энергией, равной 0,25 минимальной энергии зажигания смеси паров этой жидкости с воздухом, не превосходит 10^-3.

Если над поверхностью жидкости в заполняемом аппарате (резервуаре) возможно присутствие других горючих паров и газов, в качестве предельно допустимого принимается такое значение плотности заряда, при котором вероятность возникновения разряда с энергией, равной 0,25 наименьшей из минимальных энергий зажигания смесей этих паров и газов с воздухом, не превышает 10^-3.

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМОГО ЗНАЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА

2.1. В качестве исходных данных для расчета предельно допустимого значения плотности заряда используются следующие величины:

W_min - минимальная энергия зажигания среды над поверхностью жидкости, Дж;

x - эмпирический параметр.

При расчете должно использоваться значение W_min, приведенное в приложении 2 для паров данной жидкости при температуре, реализуемой в аппарате (резервуаре), в который поступает жидкость из трубопровода.

Если в приложении 2 отсутствуют необходимые данные о минимальной энергии зажигания, их необходимо определить экспериментально по методикам, разработанным во ВНИИТБХП и ВНИИПО. При отсутствии возможности экспериментального определения энергии зажигания, а также в случае, если над поверхностью жидкости, кроме ее собственных паров, присутствуют другие горючие пары и газы, минимальная энергия зажигания может быть приближенно определена в соответствии с "Методами расчета минимальных энергий зажигания бинарных и многокомпонентных смесей органических веществ в воздухе при нормальной и повышенных температурах" (Северодонецк, ВНИИТБХП, 1977).

Параметр x для жидких индивидуальных углеводородов и их смесей (в т.ч. светлых нефтепродуктов) может быть определен по формуле:

где e - диэлектрическая проницаемость жидкости;

f - поверхностное натяжение жидкости, кг/с²;

t = e₀eр_v - время релаксации заряда в жидкости, с;

e₀ - электрическая постоянная, равная 8,85 10^-12 Ф/м;

р_v - удельное объемное электрическое сопротивление жидкости, Ом × м.

Значения e и f, используемые для расчета, могут быть заимствованы из справочной литературы. В частности, из "Справочника по теплофизическим свойствам газов и жидкостей" (М., Физматгиз, 1963, авт. Варгафтик Н.Б.) или сборника "Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов" под ред. В.М. Татевского (М., Гостоптехиздат, 1960). При этом необходимо использовать значения, соответствующие температуре, реально существующей в аппарате (резервуаре).

Значение р_v должно определяться экспериментально (согласно ГОСТ 6581-75) также при температуре, реализуемой в аппарате (резервуаре), в который поступает жидкость. В случае отсутствия возможности выполнения таких измерений, могут быть использованы данные из приложения 1, причем следует принимать наименьшее из приведенных значений.

2.2. Предельно допустимое значение плотности заряда в Кл/м³ рассчитывается по формуле:

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНЫХ БЕЗОПАСНЫХ СКОРОСТЕЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ V_d ЖИДКОСТЕЙ ПО ТРУБОПРОВОДАМ

3.1. В качестве исходных данных для расчета максимальной безопасной скорости транспортировки жидкостей по трубопроводу используются следующие величины:

d_у - условный проход трубопровода, мм;

r₀ - радиус трубопровода, м;

n - кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

e - диэлектрическая проницаемость жидкости;

Т - температура жидкости в трубопроводе, °К;

a - коэффициент, учитывающий влияние мелкодисперсных примесей;

q_n.g - предельно допустимое значение плотности заряда в жидкости, Кл/м³.

Радиус трубопровода r₀ определяется как половина условного прохода d_у. Кинематическая вязкость жидкости и диэлектрическая проницаемость e могут заимствоваться из справочной литературы или непосредственно измеряться при температуре, равной температуре жидкости в трубопроводе.

Значение коэффициента a определяется по графику рис. 1. Если содержание механических примесей заведомо невелико, но точно неизвестно, принимают a = 1,1 для жидких углеводородов и 1,2 для светлых нефтепродуктов.

Предельно допустимое значение плотности заряда определяется согласно разд. 2.

3.2. Максимальная безопасная скорость транспортировки жидкости по трубопроводу V_d (м/с) может быть рассчитана аналитически по формуле:

3.3. Расчет максимальной безопасной скорости транспортировки жидкости по трубопроводу может быть также осуществлен графоаналитическим методом. Для этого предварительно рассчитывается значение параметра

Рис. 1

Величину множителя n^5/8 можно определить по графику рис. 2, пользуясь значением n в сантистоксах, заимствованным из справочной литературы или непосредственно измеренным при температуре, соответствующей температуре жидкости в трубопроводе. Затем полученное значение z откладывается на оси ординат графика рис. 3 и проводится горизонталь до пересечения с кривой, соответствующей внутреннему диаметру (условному проходу) трубопровода. Опустив затем перпендикуляр из точки пересечения на ось абцисс, получаем значение максимальной безопасной скорости транспортировки жидкости по этому трубопроводу.

