QUÁ TRÌNH NỔ an toàn quá trình

QUÁ TRÌNH NỔ


Deflagration và Detonation
• Deflagration: quá trình lan truyền vùng cháy với vận tốc nhỏ hơn vận
tốc âm thanh
• Detonation: quá trình lan truyền vùng cháy với vận tốc lớn hơn vận
tốc âm thanh
• Explosion: là quá trình nổ tung của bồn chứa, bể chứa và đường ống
• Nổ: quá trình giải phóng năng lượng đột ngột
• Nghiên cứu quá trình nổ: xem xét tác động của:
• Vụ nổ xảy ra bên trong đường ống và bể chứa
• Vụ nổ xảy ra bên ngoài và tác động đến đường ống và bể chứa


Deflagration và Detonation
• Deflagration:
• Sóng áp suất lan truyền chậm khoảng 1m/s (với hỗn hợp hydrocarbon-không khí)
• Kéo dài từ vài milli giây đến vài giây

• Detonation:
• Sóng áp suất lan truyền với vận tốc siêu thanh, gần Mach 5, khoảng từ 15002700m/s
• Kéo dài từ vài micro giây đến vài mili giây

• Explosion:
• Quá trình cháy xảy ra trong bồn chứa gây ra áp suất cao và lan truyền vào đường
ống
• Ứng suất chu vi và dọc trục gây biến dạng vĩnh viễn, xé hoặc phá vỡ đường ống và
bể chứa

Deflagration và Detonation
• Deflagration:
• Khi vùng cháy bắt đầu lan truyền trong khoảng 1m đầu tiên (vận tốc 0,6 đến 1m/s) nó
sẽ nén khí trong ống tạo áp suất đỉnh đến 300psi (20bar)
• Với đường ống dài, quá trình deflagration có thể chuyển thành Detonation, khi đó vận
tốc lên đến 2000m/s và áp suất lên đến hang trăm bar
• Áp suất đỉnh tăng 500 lần so với áp suất ban đầu trong quá trình chuyển sang
detonation

• Quá trình chuyển từ Deflagration sang Detonation phụ thuộc:
•
•
•
•
•

Loại hỗn hợp khí
Áp suất ban đầu
Đường kính ống
Điều kiện bao kín xung quanh (mở, kín, hoặc kín một phần)
Mặt bằng bố trí


Deflagration và Detonation
• Quá trình chuyển từ Deflagration sang Detonation có tính chất:
• Xảy ra nhanh nếu áp suất ban đầu lớn kết hợp với bề mặt ống thô ráp
• Có mặt bộ phận ngăn cản dòng chảy (van, khe hẹp…)
• Ví dụ: lửa có áp suất 5,5psi và vận tốc lan truyền 150m/s trong đường ống
thẳn có thể tăng lên đến 240psi và 1100m/s khi đi qua khuỷu
• Đường kính ống càng nhỏ, áp suất ban đầu càng lớn thì quá trình chuyển càng

nhanh

• Với acetylene:
• Áp suất ban đầu 80psi chỉ cần quãng đường 0.6m đến chuyển từ deflagraion
sang detonation
• Áp suất ban đầu 10psi cần quãng đường dài đến 90m


Deflagration và Detonation
• Khi quá trình nổ xảy ra mọi vị trí trong đường ống và bể chứa đều
chịu xung áp suất ban đầu lớn sau đó giảm dần do quá trình phản xạ
và quay về xung ban đầu như hình sau


Các loại tải trọng động
• Mức độ nghiêm trọng của áp suất động lên hệ thống bồn chứa và
đường ống phụ thuộc vào khoảng thời gian của xung áp suất so sánh
với chu kỳ tự nhiên của đường ống và bể chứa T=1/f với f là tần số tự
nhiên)
• Tần số tự nhiên liên quan đến quá trình biến dạng động do xung áp
suất
• Đối với hình trụ (ống hoặc vỏ bồn chứa) biến dạng điển hình có hai
loại:
• Biến dạng dọc trục (dãn dọc trục)
• Biến dạng hướng kính (phồng hướng kính)
• Tại chỗ nối giữa thân và đầu bồn, biến dạng hướng ra làm oằn mối nối


