Приложение В (справочное). Оценка источников утечки

Приложение В
(справочное)

Оценка источников утечки

В.1 Символы

Ар - площадь поверхности, м ²;

C _d - коэффициент расхода (безразмерный показатель), который является характеристикой отверстий утечек и расчетов влияния турбулентности и скорости, обычно 0,50-0,75 для острых отверстий и 0,95-0,99 для круглых отверстий;

С _р - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг x К);

- показатель политропы адиабатического расширения или отношение удельных теплоемкостей (безразмерный показатель);

М - молекулярная масса газа, кг/кмоль;

р - давление внутри резервуара, Па;

р - перепад давления около отверстия, через которое происходит утечка, Па;

р _а - атмосферное давление (101 325 Па);

р _с - критическое давление, Па;

p _v - давление паров жидкости при температуре Т, Па;

Q _g - объемный расход горючего газа от источника, м ³/с;

R - универсальная газовая постоянная 8314,5 Дж/(кмоль x К);

- плотность жидкости (масса на единицу объема, кг/м ³);

- плотность газа или пара в условиях окружающей среды, кг/м ³;

S - площадь поперечного сечения проема, через который происходит утечка жидкости, м ²;

T _а - температура окружающей среды T _а, К;

Т - температура внутри резервуара, газа или жидкости, K;

u _w - скорость ветра у поверхности бассейна с жидкостью, м/с;

W - скорость выделения жидкости (масса за один раз, кг/с);

W _e - скорость испарения жидкости, кг/с;

W _g - массовый выброс газа, кг/с;

Z - коэффициент сжимаемости (безразмерный).

В.2 Примеры степеней утечки

В.2.1 Общие положения

Примеры, приводимые в В.2.2-В.2.4, не обязательно предназначены для прямого использования и могут быть изменены в зависимости от особенностей технологического оборудования и условий работы. Некоторые виды оборудования могут иметь несколько степеней утечки.

Значения параметров в приведенных формулах следует выбирать так, чтобы обеспечить соответствующий уровень осмотрительности с учетом любой неопределенности. Исходя из этого конкретные коэффициенты безопасности не указывают.

В.2.2 Источники постоянной утечки:

a) поверхность горючей жидкости в закрытом резервуаре с постоянно открытым в атмосферу вентиляционным каналом;

b) поверхность горючей жидкости в резервуаре, который открыт непрерывно или в течение длительных периодов времени.

В.2.3 Источники утечки первой степени:

a) уплотнения насосов, компрессоров или клапанов с утечкой горючего вещества в нормальном режиме работы;

b) устройства отделения воды в резервуарах с горючим газом или жидкостью, из которых возможна утечка горючего вещества в атмосферу в процессе выпуска воды в нормальном режиме работы;

c) устройства отбора проб, через которые возможна утечка горючего вещества в нормальном режиме работы;

d) клапаны сброса, вентиляционные каналы и другие отверстия, через которые возможна утечка горючего вещества в нормальном режиме работы.

В.2.4 Источники утечки второй степени:

a) уплотнения насосов, компрессоров и клапанов, через которые утечка горючего вещества в нормальном режиме работы не возможна;

b) фланцы, соединения и трубные фитинги, через которые утечка горючего вещества в нормальном режиме работы не возможна;

c) устройства отбора проб, через которые утечка горючего вещества в нормальном режиме работы не возможна;

d) клапаны сброса, вентиляционные каналы и другие отверстия, через которые утечка горючего вещества в нормальном режиме работы не возможна.

В.3 Оценка степеней утечки

Неправильная оценка степени утечки может поставить под угрозу результат всей процедуры. Хотя степени утечки определены (см. 3.4.2, 3.4.3 и 3.4.4), на практике не всегда легко отличить одну степень утечки от другой.

Например, обычно считается, что каждая утечка, которая не происходит при нормальном режиме эксплуатации, является утечкой второй степени, и предположительная продолжительность утечки обычно пренебрежительно мала. Однако принцип утечки второй степени основан также на предположении, что утечка будет происходить только в течение короткого периода времени. Это означает, что потенциально продолжительная утечка будет идентифицирована после начала утечки и как можно скорее будут приняты меры по устранению. При таком предположении возникает проблема регулярного мониторинга и технического обслуживания оборудования и установки.

Очевидно, что при отсутствии регулярного мониторинга и плохого обслуживания утечки могут длиться часами, если не днями, прежде чем их обнаружат. Такая задержка обнаружения не означает, что источник утечки следует классифицировать как утечку первой степени или непрерывную утечку. Есть большое количество автоматических удаленных установок, где утечка может присутствовать длительное время незамеченной, но даже такие установки должны контролироваться и проверяться на разумной постоянной основе. Таким образом, любая оценка степени утечки должна основываться на тщательном рассмотрении и предположении, что мониторинг и проверка оборудования и установка будут выполнены разумным способом в соответствии с требованиями инструкций изготовителей, соответствующих правил и протоколов, а также надлежащей инженерной практике. Классификация взрывоопасных зон не должна служить прикрытием для плохого технического обслуживания, потребитель должен осознавать, что неправильная практика может поставить под угрозу принятые основания для классификации взрывоопасных зон.

