ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВАКУУМА В ВАГОНЕ-ЦИСТЕРНЕ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ Текст научной статьи по специальности «Математика»

Возникновение вакуума в вагоне-цистерне для перевозки нефтепродуктов

Асманкин Евгений Геннадьевич,

старший преподаватель кафедры «ХИИЭ», Российский университет транспорта (МИИТ), asman08@yandex.ru

Припута Богдан Евгеньевич

студент, Российский университет транспорта (МИИТ), sprus89ts@gmail.com

Цехмейстер Максим Николаевич

студент, Российский университет транспорта (МИИТ), zavirisa@mail.ru

Сивко Александр Владимирович

студент, Российский университет транспорта (МИИТ), voron.857.gabe@gmail.com

Лобов Кирилл Алексеевич

студент, Российский университет транспорта (МИИТ), lobovkirillalekseevich@gmail.com

Статья представляет собой исследование, посвященное такому явлению, как возникновение недопустимого вакуума в вагоне-цистерне для перевозки нефтепродуктов на железнодорожном транспорте. В работе описывается данное явление, его причины и возможные сценарии возникновения, возможные последствия при возникновении чрезвычайного происшествия, а также методы, технологии и рекомендации для предотвращения. Кроме того представляется метод расчета диаметра оптимального сечения предохранительных клапанов, служащих для регулирования давления в вагоне-цистерне и предотвращения как возникновения недопустимого вакуума (впускной предохранительный клапан), так и возникновения избыточного давления (выпускной предохранительный клапан) внутри котла вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов. Исследование является актуальным в свете увеличивающегося объема перевозок нефтепродуктов на железнодорожном транспорте и позволяет повысить эффективность и безопасность таких перевозок, а также уменьшить вероятность чрезвычайных ситуаций по причине возникновения недопустимого вакуума или избыточного давления в котле вагона-цистерны. В статье приводится пример расчет диаметра сечения предохранительного клапана для современного вагона-цистерны модели 15-9993. Кроме того в статье рассматривается иностранный опыт предотвращения недопустимого вакуума, а именно предохранительные клапаны, используемые в США на вагонах-цистернах. На основании расчетов и рассмотрения иностранного опыта авторы сформировали рекомендации по модернизации цистерны для предотвращения возникновения недопустимого вакуума в котле вагона-цистерны. Таким образом, данная статья может быть полезна специалистам в области производства вагонов и защитных систем для вагонов-цистерн на железнодорожном транспорте, а также организациям, занимающимся перевозками нефтепродуктов. Ключевые слова: транспортировка нефтепродуктов железнодорожным транспортом, возникновение вакуума в вагоне-цистерне, предохранительный клапан.

Вагоны-цистерны играют важную роль в мировой экономике, поскольку они обеспечивают безопасный и эффективный способ перевозки больших объемов жидкостей и газов. Однако вагоны-цистерны также подвержены различным физическим явлениям, которые могут повлиять на их работоспособность. Одним из таких явлений является образование вакуума внутри цистерны. Вакуум — это состояние, при котором давление внутри резервуара ниже атмосферного давления снаружи. Вакуум может возникать в вагонах-цистернах по разным причинам, таким как изменения температуры, изменения высоты, расширение и сжатие жидкости и т. д. Вакуум может вызвать серьезные проблемы для вагонов-цистерн, такие как взрыв, повреждение конструкции, потеря продукта и т.д.

Причины вакуума в вагоне-цистерне [1-2]

Вытекание жидкости, вызванное нормальным вытекающим потоком жидкости или неожиданным отклонением потока жидкости из резервуара (например, непреднамеренное открытие закрытого дренажного клапана), создающее вакуум в паровом пространстве резервуара. Это может возникнуть, когда уровень жидкости в резервуаре снижается из-за нормального или ненормального вытекания жидкости.

Потеря притока паров, вызванная неисправностью регулирующего клапана в закрытом положение или регулятора системы газовой подушки резервуара. Это может произойти, когда поступление пара в резервуар прерывается из-за неисправности компонента, регулирующего подачу пара. Например, когда регулирующий клапан или регулятор в системе защиты резервуара не открывается или неожиданно закрывается.

Изменение теплопередачи, увеличивающее охлаждение содержимого резервуара. Может быть вызвана низкой температурой окружающей среды, снижением солнечной радиации или неисправностью системы регулирования температуры нагревательного змеевика или подогревательной рубашки. Охлаждение может привести к сжатию жидкости и пара внутри бака, уменьшению их объема и давления, повреждению конструкции.

Смешивание продуктов в резервуаре. Может привести в возникновению эндотермических реакций, а также к большему износу и загрязнению таких компонентов, как предохранительный клапан.

Некоторые примеры или сценарии того, когда и где может возникнуть вакуум в вагоне-цистерне:

• Во время погрузочно-разгрузочных работ, когда уровень жидкости в цистерне быстро меняется и паровое пространство не может достаточно быстро отрегулироваться для поддержания равновесия.

• Во время транспортировки, когда вагон-цистерна проходит через разные высоты и испытывает изменения атмосферного давления.

• Во время хранения, когда температура окружающей среды значительно падает и вызывает сжатие жидкости и пара внутри резервуара.

