Глава 4. Причины повреждения технологического оборудования

Основы прочности и классификация причин повреждения оборудования

 

Необходимым условием обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации технологического оборудования является его прочность, под которой понимают способность конструкции воспринимать усилия рабочих нагрузок, не разрушаясь и не образуя пластических деформаций сверх установленных величин. Вид и толщину материала аппаратов подбирают (при проектировании и изготовлении) таким образом, чтобы они могли противостоять воздействию внутренней и внешней среды.

Наблюдаемые на практике повреждения технологического оборудования происходят в результате недостатков конструктивного характера (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 перегрузок, некачественного технического обслуживания и ремонта.

Возможны следующие основные комбинации нарушений, в результате которых возникают повреждения 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 тяжелым пожаром) на складе сжиженных газов газоперерабатывающего завода. Так, 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, но их по какой-то причине. на заводе сняли. Врезультате снижения проектной прочности оборудования и зна­чительного превышения рабочего давления в трубопроводе заглушку вырвало из фланца. Возник пожар, распространившийся на группу резервуаров.

Причины повреждения технологического оборудования принято классифицировать следующим образом: повреждения в результате механических воздействий; повреждения в результате температурных воздействий; повреждения в результате химических воздействий.

 

§ 4.2. Повреждения технологического оборудованияв результате

Механических воздействий

Под механическими воздействиями обычно понимают такие воздействия, которые возникают в результате превышения расчетных нагрузок на оборудование при сохранении его расчетной прочности. Наиболее характерным механическим воздействием является чрезмерное внутреннее давление, возникающее в аппарате при переполнении технологического оборудования жидкостями или газами. Такое явление может иметь место на производстве при на­рушении технологического режима, при недостаточном контроле за технологическим процессом, при неисправности контрольно-измерительных приборов и защитной автоматики.

Для предотвращения переполнения технологического оборудования жидкостями и газами предусматриваются счетчики количества поступающих в оборудование жидкостей и газов; пожаробезопасные уровнемеры, манометры; автоматические системы прекращения подачи продуктов, отключающие насосы, компрессоры и питающие линии; сигнализаторы предельного верхнего уровня жидкости (для сжиженных газов); системы сигнализации и связи между наполняемыми аппаратами и операторными, насосными, компрессорными; переливные трубы.

При хранении жидкостей под небольшим давлением в качестве исключения допускается использование контрольных мерных сте­кол с клапанами, автоматически закрывающимися при поломке стекла, а также защитных сеток. Не допускается применение стеклянных уровнемеров на аппаратах со сжиженными газами под давлением. (При упомянутом выше пожаре на складе сжиженных газов огонь с резервуара на резервуар распространялся по мере разрушения стеклянных уровнемеров.)

Переливные трубы (рис. 4.1) врезаются в стенки аппаратов обычно на высоте максимально допустимого уровня жидкости. Они имеют диаметр больше диаметра наполнительной линии и соединяются с емкостью, из которой закачивается жидкость, либо с дре­нажной (аварийной) емкостью. На переливных трубах нельзя устанавливать перекрывающую арматуру.

Подключение аппаратов с разным рабочим давлением друг к другу. Если аппарат работает под давлением, меньшим, чем давление питающего его источника, то на линии подключения аппарата к источнику давления должны быть, кроме запорной задвижки, автоматическое редуцирующее приспособление с манометром и предохранительный клапан на стороне меньшего давления. Запорная задвижка должна находиться между аппаратом и редуцирующим устройством, вблизи аппарата. При небольшом перепаде давления оба подключенных друг к другу аппарата следует рассчитывать на наибольшее давление. Для группы аппаратов, работаю­щих при одинаковом давлении и подключенных к аппарату с большим давлением, достаточно одного редукционного и одного предохранительного клапанов (с манометром), установленных на общей магистрали до первого ответвления.

Опасны подключения систем, работающих при высоком давлении, к системам, работающим при более низком давлении. Так, в одном из городов возникла необходимость соединить два кольца подземных газовых сетей низкого давления. Вблизи от газовой линии низкого давления проходила газовая линия среднего давления. Ошибочно линию среднего давления подключили к газовому кольцу низкого давления. Поступление газа более высокого давления в линию и к приборам, на это давление не рассчитанным, привело к образованию массовых утечек газа через неплотности в соединениях и к повреждению газовых счетчиков. Произошло «сдувание» пламени горящего газа в газовых приборах и в результате — взрывы и пожары в жилых домах.