Есть много случаев утечки, которые, по-видимому, вполне могут соответствовать определению утечки первой степени. Однако при тщательном изучении характера утечки может быть определено, что утечка может происходить так часто и непредсказуемо, что невозможно гарантировать, что взрывоопасная среда не будет присутствовать рядом с источником утечки. В таких случаях определение непрерывной утечки может быть более подходящим. Следовательно, определение непрерывной утечки подразумевает не только непрерывные утечки, но и утечки с высокой частотой (см. 3.4.2).

В.4 Суммирование утечек

В закрытых помещениях с более чем одним источником утечки для определения типа и протяженности зоны утечки возможно потребуется суммировать перед определением степени разбавления и фоновой концентрации.

Можно предположить, что постоянные утечки будут происходить большую часть времени, если не все время, и поэтому все утечки непрерывных оценок должны быть суммированы.

Утечки первой степени происходят при нормальном режиме эксплуатации, но маловероятно, что все эти источники будут выпускаться одновременно. Знания и опыт установки должны использоваться для определения максимального количества утечек первой степени, которые могут происходить одновременно в наихудших условиях.

Предполагается, что не возникает утечки второй степени при нормальном режиме эксплуатации. С учетом того, что маловероятна одновременная утечка более чем из одного источника, необходимо учитывать самую крупную утечку второй степени.

Суммирование источников утечки с регулярной (т.е. предполагаемой) деятельностью должно основываться на детальном анализе условий эксплуатации. При определении суммированных утечек (как по массе, так и по объему):

- суммарная постоянная утечка - это сумма всех отдельных постоянных утечек,

- суммарная утечка первой степени - это сумма некоторых отдельных утечек первой степени вместе с общей постоянной утечкой,

- суммарная утечка второй степени - это самая крупная отдельная утечка второй степени в сочетании с суммарной утечкой первой степени.

Если одно и то же горючее вещество выделяется из всех источников утечки, то скорости утечки (как по массе, так и по объему) можно суммировать напрямую.

Однако когда выбросы относятся к разным горючим веществам, ситуация может быть более сложной. При определении степени разбавления (см. рисунок С.1) характеристики утечки должны быть определены для каждого горючего вещества перед началом суммирования. Необходимо использовать утечку второй степени с наивысшим значением.

При определении фоновой концентрации [см. уравнение (С.1)] объемные характеристики утечки могут быть суммированы напрямую. Критическая концентрация, с которой сравнивается фоновая концентрация, является пропорцией нижнего концентрационного предела распространения пламени. Поскольку могло быть несколько утечек различных горючих веществ, нижнее значение нижнего концентрационного предела распространения пламени следует использовать в качестве показателя для сравнения.

В общем, постоянные утечки и утечки первой степени предпочтительно не должны располагаться в зонах с низкой степенью разбавления. Либо источники утечки должны быть перемещены, вентиляция должна быть улучшена или степень утечки должна быть уменьшена.

В.5 Размеры проемов и радиус источника

Наиболее важным фактором, который необходимо оценить в системе, является эквивалентный радиус проема для соответствующего источника утечки. Он определяет скорость высвобождения горючего вещества и таким образом, в конечном итоге, тип зоны и протяженность зоны.

Скорость выброса пропорциональна квадрату эквивалентного радиуса проема. Небольшое занижение этого эквивалентного размера проема, следовательно, приведет к сильной недооценке расчетного значения скорости утечки, которой следует избегать. Завышение эквивалента размера проема приведет к осторожному расчету, который приемлем по соображениям безопасности, однако степень осторожности также должна быть ограничена, потому что это в конечном итоге приводит к чрезмерно большим размерам зоны. Поэтому необходимо использовать тщательно сбалансированный подход при оценке размеров проемов.

Примечание - Хотя используется термин "радиус проема", большинство непреднамеренных проемов не имеют круглой формы. В таких случаях применяется коэффициент расхода в качестве компенсирующего условия для уменьшения скорости утечки с учетом проема эквивалентной площади.

Для продолжительных утечек и утечек первой степени эквивалентные размеры проемов определяются размером и формой выпускного отверстия, например различные вентиляционные отверстия и дыхательные клапаны, где газ выделяется в относительно предсказуемых условиях. Справочник по эквивалентным размерам проемов, можно учитывать для утечек второй степени, включенных в таблицу В.1.

