В результате механических воздействий

Глава 4

ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Необходимым условием обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации технологического оборудования является его прочность.

Под прочностью понимается способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации) при действии внешних нагрузок. Прочность технологического оборудования обеспечивается правильным подбором материала с учетом характера и величин внутренних и внешних нагрузок, действующих на него. При выборе прочностных характеристик оборудования всегда исходят из самых неблагоприятных условий работы.

Наблюдаемые на практике повреждения технологического оборудо-вания происходят в результате недостатков проектирования и конструктивного исполнения (неправильный расчет, неудачный выбор материала), дефектов изготовления (скрытые внутренние дефекты материала, некачественная подгонка и сварка), нарушения принятых режимов работы, отсутствия или неисправности средств защиты от чрезвычайных ситуаций (перегрузки, некачественное техническое обслуживание и ремонт).

Возможны следующие основные комбинации нарушений, приводя-щие к повреждению технологического оборудования:

- превышение расчетных нагрузок при сохранении расчетной прочности оборудования;

- снижение расчетной прочности оборудования при сохранении расчетных нагрузок;

- одновременное нарушение расчетных нагрузок и расчетной прочности оборудования.

Примером разрушения технологического оборудования в результате комбинации нарушений может служить авария с последующим крупным пожаром на складе сжиженных газов одного из газоперерабатывающих заводов. При заполнении горизонтального резервуара пропаном задвижку на коллекторе у заполняемой емкости закрыли без предварительной остановки насоса. При проектном максимальном давлении 2 МПа давление в коллекторе возросло до 3 МПа. Заглушка коллектора при проектной толщине 40 мм имела фактическую толщину 12 мм, причем ее шов по окружности не был проварен на 70 %. По проекту на приемных и выпускных коллекторах должны были быть установлены предохранительные клапаны, однако по неизвестной причине их не было. В результате снижения проектной прочности оборудования и значительного превышения рабочего давления в трубопроводе заглушку вырвало из фланца. Произошло воспламенение газовоздушной смеси, что привело к пожару и его распространению на всю группу резервуаров.

Причины повреждений технологического оборудования принято классифицировать следующим образом:

- повреждения в результате механических воздействий;

- повреждения в результате температурных воздействий;

- повреждения в результате химических воздействий.

Повреждения технологического оборудования

в результате механических воздействий

Под механическими воздействиями понимают такие воздействия, которые возникают в результате превышения расчетных нагрузок на оборудование при сохранении его расчетной прочности.

Наиболее характерным механическим воздействием является чрез-мерное внутреннее давление или разрежение, возникающее в аппарате при переполнении оборудования жидкостями, газами или их сливе.

Такое явление имеет место на производственных объектах при нарушении технологического режима, недостаточном контроле при ведении технологического процесса, неисправности контрольно-измерительных приборов и защитной автоматики.

Для предотвращения переполнения технологического оборудования жидкостями или газами предусматриваются:

- счетчики количества поступающих в оборудование веществ;

- пожаробезопасные уровнемеры, манометры;

- автоматические системы прекращения подачи продуктов, отклю-чающие насосы, компрессоры и питающие линии;

- сигнализаторы предельного верхнего уровня налива жидкости или СУГ;

- системы сигнализации и связи между наполняемыми аппаратами и операторными, насосными, компрессорными;

- переливные трубопроводные линии (запрещается устанавливать перекрывающую арматуру).

В технологических системах часто встречаются аппараты с разным рабочим давлением. Их подключение друг к другу без специфических дополнительных устройств может привести к авариям и пожарам.

Если аппарат работает под давлением, меньшим, чем давление питающего его источника, то на линии подключения аппарата к источнику давления должно быть предусмотрено, кроме запорной задвижки, автома-тическое редуцирующее устройство с манометром и предохранительным клапаном со стороны аппарата меньшего давления. Запорная задвижка должна находиться между аппаратом и редуцирующим устройством, ближе к аппарату. На случай небольшого изменения давления оба подключенных друг к другу аппарата должны быть рассчитаны на наибольшее давление. Опасны подключения систем, работающих при высоком давлении, к системам, работающим при более низком давлении.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате может возникнуть в результате нарушения материального баланса в оборудовании.