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

Рис. 4.1. Защита аппарата переливной линией: /— жидкость со склада; 2 — расходный бак;

3 — наполнительная линия; 4 — на­порный бак; 5 — переливная труба; 6 —расходная линия

Для неустановившегося процесса характерно наличие разбаланса (dG), показывающего убыль или накопление массы вещества в аппарате, которое, в свою очередь, может привести соответст­венно 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, то есть когда

. (4.1)

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.

Чрезмерное внутреннее давление создается в аппарате при несоответствии между подачей в него веществ и их расходом. Жидкости и газы подаются в аппараты и емкости обычно насосами и компрессорами. Их подбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить подачу определенного объема веществ. Всякое изменение в расходе должно сопровождаться изменением производительности насоса (компрессора). Если насос (компрессор) будет работать с той же производительностью, а расход снижен, возникает повышенное давление в аппарате. Чтобы избежать этого за насосом (компрессором) устанавливают на линии манометры или автоматические регуляторы давления.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) создается при наличии в нем отложений и пробок. На стенках аппаратов (трубопроводов) могут иметь место отложения солей, кокса, полимеров, кристаллогидратов и просто грязи.

Из курса «Гидравлика и противопожарное водоснабжение» известно, что потери давления в линиях определяют по формуле Дар-си-Вейсбаха:

Δp=(λl/d)ρu²/2, (4.2)

где λ — коэффициент трения при движении продукта по трубе; d — Диаметр трубы; ρ — плотность вещества; и — скорость потока; / — длина трубопровода.

Из формулы (4.2) видно, что при уменьшении площади живого 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. Но не все насосы и компрессоры обладают способностью изменять свою производительность в соответствии с изменением сопротивления линии. Такой способности лишены насосы и компрессоры объемного действия — поршневые, шестеренчатые и ротационные. Для них наиболее опасно полное прекращение расхода

(закрыта задвижка, все сечение трубы забито отложениями и т. п.) при непрекращающейся работе. В этом случае увеличение давле­ния в линии неизбежно вызовет аварию.

Например, на крекинг-установке временно прекратилась работа поршневого «горячего» насоса. В результате произошло почти полное закоксование радиантных труб печи глубокого крекинга. Возобновление работы насоса привело к сильному повышению давления, разрыву труб в печи и возникновению пожара.

Центробежные насосы по сравнению с поршневыми 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, подбирать центробежные насосы и компрессоры без значительного превышения их характеристик над номинальными; у поршневых насосов и компрессоров устраивать циркуляционную линию с перепускным клапаном (рис. 4.2); использовать устройства, автоматически регулирующие работу насоса или компрессора в зависимости от величины давления в линии.

Рис. 4.2. Насос с циркуляционной линией: / — всасывающая линия; 2 — насос; 3 — циркуляционная линия; 4 — предохранительный (пе­репускной) клапан; 5 —нагнетательная линия

 

Рис. 4.3. Условия образования кристаллогидратов углеводородных газов: 1 — пропан; 2 — этан; 3 — метан

 

Несвоевременное открывание задвижки на линии, в которую подается продукт, неполное открывание задвижки или отключение линии (без предварительного предупреждения оператора насосной или компрессорной станции) приведет к образованию опасного давления.

Значительное количество аварий, сопровождающихся взрывами и пожарами, происходит при пуске компрессоров с закрытыми задвижками на выкидных газовых линиях.

Уменьшение внутреннего сечения трубопровода может произойти в результате различного рода отложений. Так, при низких рабочих температурах или низкой температуре внешней среды в газовых и жидкостных линиях (с наличием увлажненных углеводородов) возможно образование ледяных и кристаллогидратных пробок. Интенсивность образования кристаллогидратов зависит от температуры, содержания влаги и давления газа. Как видно из графика (рис. 4.3), в условиях повышенного давления кристаллогидраты могут получаться и при температуре значительно выше 0° С. Интенсивное образование кристаллогидратов может привести к полной забивке сечения трубы. Возможны отложения в трубах парафина, нафталина, кристаллов серы, капролактама и других веществ. Нередко происходит скопление и замерзание воды в дренажных линиях.

Для предупреждения образования пробок в линиях производят очистку веществ от взвешенных твердых частиц и солей, не допускают образования отложений кокса, полимеров, льда, кристаллогидратов. Очистку жидкостей от взвешенных твердых частиц производят путем отстаивания и фильтрации, очистку от солей — химическим способом (щелочью или кислотой), а также токами высокого напряжения на электрообессоливающих установках (ЭЛОУ). Во избежание образования и отложения кокса строго соблюдают установленный температурный режим при нагреве органических жидкостей. Образование полимерных отложений предупреждают путем добавки в продукт ингибиторов, снижения температурного режима, ликвидации застойных участков и, наконец, путем изготовления аппаратов из материалов, тормозящих процесс полимеризации.