Таблица В.1 - Предполагаемое поперечное сечение отверстия для утечки второй степени

Тип оборудования	Часть оборудования	Оценка утечки
		Типовые значения для условий, при которых размер отверстия утечки не увеличится, S, мм 2	Типовые значения для условий, при которых размер отверстия утечки может увеличиться, S, мм 2	Типовые значения для условий, при которых размер отверстия утечки может увеличиться до катастрофических размеров, S, мм 2
Уплотняющие элементы на стационарных частях	Фланцы с прокладкой из сжатого волокна или подобными прокладками	0,025 до 0,25	> 0,25 до 2,5	сегмент между двумя болтами, умноженный на толщину прокладки, обычно 1 мм
	Фланцы со спирально-навитой прокладкой или подобными прокладками	0,025	0,25	сегмент между двумя болтами, умноженный на толщину прокладки, обычно 0,5 мм
	Кольцевые прокладки	0,1	0,25	0,5
	Отвод трубы малого диаметра до 5 мм а	0,025 до 0,1	> 0,1 до 0,25	1,0
Уплотняющие элементы на движущихся при низкой скорости частях	Уплотнение штока клапана	0,25	2,5	Определяется на основе данных изготовителя оборудования, но не менее, чем 2,5 мм 2 d
	Клапан для сброса давления b	0,1 х (площадь отверстия)	Не применяется	Не применяется
Уплотняющие элементы на движущихся при высокой скорости частях	Центробежные насосы и компрессоры c	Не применяется	1 до 5	Определяется на основе данных изготовителя оборудования, но не менее, чем 5 мм 2 d, е
а Рекомендуемые поперечные сечения отверстий для кольцевых соединений, резьбовых соединений, компрессионных соединений (например, металлические компрессионные фитинги) и быстроразъемные соединения на трубопроводах с малым внутренним диаметром. b Этот пункт относится не к полному открытию клапана, а к различным утечкам из-за неисправности элементов клапана. Для конкретных применений может потребоваться отверстие с поперечным сечением больше, чем предлагается. с Поршневые компрессоры: корпус компрессора и цилиндры обычно не протекают, а уплотнения поршневого штока и различные соединения труб в технологической системе протекают. d Данные производителя оборудования: для оценки воздействия требуется сотрудничество с производителем оборудования в случае ожидаемого отказа (например, наличие чертежа с деталями, относящимися к уплотнительным устройствам). е Конфигурация технологической установки: при определенных условиях (например, предварительное исследование) оперативный анализ для определения максимально допустимой скорости выброса горючего вещества может компенсировать нехватку данных от изготовителя оборудования. Примечание - Другие типовые значения или рекомендации по условиям эрозии и разрушения также можно найти в национальных или отраслевых правилах, относящихся к конкретным применениям.

Более низкие значения в диапазоне следует выбирать для идеальных условий, в которых вероятность отказа мала, например эксплуатация при характеристиках значительно ниже заданных. Более высокие значения в диапазоне следует выбирать тогда, когда условия эксплуатации близки к заданным и неблагоприятные условия, такие как вибрация, колебания температуры, плохие условия окружающей среды или загрязнение газов, могут увеличить вероятность отказа. Как правило, автоматическая установка требует особого внимания, чтобы избежать сценариев серьезных неисправностей. Основание для выбора размера отверстия должно быть надлежащим образом задокументировано.

В.6 Виды утечки

На рисунке В.1 приведен общий характер различных типов утечки.

Рисунок В.1 - Типы утечки

В.7 Скорость утечки

В.7.1 Общие требования

Скорость утечки зависит от таких параметров, как:

а) характер и тип утечки

Это связано с физическими характеристиками источника утечки, например, открытая поверхность, негерметичный фланец и т.д.;

б) скорость утечки

Для данного источника утечки скорость утечки увеличивается с увеличением давления утечки. Дозвуковая скорость утечки газа зависит от рабочего давления. Размер облака горючего газа или пара определяется скоростью горючего газа или паровыделением и скоростью разбавления. Газ и пар, высвобождающиеся из утечки с высокой скоростью, увлекают воздух и могут самораствориться. Распространение взрывоопасной газовой среды почти не зависит от воздушного потока. Если вещество выбрасывается с низкой скоростью или если его скорость уменьшается из-за столкновения с твердым предметом, оно будет переноситься воздушным потоком, и его разбавление и степень будут зависеть от потока воздуха;

в) концентрация

Масса выделяемого горючего вещества увеличивается с концентрацией горючего пара или газа в высвобождающейся смеси;

г) летучесть горючей жидкости

Это связано главным образом с давлением пара и энтальпией (теплом) парообразования. Если давление пара неизвестно, точку кипения и температуру вспышки можно использовать в качестве основания.