В установившемся процессе вводимые в систему потоки веществ, составляющие приходные статьи баланса, , должны равняться потокам веществ, выводимым из системы, , которые составляют расходные статьи баланса:

. (4.1)

В этом случае в аппарате сохраняется нормальное (рабочее) установленное для этого аппарата давление.

Для неустановившегося процесса характерно наличие разбаланса, показывающего убыль или накопление массы вещества в аппарате, которое, в свою очередь, также может привести к падению или росту давления в системе. Давление возрастает, если возрастает поступление веществ в аппарат при неизменном расходе или если расход веществ уменьшается при постоянном поступлении:

; (4.2)

. (4.3)

Нарушение материального баланса происходит и при несоответствии производительности насосов и компрессоров расходу продукта, при увеличении сопротивления в расходных и дыхательных линиях, а также в силу некоторых других причин. Любое изменение в расходе должно сопровождаться изменением производительности насоса или компрессора. Если насос будет работать с той же производительностью, а расход снижен, возникает повышенное давление в аппарате. Чтобы избежать этого явления за насосом устанавливают на линии манометры или автоматические регуляторы давления.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате или трубопроводе создается при наличии в нем отложений и пробок. На стенках аппаратов могут быть отложения солей, кокса, полимеров, кристаллогидратов и т. д. Из гидравлики известно, что потери давления в линиях определяются по формуле Дарси–Вейсбаха:

, (4.4)

где – коэффициент трения при движении продукта по трубе; d – диаметр трубы; – плотность вещества; u – скорость потока; l – длина трубопровода.

Из формулы (4.4) следует, что при уменьшении площади сечения трубопровода (при образовании в нем отложений) давление в линии растет пропорционально квадрату скорости движения потока или отношению площадей нормального и суженного сечений, либо будет соответственно уменьшаться производительность системы.

Не все насосы и компрессоры обладают способностью изменять свою производительность в соответствии с изменением сопротивления линии. Например, такой способности лишены насосы объемного действия – поршневые, шестеренчатые, ротационные. Для них наиболее опасно частичное или полное прекращение подачи рабочего вещества при непрерывной работе. В этом случае увеличение давления в линии неизбежно приведет к аварии. Центробежные насосы в этом отношении менее опасны, так как при увеличении сопротивления в линии насос начинает работать «на себя».

Во избежание аварий и повреждений от подобного рода причин
следует:

- отдавать предпочтение центробежным насосам и компрессорам;

- у поршневых насосов устраивать циркуляционную линию с перепускным клапаном;

- использовать устройства, автоматически регулирующие работу насоса в зависимости от величины давления в линии.

Уменьшение внутреннего сечения трубопровода может произойти в результате различного рода отложений, например, при понижении темпе-ратуры окружающей среды в газовых и жидкостных линиях происходит образование ледяных и кристаллогидратных пробок, что может привести к полной забивке сечения трубы и аварийной ситуации.

Для предупреждения образования пробок в линиях производят:

- очистку веществ от взвешенных твердых частиц и солей путем отстаивания и фильтрации;

- строгое соблюдение температурного режима при нагреве органи-ческих жидкостей во избежание образования отложений кокса;

- добавку в продукт ингибиторов, снижение температурного режима, ликвидацию застойных участков во избежание образования полимерных отложений;

- осушку исходных веществ от влаги (хлористым алюминием и кальцием, силикагелем, вымораживанием и т. п.), повышение температуры на участках, где наиболее вероятно образование пробок, введение в вещество добавок (метилового или этилового спирта), растворяющих кристалло-гидраты;

- теплоизоляцию аппаратов и трубопроводов, расположенных на открытых площадках и в неотапливаемых помещениях, прокладку параллельно трубам паровых спутников;

- очистку трубопроводов и аппаратов механическим или химическим способом в установленные инструкцией сроки;

- защиту газовых линий теплоизоляцией, а в наиболее низких участках газопровода (где возможно скопление жидкости) установку сборников конденсата.