Образование ледяных и кристаллогидратных пробок предупреждают осушкой исходных веществ от влаги (хлористым алюминием и кальцием, силикагелем, вымораживанием и т. п.), повышением температуры в тех местах аппаратов и трубопроводов, где наиболее вероятно отложение кристаллогидратов, а также введением в вещество специальных добавок, растворяющих кристаллогидраты (метилового или этилового спирта).

Аппараты и трубопроводы, расположенные на открытых площадках и в неотапливаемых помещениях, защищают теплоизоляцией, прокладывают параллельно трубам паровые спутники.

Трубопроводы и аппараты очищают от отложений механическими и химическими способами в установленные инструкцией сроки. Повышение давления в газовых линиях происходит из-за попадания в них жидкости (газового дистиллята, водяного конденсата), образующей пробки в коленах, изгибах и наиболее низких участках. Жидкие пробки в линии вызывают гидравлические удары и временное прекращение подачи газа к месту потребления. Во избежание конденсации паров газовые линии защищают теплоизоляцией, а в наиболее низких участках газопровода (и в других местах возможного скопления жидкости) ставят сборники конденсата. Для сглаживания неравномерности газопотребления и улавливания находящегося в газе конденсата перед компрессорами устанавливают буферные емкости, а перед аппаратами — продувочные приспособления для спуска конденсата.

В мерниках, резервуарах и других «дышащих» (связанных с атмосферой) емкостных аппаратах повышенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата жидкостью). Это чаще всего происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Те же причины могут привести и к образованию вакуума при опорожнении резервуара, вызвав смятие его корпуса. Пропускная способность дыхательных линий и установленных на них дыхательных клапанов должна соответствовать скорости закачки жидкости в резервуар. При этом следует учитывать выделение из жидкости растворенных газов, особенно при закачке нестабильных нефтей и бензинов. Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) возникает в результате нарушения температурного режима работы. Температурный режим может быть нарушен из-за перегрева жидкостей и газов, находящихся в этих аппаратах. Перегрев же может произойти при отсутствии или неисправности контрольно-измери­тельных приборов, недосмотре обслуживающего персонала, воздействии высоконагретых соседних аппаратов, в результате повышения температуры окружающей среды. При этом давление в аппаратах возрастает за счет объемного расширения веществ и увеличения упругости их паров и газов.

В герметичном аппарате с газами или перегретыми парами давление увеличивается прямо пропорционально возрастанию их температуры. В аппаратах, баллонах и трубопроводах со сжатыми газами опасное повышение давления возможно лишь при значительном повышении температуры.

В герметичных аппаратах и емкостях, нормально заполненных жидкостями, над жидкостями имеется паровое пространство опре­деленного объема. Давление определяется упругостью насыщенных паров жидкости p_s при данной температуре. С ростом температуры до значений, не превышающих температуры кипения жидкости,

давление в таких аппаратах также повышается.

Особую опасность представляют герметичные емкости и трубопроводы, сплошь заполненные жидкостью или сжиженным газом без оставления парового пространства. Так как жидкости практически не сжимаемы, нагревание их даже до невысоких температур вызывает очень большие внутренние давления, приводящие к повреждениям и разрыву стенок. На практике имеется немало случаев, когда неправильное заполнение бочек и цистерн жидкостями, а также емкостей и баллонов сжиженными газами при последующем нагревании заканчивалось авариями.

Характерными в этом отношении являются аварии, связанные с разрывами стенок сферических резервуаров с жидким газом на нефтеперерабатывающих заводах (из-за суточных изменений температуры окружающей среды).

Повышение температуры на величину Δ T вызывает увеличение объема жидкости, находящейся в сосуде, и некоторое изменение объема самого сосуда, причем объем жидкости изменяется в значительно большей степени, чем объем сосуда. Стенки сосуда гасят стремление жидкости к расширению, как бы сжимают ее, за счет чего в сосуде возникает избыточное давление Δр.

Приращение давления в переполненных аппаратах (при их нагревании без учета изменения размеров аппаратов) определяют по формуле

Δр =(β/βсж) Δ T, (4.3)

где β — коэффициент объемного расширения жидкости; β_Сж — коэффициент объемного сжатия жидкости; Δ T — повышение температуры при нагревании аппарата.