Рис. 2

Рис. 3

Если необходимо определить максимальную безопасную скорость V_d транспортировки жидкости по трубопроводу, имеющему внутренний диаметр (условный проход) , для которого на рис. 3 кривая отсутствует, то описанным методом находят максимальную безопасную скорость транспортировки этой жидкости по трубопроводу, имеющему ближайший к требуемому сверху диаметр , для которого имеется кривая на рис. 3, и максимальную безопасную скорость  транспортировки этой жидкости по трубопроводу, имеющему ближайший к требуемому снизу диаметр , для которого также имеется кривая на рис. 3. После этого  находится из соотношения:

т.е. путем линейной интерполяции.

4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДОПУСТИМЫХ СКОРОСТЕЙ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ V_g В ЕМКОСТИ (АППАРАТЫ, РЕЗЕРВУАРЫ)

4.1. В качестве исходных данных для расчета допустимой скорости истечения жидкости из трубопровода в аппарат или резервуар (загрузочный патрубок вертикальный, расстояние от его конца до дна не более 200 мм) используются следующие величины:

d_y - условный проход трубопровода, мм;

n - кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

e - диэлектрическая проницаемость жидкости;

Т - температура жидкости, °К;

a - коэффициент, учитывающий влияние мелкодисперсных механических примесей;

q_n.g. - предельно допустимое значение плотности заряда в жидкости, Кл/м³;

t = e₀er_n - время релаксации заряда в жидкости, с;

e₀ - электрическая постоянная, равная 8,85 × 10^-12 Ф/м;

r_n - удельное объемное электрическое сопротивление жидкости, Ом × м;

Д - диаметр цилиндрического аппарата (резервуара), м;

в - расстояние от стенки аппарата (резервуара) до загрузочного патрубка (в долях Д).

Кинематическая вязкость жидкости n, диэлектрическая проницаемость жидкости e, коэффициент a и предельно допустимое значение плотности заряда в жидкости q_n.g. определяются, как указано в разд. 3.

Удельное объемное электрическое сопротивление жидкости r_n должно определяться путем непосредственных измерений согласно ГОСТ 6581-75 с пробами, отобранными из данного аппарата (резервуара). В случае невозможности осуществления таких измерений для расчета, может быть использовано наибольшее из приводимых в приложении 1 значений.

4.2. Расчет допустимой скорости истечения жидкости Vg из трубопроводов, имеющих условный проход от 40 до 200 мм, в емкость (аппарат, резервуар) со сферическим, эллиптическим или коническим днищем (при условии, что загрузочный патрубок вертикален, расстояние от его конца до дна не превосходит 200 мм) осуществляется графоаналитическим методом.

Предварительно рассчитывается значение параметра

.

При этом величина множителя n^5/8 может быть определена по графику рис. 2 с использованием значения n в сантистоксах, заимствованного из справочной литературы или непосредственно измеренного при температуре, соответствующей температуре жидкости в трубопроводе.

Затем в зависимости от положения емкости (аппарата, резервуара) - горизонтального или вертикального (рис. 4), ее диаметра Д, расстояния загрузочного патрубка от стенки в и условного прохода трубопровода d_y, выбирается один из графиков приложения 3. При выборе графика следует учитывать, что если в случае, для которого ведется расчет, расстояние загрузочного патрубка от стенки в не равно ни одному из приведенных на графике, то выбирается график с ближайшим к требуемому меньшим значением в.

Рассчитанное значение параметра Z откладывается на оси ординат выбранного графика. Из полученной точки проводится горизонтальная прямая до пересечения с кривой, соответствующей заданным значениям d_y и t. Перпендикуляр, опущенный из точки пересечения на ось абцисс, пересекает эту ось в точке, соответствующей искомому значению допустимой скорости истечения Vg.

Если на графике отсутствует кривая, соответствующая значению t, равному времени релаксации заряда в данной жидкости, для расчета используется кривая, соответствующая ближайшему большему значению t.

Допустимые скорости истечения из трубопроводов, имеющих внутренний диаметр (условный проход), для которого на графиках приложения 3 отсутствуют кривые, определяются путем линейной интерполяции (см. раздел 3) по значениям допустимых скоростей истечения той же жидкости из трубопроводов ближайших большего и меньшего диаметров.

4.3. Допустимые скорости истечения жидкостей Vg из трубопроводов, имеющих условный проход от 250 до 600 мм, мало отличаются от максимальных безопасных скоростей транспортировки жидкостей по этим трубопроводам.

Рис. 4. Схема ввода загрузочного патрубка в цилиндрическую емкость:

а) вертикальную;

б) горизонтальную

Пример 1. Определить максимальную безопасную скорость транспортировки параксилола (технического) по трубопроводу диаметром 80 мм и допустимую скорость истечения его из этого трубопровода в вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 2,5 м через вертикальный загрузочный патрубок, отстоящий от стенки на расстоянии 0,8 м. Температура 50 °С. Многократными измерениями установлено, что удельное объемное электрическое сопротивление параксилола в данном производстве может иметь величину от 2,3 × 10⁹ Ом × м до 1,9 × 10¹⁰ Ом × м. Содержание механических примесей невелико, но точно не определялось.