Các loại tải trọng động
• Tần số tự nhiên của biến dạng dọc trục của hình trụ hở (ống hoặc

thân bồn)


Các loại tải trọng động
• Tần số tự nhiên của biến dạng hướng kính của hình trụ hở (ống hoặc
thân bồn)


Các loại tải trọng động
• Tải trọng do áp suất của quá trình nổ có thể xảy ra theo 3 chế độ:
• Hầu như tĩnh (quasi-static)
• Xung (impulsive)
• Động (dynamic)

• So sánh giữa khoảng thời gian chịu áp suất động (Tl) và chu kỳ tự nhiên
(T) ta có:
• Tl>40T: - cấu tử có độ cứng lớn và thời gian chịu áp suất động lớn chế độ biến
dạng thuộc loại hầu như tĩnh.
- cấu tử cứng có thời gian để biến dạng hoàn toàn trước khi áp suất
do nổ suy yếu
- xung hình chữ nhật có biến dạng gấp đôi so với áp suất tĩnh
- xung hình tam giá có biến dạng gấp 1,5 lần so với áp suất tĩnh


Các loại tải trọng động
• So sánh giữa khoảng thời gian chịu áp suất động (Tl) và chu kỳ tự
nhiên (T) ta có:
• Tl<0,4T: - cấu tử tương đối mềm dẻo thời gian chịu áp suất động ngắn, tải
trọng thuộc loại xung
- cấu tử dẻo không đủ thời gian để biến dạng trước khi áp suất suy

giảm
- biến dạng nhỏ hơn so với áp suất tĩnh
- biến dạng phụ thuộc vào cường độ áp suất (diện tích của phần
đường cong áp suất-thời gian) và thời gian tác động. Do vậy xung chữ nhật
tạo biến dạng lớn hơn xung tam giác


Các loại tải trọng động
• So sánh giữa khoảng thời gian chịu áp suất động (Tl) và chu kỳ tự
nhiên (T) ta có:
• 0,4Tmà thuộc về loại tải trọng động

• Khi ống hoặc bồn chứa chịu xung áp suất đầu tiên thường sẽ bị phồng
hoặc/và dãn ra
• Nếu ống hoặc bồn chứa không bị nổ vỡ với xung áp suất đầu tiên nó
sẽ hồi phục và tiếp tục chịu các xung áp suất phản xạ yếu hơn gây
hiện tượng rung tác động đến độ bền mỏi của ống và bồn chứa
• Độ bền mỏi được xem xét trong trường hợp có các vụ nổ xảy ra lập đi
lập lại. Nếu chỉ là vụ nổ đơn, độ bền mỏi thường không được xét đến


Các tính chất động
• Khi mức biến dạng rất cao trong các vụ nổ, có sự tăng độ bền yield và
độ bền tới hạn và giảm độ cứng của vật liệu
• Hàm số biểu diễn sự phụ thuộc của độ bền yield và độ bền tới hạn
theo tốc độ biến dạng đối với thép hàm lượng carbon thấp ở nhiệt độ
phòng khi tốc độ biến dạng nằm trong khoảng 1100s-1 như sau

Các tính chất động
• Hàm số tương tự:
và

với hợp kim nhôm
Lưu ý: không dùng các hàm số trên để xác định biến dạng tối đa do
biến dạng tối đa xảy ra khi tốc độ biến dạng tiến đến không


Các giới hạn áp suất
• Áp suất nổ vỡ hình trụ dưới áp suất tĩnh hoặc gần tĩnh tính bởi:


Các giới hạn áp suất
• Áp suất gây vỡ hình trụ dưới áp suất gây ra do nổ detonation tính bởi:


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh
• Khi ứng suất uốn lớn đáng kể so với ứng suất kéo và uốn trong trường
hợp ống hoặc bồn chứa bị biến dạng ta có thể xem là tải trọng tĩnh, khi
đó áp suất cần phải đạt giá trị:

• Có thể sử dụng công thức này để tính cho cả hai trường hợp biến dạng
đàn hồi và biến dạng dẻo


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh
• Phương pháp tiếp cận khác để phân tích ứng suất trong quá trình xảy

ra vụ nổ là áp dụng diễn tiến theo thời gian của xung áp suất tác dụng
lên mô hình phần tử hữu hạn có tính đàn hồi hoặc tính dẻo.
• Với phương pháp phần tử hữu hạn, có thể tính toán ứng suất, biến
dạng. Khi đó tiêu chuẩn chấp nhận sẽ phụ thuộc và yếu tố tính toán
và tiêu chuẩn ASME B&PV (Section III, Section VIII Division1, Division
2 và Division 3)
• Để áp dụng các quy luật thiết kế của ASME B&PV cần phải xác định
các đại lượng:


Các tiêu chuẩn thiết kế
• Để áp dụng các quy luật thiết kế của ASME B&PV cần phải xác định các đại
lượng:
Cường độ ứng suất màng toàn bộ chủ yếu Pm (ứng suất trung bình theo tiết
diện ngang) ngoại trừ các vị trí mất liên tục hình học và tập trung ứng suất
Cường độ ứng suất uốn chính Pb (thay đổi ứng suất tuyến tính từ bề dày zero
đến ½ bề dày đối tượng đang xét
Cường độ ứng suất màng cục bộ PL (ứng suất trung bình tại các vị trí mất
tính liên tục hình học nhưng thay đổi từ từ về kích thước và hình dạng và
không bị tập trung ứng suất)
Cường độ ứng suất gia tăng thứ cấp Q (ứng suất nơi mất liên tục hình học
không tập trung ứng suất)
Ứng suất đỉnh F (độ tăng ứng suất do tập trung ứng suất)


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh
• Ở chế độ tĩnh hoặc gần tĩnh, các quy luật thiết kế của ASME B&PV
Section VII Division 2 dựa trên các tính toán ứng suất đàn hồi
• Các tính toán này phụ thuộc vào ứng suất cho phép Sm là hàm số phụ

thuộc loại vật liệu và nhiệt độ (cho trong ASME Section VIII Division II
Part D) như sau


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh theo ASME Section
VIII Division 2
• Trường hợp phân tích đàn hồi:
ứng suất màng cơ sở tính toán được
kiểu đàn hồi bị giới hạn =70% ứng suất
tới hạn của vật liệu.
Các ứng suất màng và ứng suất uốn cơ
sở bị giới hạn đến 105% ứng suất tới
hạn.
Ứng suất trượt bị giới hạn đến 42%
ứng suất tới hạn


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh theo ASME Section
VIII Division 2
• Trường hợp phân tích dẻo:
Sử dụng đường cong biến dạng-ứng
suất thực.
Cường độ ứng suất cơ sở bị giới hạn
đến 90% ứng suất tới hạn
Ứng suất màng và ứng suất trượt cơ
sở bị giới hạn đến 70% và 42% ứng
suất tới hạn

Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh theo ASME Section
VIII Division 2
• Trường hợp phân tích phá giới hạn:
Vật liệu được mô hình hóa kiểu dẻo
đàn hồi hoàn hảo.
Tải trọng áp dụng bị giới hạn đến
90% tải trọng phá hủy
Tải trọng phá hủy là tải trọng gây
biến dạng lớn


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh theo ASME Section
VIII Division 2
• Trường hợp phân tích phá hủy dẻo:
Tải trọng giới hạn là tải trọng làm
biến dạng gấp đôi tải trọng tại ứng
suất yield.
Điều kiện trên được xác định khi


Các tiêu chuẩn thiết kế
Tải trọng gần tĩnh theo ASME Section
VIII Division 2
• Trường hợp phân tích độ không ổn
định dẻo:
Mô hình dẻo giả định biến dạng phát
triển liên tục tạo nên nhiều điểm nối

đến khi chế độ dẻo trở nên không ổn
định.
Tải trọng giới hạn được định nghĩa
bằng 70% tải trọng không ổn định