В «дышащих» емкостных аппаратах (мерники, резервуары) повы-шенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своев-ременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата). Чаще всего это происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Эти же причины приводят к образованию вакуума при опорожнении резервуара, вызывая смятие его корпуса.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) возни-кает в результате нарушения температурного режима работы вследствие перегрева жидкостей или газов, что обусловлено отсутствием или неисп-равностью контрольно-измерительных приборов, недосмотром обслуживающего персонала, воздействием высоконагретых соседних аппаратов, повышением температуры окружающей среды и т. п. При этом давление в аппаратах возрастает за счет объемного расширения веществ и увеличения упругости их паров и газов.

Особую опасность представляют герметичные емкости и трубопро-воды, полностью заполненные жидкостью или газом без оставления парового пространства. Так как жидкости практически не сжимаемы, нагревание их даже до невысоких температур вызывает большие внутренние давления, приводящие к повреждениям и разрыву стенок. Характерными в этом отношении являются аварии резервуаров с СУГ.

На практике для обеспечения безопасности таких аппаратов нормативная степень заполнения должна быть: для емкостей и сосудов со сжиженными газами менее 0,85–0,9; для емкостей и сосудов с жидкостями менее 0,9–0,95.

Обеспечение нормативной степени заполнения аппаратов достигается применением устройств, сигнализирующих о пределе их заполнения. Так, для аппаратов с СУГ сигнализирующим устройством подача первого сигнала должна производиться при заполнении резервуара не более чем на
80 %. При заполнении газовых баллонов количество подаваемого газа контролируется по массе. Для контроля за температурой аппараты оборудуют измерителями и регуляторами. От облучения внешними источниками тепла их защищают теплоизоляцией, экранированием, окрашиванием в теплоотражающий цвет, обеспечивают предохранительными клапанами.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате может возникнуть, если в аппарат, рассчитанный на высокие температуры, попадет жидкость с низкой температурой кипения. Например, попадание низкокипящей жидкости через неплотности теплообменной поверхности холодильников, находящихся внутри аппаратов, при неправильном переключении линий, в виде конденсата из паровых технологических и продувочных линий. При этом происходит интенсивное испарение низкокипящей жидкости со значительным повышением давления, что может привести к аварийной ситуации.

Для предотвращения попадания низкокипящей жидкости в высоко-температурный аппарат на линиях подачи острого водяного пара (для целей обогрева, перемешивания, продувки и т. п.) устраивают приспособ-ления для спуска конденсата. Пар во избежание его конденсации подают только в достаточно прогретые (выше 100 ^оС) аппараты.

При резких изменениях величины давления в аппаратах (гидравлические удары), связанных с резким торможением движущегося потока жидкости или газа в результате вибраций от случайных ударов движущимся транспортом, возникают динамические нагрузки, которые вызывают образование внутренних напряжений в конструкциях аппарата значительно выше тех, которые могут возникнуть от статических нагрузок. Динамическим коэффициентомназывают отношение внутреннего напряжения, вызванного нагрузкой динамического характера, к напряжению, вызванному статическим воздействием. Его величина имеет диапазон от 1,5 до 15.

Резкие изменения давления в аппаратах (трубопроводах) могут происходить при испытании их на прочность, при пуске в эксплуатацию, в моменты остановки, а также при грубых нарушениях установленных режимов температур и давлений. В эти периоды работы аппаратов необходимо обеспечить плавность изменения давления, предусмотренную соответствующими документами.

Гидравлические удары возникают в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосами жидкости, при резком изменении давления на участках трубопроводов.

Величину , на которую повысится давление в трубопроводе при полном гидравлическом ударе, определяют по формуле Н. Е. Жуковского:

, (4.5)

где c – скорость распространения ударной волны; – уменьшение скорости движения при торможении струи.

, (4.6)

где d – внутренний диаметр трубопровода; – толщина стенки
трубопровода; Е – модуль упругости материала трубопровода; Е_ж – модуль упругости жидкости (величина, обратная коэффициенту объемного сжатия жидкостей ).

Для предотвращения возможности возникновения гидравлического удара на трубопроводах устанавливают медленно закрывающиеся зад-вижки, воздушные колпаки и предохранительные клапаны, автоматически открывающиеся при повышении давления выше нормативного.

По конструктивному исполнению предохранительные клапаны могут быть рычажными, грузовыми, пружинными и манометрическими
(рис. 4.1), а по назначению – рабочими и контрольными.