• Во время паровой очистки или продувки, когда в бак впрыскивается горячий пар или газ, а затем охлаждается.

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м «

м см

0 см

<0

01

о ш т

X

3

<

т О X X

Потенциальные последствия вакуума в вагоне-цистерне [1-2]:

Имплозия: разрушение внутрь резервуара из-за превышения внешнего давления над внутренним давлением. Это может привести к выбросу его содержимого, а также повреждению близлежащего оборудования и конструкций.

Структурное повреждение: деформация или растрескивание резервуара из-за чрезмерного напряжения, вызванного вакуумом. Это может нарушить целостность и функциональность резервуара и увеличить риск утечки или разрыва.

Потеря продукта : испарение или утечка жидкого продукта из-за вакуума.

Воздействие на окружающую среду: выброс или утечка продукта может привести к загрязнению окружающей среды.

Деградация продукта: это ухудшение или изменение качества продукта из-за вакуума. Например, вакуум может вызывать окисление или полимеризацию некоторых нефтепродуктов, снижая их вязкость или стабильность.

Методы и рекомендации по предотвращению или уменьшению образования вакуума [1-5]:

• Соблюдать надлежащие процедуры погрузки и разгрузки, например, избегать переполнения или недостаточного заполнения, контролировать скорость потока, следить за давлением и температурой и т. д.

• Выполнять регулярный осмотр и техническое обслуживание резервуара и его компонентов и устройств, например, проверку на наличие утечек, коррозии, повреждений, износа и т. д.

В таблице 1 приведены некоторые методы предотвращения и уменьшения вакуума в вагонах-цистернах:

Таблица 1

Метод Функция

Предохранительные впускные клапаны Подача притока воздуха при возникновении вакуума. Выравнивание давления и предотвращение взрыва.

Системы защиты резервуаров или регуляторы давления Поддерживание давления с помощью инертного газа. Предотвращение вакуума и доступа кислорода.

Теплоизоляция или системы отопления Уменьшение потери тепла и поддерживание постоянной температуры. Предотвращение сжатия и охлаждения жидкости.

где ( - коэффициент расхода; S - эквивалентная площадь проходного сечения впускного предохранительного клапана; рв - плотность воздуха; АР - перепад давления, при

котором срабатывает впускной предохранительный клапан.

Запишем выражение для теплового потока за счёт внешней теплоотдачи котла цистерны в окружающую среду: &р = к^-{гт - о), (3)

здесь к - коэффициент теплопередачи: 1 ,

к =

(4)

1 8ст 1 — + + —

"1 '"от 2

— - коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности котла цистерны; —2 - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности котла цистерны;

ЛСт , 8Ст - коэффициент теплопроводности материала

стенки котла и толщины стенки котла; Г - внешняя поверхность котла цистерны.

Для недопущения снижения давления в котле цистерны после открытия впускного предохранительного клапана необходимо выполнение условия

Ов = Оср (5

Из уравнений (1 - 5) получим формулу для оценки эквивалентного диаметра О проходного сечения впускного предохранительного клапана:

О =

\к-¥

(6)

лсрв -х-1- рРв 'АР

Таблица 2

Исходные данные для расчета [4-7]

Расчет диаметра эквивалентного сечения предохранительного клапана

Для оценки проходного сечения впускного предохранительного клапана будем исходить из предположения, что поток теплоты, вносимый воздухом через предохранительный клапан, должен компенсировать тепловой поток за счёт внешней теплоотдачи котла цистерны в окружающую среду.

Запишем выражение для теплового потока воздуха, вносимого в цистерну через предохранительный клапан:

Ов = сРв'°-% "От - Хо), (1)

где Срв - удельная изобарная теплоёмкость воздуха; Хт

- температура технологического процесса; Хо - температура

окружающей среды;

%=0,1 1 - коэффициент, характеризующий степень

нагрева поступающего воздуха; в - массовый расход воздуха через впускной предохранительный клапан;

О = (- 2рв -АР , (2)

№ Физическая величина Размерность Величина

1 Плотность стали кг/м3 7800

2 Удельная теплоемкость стали Дж/(кгК) 480

3 Коэффициент теплопроводности стали Вт/(мК) 58

4 Объем цистерны м3 88

5 Внутренняя поверхность котла м2 119,8

6 Наружная поверхность котла м2 121,1

7 Плотность воздуха кг/м3 1,453

8 Коэффициент теплопроводности воздуха Вт/(мК) 0,021

9 Удельная теплоемкость воздуха Дж/(кгК) 1013

10 Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности котла цистерны (капельная конденсация пара) Вт/(м2К) 329,4

11 Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности котла цистерны (естественная конвекция воздуха) Вт/(м2К) 16

Расчет произведем для вагона-цистерны модели 15-9993, используя исходные данные из Таблицы 2. Характеристики предохранительного клапана: АР = 0,15 • 105Па , ( = 0,7, температура окружающей среды х0 = —30°С, коэффициент, характеризующий степень нагрева воздуха, поступающего в цистерну через клапан х= 1. Для определения коэффициентов теплоотдачи воспользуемся критериальными уравнениями для естественной конвекции.