Взрывоопасная среда не может существовать, если температура вспышки выше соответствующего максимального значения температуры горючей жидкости (см. примечание 1). Чем ниже точка воспламенения, тем больше может быть протяженность зоны. Однако если горючее вещество высвобождается в форме тумана (например, при распылении), может образоваться взрывоопасная среда ниже точки воспламенения вещества.

Примечание 1 - Опубликованные табличные и экспериментальные данные о температуре вспышки не всегда отображают точные значения, и данные испытаний могут отличаться. Если точные значения температуры вспышки неизвестны, допускается некоторая погрешность в заданных параметрах. Запас температуры 5 °С для чистых жидкостей - это большой запас, а для смесей он является обычным.

Есть два измерения температуры вспышки: закрытая чашка и открытая чашка. Для закрытого оборудования (и чтобы иметь больший запас значения температуры) используется температура воспламенения в закрытой чашке. Для горючей жидкости в открытой чашке допускается использовать температуру вспышки в открытой чашке.

Примечание 2 - Некоторые жидкости (например, некоторые галогенированные углеводороды) не обладают температурой вспышки, хотя они способны создавать взрывоопасную газовую среду. В этих случаях равновесную температуру жидкости, которая соответствует насыщенной концентрации на нижнем концентрационном пределе распространения пламени, следует сравнить с соответствующей максимальной температурой жидкости;

д) температура жидкости

Повышение температуры жидкости увеличивает давление пара, тем самым увеличивая выброс скорости из-за испарения;

е) температура жидкости может быть увеличена после ее выпуска, например с помощью горячей поверхности или высокой температуры окружающей среды. При испарении также будет тенденция охлаждения жидкости до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия на основе подводимой энергии и энтальпии жидкости.

В.7.2 Интенсивность утечки

В.7.2.1 Общие требования

Формулы и методики оценки, представленные в данном приложении, не предназначены для использования на всех установках и применимы только в определенных условиях, указанных в каждом разделе.

Применение формул позволяет получить ориентировочные результаты, что связано с ограничениями, возникающими при попытке описать сложные явления с помощью упрощенных математических моделей. Допускается также применять другие методы расчета.

Следующие примеры показывают значения интенсивности утечки горючих жидкостей и газов. Более точная оценка интенсивности утечки возможна с учетом характеристик любых проемов и вязкости жидкости или газа. Дальнейшее уточнение оценки интенсивности утечки будет достигнуто с учетом свойства любых проемов и вязкости жидкости или газа. Вязкость может значительно уменьшить скорость утечки, если длина проема, через которое выделяется горючее вещество, больше, чем ширина проема. Эти факторы обычно учитываются в коэффициенте расхода (C _d 1).

Коэффициент расхода C _d является эмпирическим значением, полученным на основе ряда экспериментов для конкретных случаев утечки и для конкретных деталей отверстий. В результате C _d может принимать разные значения для каждого конкретного случая утечки. Коэффициент расхода C _d (не менее 0,99 - для предметов с отверстиями правильной формы, например для вентиляционных отверстий, и 0,75 - для нестандартных отверстий) может быть достаточно точным приближенным значением, если другая соответствующая информация отсутствует для проведения оценки.

Если C _d применяется для расчетов, используемое значение должно применяться со ссылкой на подходящее руководство по применению.

В.7.2.2 Интенсивность утечки жидкости

Интенсивность утечки жидкости, кг/с, оценивают по формуле

.

(В.1)

Далее необходимо определить интенсивность испарения высвободившейся жидкости. Утечка жидкости может происходить в разных формах. Природа утечки и количество образующегося пара или газа также зависят от многих факторов. Примеры утечки включают в себя:

a) двухфазную утечку (т.е. комбинированную утечку жидкости и газа). Жидкости, такие как сжиженный нефтяной газ, могут находиться в газообразной и в жидкой фазе непосредственно перед отверстием, через которое происходит утечка, или после выхода из него вследствие разных термодинамических или механических взаимодействий. Это может привести к образованию капель и скоплений жидкости, в результате чего последует кипение жидкости, которое будет способствовать формированию паровоздушного облака;

b) однофазную утечку невоспламеняющейся жидкости. Для жидкостей с высокими точками кипения (выше температуры среды) значительную часть утечки обычно составляет жидкий компонент. Эта утечка может происходить в форме мелких капель, образующихся под действием струи. Выделение пара будет зависеть от образования струи и испарения из точки утечки, от мелких капель или любого последующего скопления жидкости.

Из-за разнообразия условий и переменных в настоящем стандарте не приводится методика оценки условий образования пара. При использовании стандарта следует тщательно выбирать подходящую модель, учитывая все ограничения этой модели и/или применяя надлежащим образом консервативный подход с любыми результатами.

В.7.2.3 Интенсивность утечки газа или пара

В.7.2.3.1 Общие требования

Приведенные ниже формулы позволяют получить приемлемые оценки интенсивности утечки газов. Если плотность газа