Рис. 4.1. Схемы предохранительных клапанов:

а – рычажный; б – грузовой; в – пружинный; г – манометрический; 1 – патрубок для соединения с аппаратом; 2 – корпус клапана; 3 – патрубок выхлопной; 4 – тарелка

и шток клапана; 5 – рычаг с противовесом; 6 – пружина с регулятором натяжения;

7 – груз; 8 – аппарат; 9 – жидкость

Если клапан на аппарате установить нельзя, его размещают вблизи аппарата. На трубопроводе между аппаратом и предохранительным клапаном не должно быть других запорных устройств. Размеры, количество, а также давление срабатывания предохранительных клапанов выбирают с таким расчетом, чтобы в аппарате не могло образоваться давление, на 0,05 МПа превышающее рабочее (для аппаратов с избыточным давлением от 0,07 до 0,3 МПа), более чем на 15 % – при давлении до 6 МПа (изб.) и на 10 % – при рабочем давлении свыше 6 МПа (изб.).

При расчете пропускной способности G, кг/с, или площади сечения предохранительного клапана для паров и газов пользуются формулой

, (4.7)

где – коэффициент расхода (приводится в паспорте клапана); – избыточное давление срабатывания клапана; – избыточное давление за предохранительным клапаном; – плотность среды при условиях
срабатывания клапана ( и ); – температура среды перед клапаном;
В – коэффициент, определяемый по табл. 4.1.

Для жидкостей коэффициент В принимают равным единице.

Таблица 4.1

р2/р1	Коэффициент В при значении показателя адиабаты k
1,24	1,30	1,40	1,66	2,00	2,50	3,00
0,00	0,464	0,472	0,484	0,513	0,544	0,582	0,612
0,04	0,474	0,482	0,494	0,524	0,556	0,594	0,625
0,12	0,495	0,503	0,516	0,547	0,580	0,620	0,653
0,20	0,519	0,527	0,531	0,573	0,609	0,651	0,685
0,32	0,563	0,572	0,587	0,622	0,660	0,706	0,743
0,40	0,598	0,609	0,625	0,662	0,702	0,751	0,788
0,50	0,656	0,667	0,685	0,725	0,765	0,807	0,836
0,60	0,730	0,741	0,757	0,790	0,822	0,855	0,878
0,72	0,818	0,826	0,837	0,860	0,883	0,905	0,920
0,80	0,873	0,878	0,886	0,903	0,919	0,935	0,945
0,92	0,951	0,953	0,956	0,963	0,969	0,975	0,979

При установке предохранительных клапанов на аппаратах с горю-чими и токсичными продуктами сбросы от клапанов направляют через отводной стояк в атмосферу, факельную линию или закрытую систему с газгольдером. Если возможен выход из аппарата вместе с паром и газом горючей жидкости, на линии отвода газа перед стояком устанавливают сепаратор (рис. 4.2).

На аппаратах и емкостях с СУГ устанавливают по два предох-ранительных клапана – каждый на полную пропускную способность.

Наличие задвижек перед клапанами может быть допущено только при блокированном соединении клапанов (рис. 4.3). При центральном (нормальном) расположении маховичка обе задвижки перед клапанами должны быть полуоткрыты. Для отключения одного из клапанов на осмотр и ремонт вращением маховичка закрывают задвижку под неисправным клапаном, при этом сечение второй задвижки полностью открывается.

Рис. 4.2. Сепаратор на отводной линии предохранительного клапана:

1 – аппарат; 2 – предохранительный клапан; 3 – отводная линия;

4 – сепаратор; 5 – линия сброса газа; 6 – линия спуска жидкости

Рис. 4.3. Защитная блокировка предохранительных клапанов:

1 – тройник; 2 – вентили; 3 – предохранительные клапаны;

4 – винт с маховиком; 5 – защищаемый аппарат

Для снижения утечек через предохранительные клапаны (из-за неплотного прилегания тарелки клапана к седлу или пульсации давления), а также для защиты деталей клапана от коррозии агрессивной техноло-гической средой между клапаном и аппаратом устанавливают разрывную мембрану, представляющую собой тонкую пластину из коррозионно-устойчивого материала, разрушающуюся при повышении давления в
аппарате.