Результаты расчетов показали, что эквивалентный диаметр проходного сечения впускного предохранительного клапана равен примерно 0,12 м.

В России используются в основном клапаны диаметром 32 и 65 мм (0,032 и 0,065 м). В то же время в США диаметр предохранительных клапанов на вагонах-цистернах может достигать 12 или 24 дюймов (0,3 м и 0,6 м) [2]. Поэтому одним из путей модернизации вагонов-цистерн является увеличение диаметра предохранительных клапанов. Кроме того, в США распространена практика установки двух предохранительных клапанов: впускного для предотвращения недопустимого вакуума и выпускного для предотвращения избыточного давления.

Возникновение вакуума в вагоне-цистерне является довольно редким явлением на железнодорожном транспорте, тем не менее, важно понимать причины его возникновения и методы предотвращения. Для исключения возникновения вакуума в вагонах-цистернах нужно усовершенствовать конструкцию этих вагонов. Экономически эффективным способом является конструкционная модификация, а именно установка двух клапанов на вагон-цистерну. Один предохранительно впускной, другой предохранительно выпускной. В данной статье приведены расчеты оптимального сечения данных клапанов. Монтаж клапанов определённого диаметра, таким образом исключат варианты возникновения не только вакуума, но и избыточного давления внутри котла вагона-цистерны.

Литература

1. TODD W. DRENNEN, P.E. Protect Tanks from Overpressure and Vacuum. // American Institute of Chemical Engineers (AlChE). 2019. https://www.aiche.org/resources/publications/cep/2019/december/ protect-tanks-overpressure-and-vacuum (Дата обращения: 13.06.2023)

2. Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks. API Standard 2000. // American Petroleum Institute.

3. Field Guide To Tank Cars. // Association of American Railroads. 2018. https://glossarissimo.wordpress.com/2018/01/24/en-pdf-field-guide-to-tank-cars-association-of-american-railroads/ (Дата обращения: 13.06.2023)

4. Цистерны. (Устройство, эксплуатация, ремонт). Справочное пособие.-М.: 1990.-154 с.

5. ВАГОН-ЦИСТЕРНА ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ. МОДЕЛЬ 15-9993. Руководство по эксплуатации. // ООО «ВНИЦТТ»

6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. 1972. 720 с.

7. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопере-дача.-М.: Энергоиздат. 1981.-417 с.

The emergence of a vacuum in a tank car for the transportation of petroleum products

Asmankin E.G., Priputa B.E., Tsehmeyster M.N., Sivko A.V., Lobov K.A.

Russian University of Transport (MIIT)

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

The article is a study devoted to such a phenomenon as the occurrence of an unacceptable vacuum in a tank car for the transportation of petroleum products by rail. The paper describes this phenomenon, its causes and possible scenarios of occurrence, possible consequences in the event of an emergency, as well as methods, technologies and recommendations for prevention. In addition, a method is presented for calculating the diameter of the optimal cross-section of safety valves used to regulate the pressure in the tank car and prevent both the occurrence of an unacceptable vacuum (intake safety valve) and the occurrence of excessive pressure (exhaust safety valve) inside the boiler of the tank car for the transportation of petroleum products. The study is relevant in the light of the increasing volume of transportation of petroleum products by rail and makes it possible to increase the efficiency and safety of such transportation, as well as to reduce the likelihood of emergencies due to the occurrence of unacceptable vacuum or overpressure in the boiler of the tank car. The article provides an example of calculating the cross-section diameter of a safety valve for a modern tank car model 15-9993. In addition, the article discusses foreign experience in preventing unacceptable vacuum, namely safety valves used in the USA on tank cars. Based on calculations and consideration of foreign experience, the authors formed recommendations for the modernization of the tank to prevent the occurrence of an unacceptable vacuum in the boiler of the tank car. Thus, this article may be useful to specialists in the field of production of wagons and protective systems for tank wagons on railway transport, as well as organizations engaged in the transportation of petroleum products. Keywords: transportation of petroleum products by rail, occurrence of vacuum in a

tank car, safety valve. References

1. TODD W. DRENNEN, P.E. Protect Tanks from Overpressure and Vacuum. //

American Institute of Chemical Engineers (AlChE). 2019. https://www.aiche.org/resources/publications/cep/2019/december/protect-tanks-overpressure-and-vacuum (Date of access: 06/13/2023)

2. Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks. API Standard 2000. //

American Petroleum Institute.

3. Field Guide To Tank Cars. // Association of American Railroads. 2018.

https://glossarissimo.wordpress.com/2018/01/24/en-pdf-field-guide-to-tank-cars-association-of-american-railroads/ (Date of access: 06/13/2023)

4. Tanks. (Device, operation, repair). Reference manual.-M.: 1990.-154 p.

5. Tank car for transportation of petroleum products. Model 15-9993. Manual. // LLC

"VNICTT"

6. Vargaftik N.B. Handbook on thermophysical properties of gases and liquids. M.:

Science. 1972. 720 p.

7. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer.-M.: Energoizdat. 1981.-

417 p.

X X О го А С.

X

го m

о

2 О M

со