Общее давление в нагреваемом аппарате определяют из выражения

р_общ=р_р+Δр, (4.4)

где р_общ — общее давление в аппарате; р_р — рабочее (начальное) давление жидкости при данной температуре.

Коэффициенты объемного расширения, сжатия и линейного расширения изменяются с изменением температуры, поэтому при решении задач следует брать их среднее значение (в заданном интер­вале изменения температур).

При нормальном заполнении аппарата жидкостью газовое или паровое пространство должно быть достаточным, чтобы выполнить роль компенсатора, то есть роль газового колпака, и устранить опасность образования чрезмерно больших давлений при повышении температуры. Однако неполное заполнение аппаратов и баллонов уменьшает их полезную емкость, снижает коэффициент использования внутреннего объема, удорожает эксплуатацию. Для создания оптимальных условий безопасности и экономичности сле­дует определить максимально возможную степень заполнения емкостей жидкостью или сжиженным газом.

В приближенных технических расчетах величина свободного пространства в емкости, аппарате и трубопроводе определяется выражением

Vсв = βV Δ T _макс, (4.5)

где V_Св — объем свободного от жидкости пространства, Δ T _макс — максимальный перепад температур при эксплуатации данного аппарата.

Допустимую степень заполнения резервуаров, емкостей и трубопроводов определяют по выражению

ε = V_ж/V= 1—V_CВ/V= 1—β Δ T _макс, (4.6)

На практике для обеспечения безопасности степень заполнения должна быть: для емкостей и сосудов со сжиженными газами ε ≤0,85...0,9; для емкостей и сосудов с жидкостями ε ≤0,9...0,95.

Чтобы установленная норма заполнения не нарушалась, резервуары и аппараты с горючими жидкостями и сжиженными газами обеспечивают устройствами, сигнализирующими о пределе их заполнения. При оборудовании емкостей со сжиженными газами сигнализирующим устройством подача первого сигнала должна производиться при заполнении резервуара не более чем на 80%. При заполнении газовых баллонов количество подаваемого сжи­женного газа контролируется по массе.

Для контроля за температурой аппараты оборудуют соответствующими измерителями и регуляторами. От облучения внешними источниками тепла их защищают теплоизоляцией, экранированием, окрашиванием в теплоотражающий белый цвет; обеспечивают предохранительными клапанами.

Особые предосторожности (в том числе по степени заполнения) следует соблюдать при перемещении баллонов со сжиженными газами из холода в тепло.

Два газовых баллона со сжиженным пропан-бутаном в феврале были размещены в помещении. В тепле один из баллонов взор­вался. Причина взрыва — увеличение (в тепле) объема находящегося в баллоне жидкого газа.

Не следует наглухо отключать участки трубопроводов (заполненных сжиженными газами и другими пожароопасными жидкостями), если возможно изменение в них температуры. В этом случае на линии закрывают только одну задвижку.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате может возникнуть, если в аппарат, рассчитанный на высокие температуры, попадет жидкость с низкой температурой кипения.

Жидкости, имеющие низкую температуру кипения (вода, бензин и др.), обычно попадают в «высокотемпературные» аппараты вместе с поступающим продуктом, через неплотности теплообменной поверхности холодильников (находящихся внутри аппаратов), при неправильном переключении линии, в виде конденсата из паровых технологических и продувочных линий. При контакте низко-кипящей жидкости с высокотемпературным продуктом (или с кор­пусом аппарата) происходит интенсивное испарение низкокипящей жидкости, и давление значительно повышается.

Горячий нефтепродукт из печи подали в колонну-эвапоратор крекинг-установки, на дне которой оставалось около 130 л воды. Мгновенное испарение воды вызвало настолько резкое повышение давления, что произошел разрыв стенок аппарата. При этом крышка была сорвана, осколки корпуса весом до 80 кг разбросаны в радиусе 300 м. Были повреждены также продуктовые и сырьевые трубопроводы.

Приращение давления Δ р в аппарате при попадании в него жидкости и ее испарении определяется по формуле,

Δ p = р_om/V_свρ_t,, (4.7)

где р_о — атмосферное давление; т — масса жидкости, попавшей и испарившейся в аппарате; ρ_t — плотность паров, образующихся при вскипании жидкости (при температуре аппарата); V_CВ — свободный объем аппарата.

Количество испарившейся жидкости определяется путем составления и совместного решения уравнений материального и энергетического (теплового) балансов.