Определяем предельно допустимую плотность заряда.

Согласно приложению 2 для параксилола при 50 °С W_min = 0,404 мДж = 4,04 × 10^-4 Дж.

В сборнике "Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов" на стр. 375 и 394 находим, что для параксилола при 50 °С e = 2,319; f = 0,02504 кг/с². Значение r_n берем наименьшее из приведенного диапазона, т.е. r_n = 2,3 10⁹ Ом × м, что соответствует t = 0,047 с.

Тогда

,

.

Для расчета максимальной безопасной скорости транспортировки и допустимой скорости истечения воспользуемся графоаналитическим методом.

Значение коэффициента a принимается равным 1,1, Т = 323 °К; e = 2,319.

В сборнике "Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов" на стр. 118 находим для параксилола при 50 °С n = 0,556 сСт; согласно рис. 2 n^5/8 = 1,27 × 10^-4.

Тогда

.

Найдя на оси ординат рис. 3 точку, соответствующую Z = 0,1295 × 10^-11, проводим из нее горизонтальную прямую до пересечения с кривой, соответствующей внутреннему диаметру трубопровода 80 мм. Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и получаем искомое значение безопасной скорости транспортировки 0,62 м/с.

Для определения допустимой скорости истечения выбираем в приложении 3 график, соответствующий вертикальной емкости Д = 1,8 - 2,5 м, в = 0,3 Д (ближайшее к заданному значению в снизу), и выполняем на нем те же операции, используя кривую, соответствующую d_y = 80 мм и t = 0,4 с (максимальное время релаксации заряда, определенное исходя из r_n = 1,9 × 10¹⁰ Ом × м, равно 0,392 с). Получаем искомое значение допустимой скорости истечения - 2,2 м/с, что в 3,5 раза выше безопасной скорости транспортировки.

Пример 2. Определить максимальные безопасные скорости транспортировки нефтяного бензола по трубопроводам диаметром 100 мм и 200 мм и допустимые скорости истечения его из этих трубопроводов в горизонтальный цилиндрический резервуар диаметром 2 м. Температура 50 °С. Возможности экспериментального определения исходных параметров отсутствуют. Содержание механических примесей не превосходит 30 г/м³.

Согласно приложению 1 удельное объемное электрическое сопротивление нефтяного бензола может иметь величину от 4,0 × 10¹¹ до 1,0 × 10¹² Ом × м, т.е. значительно более 10⁹ Ом × м.

Необходимо вначале рассчитать предельно допустимую плотность заряда. Согласно приложению 2 для бензола при 50 °С - W_min = 0,166 мДж.

В сборнике "Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов" на стр. 374 и 392 находим, что для бензола при 50 °С e = 2,344; f = 0,02476 кг/с². Значение r_n берем наименьшее, из приведенного в приложении 1 диапазона, т.е. r_n = 4,0 × 10¹¹ Ом × м; следовательно t = 8,3 с.

Тогда

.

Для расчета максимальной безопасной скорости транспортировки и допустимой скорости истечения воспользуемся графоаналитическим методом.

Значение коэффициента a, согласно рис. 1, равно 1; Т = 323 °К, e = 2,344.

В сборнике "Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов" на стр. 116 находим для бензола при 50 °С n = 0,513 сСт; согласно рис. 2 n^5/8 = 1,17 × 10^-4.

Тогда

.

Найдя на оси ординат рис. 3 точку, соответствующую Z = 0,16 × 10^-11, проводим из нее горизонтальную прямую до пересечения с кривой, соответствующей внутреннему диаметру трубопровода 100 мм. Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абцисс и получаем искомое значение безопасной скорости транспортировки по трубопроводу, имеющему d_y = 100 мм - 1,02 м/с. Продолжив горизонтальную прямую до пересечения с кривой, соответствующей d_y = 200 мм, и опустив из точки пересечения перпендикуляр, находим для этого трубопровода V_d = 2,45 м/с.

Для определения допустимой скорости истечения выбираем в приложении 3 график, соответствующий горизонтальной емкости Д = 1,8 - 2,5 м, и выполняем на нем те же операции, используя кривые, соответствующие d_y = 100 мм и d_y = 200 мм при t = 1000 с (ближайшее сверху значение к максимальному значению t для нефтяного бензола 20 с). Так как положение этих кривых в точности соответствует положению кривых для d_y = 100 мм и d_y = 200 мм на рис. 3, результаты получаются те же.

Приложение 1

УДЕЛЬНОЕ ОБЪЕМНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ (Ом × м)

Приложение 2

МИНИМАЛЬНЫЕ ЭНЕРГИИ ЗАЖИГАНИЯ ПАРО- И ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ (мДж)

Приложение 3

Вертикальный резервуар

Вертикальный резервуар

Вертикальный резервуар

Вертикальный резервуар

СОДЕРЖАНИЕ