Чтобы избежать попадания низкокипящей жидкости в высокотемпературный аппарат, на линиях подачи острого водяного пара (для целей обогрева, перемешивания, продувки, выдавливания веществ) устраивают приспособления для спуска конденсата (рис. 4.4). Пар во избежание его конденсации подают только в достаточно прогретые (выше 100° С) аппараты. После промывки или гидравлического испытания аппаратов жидкость полностью спускают и выпаривают остаток, контролируя количество воды в подлежащем нагреву сырье.

Динамические нагрузки вызывают образование внутренних напряжений в конструкциях аппарата значительно выше тех, которые могут возникнуть от статических нагрузок. Отношение внутреннего напряжения, вызванного нагрузкой динамического характера, к напряжению, вызванному статическим воздействием, называют динамическим коэффициентом, величина которого имеет диапазон от 1,5 до 15.

Динамические нагрузки проявляют себя при резких изменениях величины давления в аппаратах, при гидравличе­ских ударах, связанных с резким торможением движущегося потока жидкости или газа, в результате вибраций, возникающих от действия внутренних и внешних возмущающих сил, от случайных ударов движущимся транспортом, при падении грузов и т. п.

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 установленного режима температур и давления. Поэтому в периоды пуска и остановки аппаратов, в периоды перехода с одного режима давления на другой следует обеспечить плавность изме­нения давления, предусмотренную инструкцией.

Рис. 4.4. Устройство дляпродувки паровой линии конденсата: 1 — линия водяного пара; 2 —дренажная линия

 

Гидравлические удары возникают обычно в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при 5ольших пульсациях подаваемой насосами жидкости, при резком: изменении давления на каком-либо участке трубопровода. Величину Δ р, на которую повысится давление в трубопроводе при полном гидравлическом ударе, можно определить по формуле Н. Е. Жуковского:

Δ р = ρc Δ ν- (4.8)

где с — скорость распространения ударной волны; Δ v уменьшение скорости движения при торможении струи.

, (4.9)

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

Развивающееся при гидравлическом ударе давление зависит от времени закрытия запорных устройств, длины и диаметра трубопровода. С увеличением длины отключаемых участков и внедрением быстродействующих запорных устройств вероятность гидроудара и его давление возрастают, а в трубах большого диаметра явление гидроудара проявляется слабее, чем в трубах малого диаметра.

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

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) может возникнуть в результате более сложных явлений по сравнению с теми, которые были рассмотрены. В последующих главах учебника еще не раз вернемся к вопросам повреждения технологического оборудования, связанным с созданием чрезмерного давления внутри аппаратов.

Технологическое оборудование может повреждаться в результате вибраций. Появляются неплотности во фланцевых coeдинeниях, происходят нарушение швов, разрушения. Меры борьбы с вибрацией—уменьшение пульсации при работе насосов (замена поршневых насосов центробежными, установка воздушных колпаков и т. п.), устройство под вибрирующими агрегатами массивных фундаментов, использование эластичных прокладок, пружин и тому подобных устройств, а также прочное крепление аппаратов (трубопроводов). Вибрацию трубопроводов можно заметить по колебаниям самой трубы, наличию разрушенной теплоизоляции, образовавшемуся проему в стене, через которую проходит труба, по расшатанным опорам. Параметры вибрации замеряют вибрографами.

К механическим повреждениям технологического оборудования следует отнести повреждения от неосторожной работы внутрицехового транспорта, ударов падающими грузами, ударного действия осколков при авариях соседних аппаратов и т. п. Внутрицеховые и межцеховые транспортные коммуникации должны проходить как можно дальше от технологических аппаратов и трубопроводов. Для предотвращения повреждения оборудования устраивают защитные ограждения, ограничивают скорость движения транспорта, грузоподъемных машин и механизмов; трубопроводы прокладывают в закрытых траншеях или на эстакадах; ограничивают зоны проезда транспорта бордюрным камнем или разметкой; газовые линии прокладывают над мостовыми кранами, тельферами и другими средствами перемещения грузов.

Для защиты от создавшегося чрезмерного внутреннего давления в аппарате (трубопроводе) используют предохранительные и мембранные клапаны, область применения которых приводится в правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

По конструктивному исполнению предохранительные клапаны могут быть рычажными, грузовыми, пружинными и манометрическими (рис. 4.5), а по назначению — рабочими и контрольными.

Рис. 4.5. 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 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

, (4.10)

где α — коэффициент расхода (приводится в паспорте клапана); р₁ — избыточное давление срабатывания клапана; р₂ — избыточное давление за предохранительным клапаном; ρ_t — плотность среды при условиях срабатывания клапана (р₁ и t₁); t₁ — температура среды перед клапаном; В — коэффициент, определяемый по табл. 4.1. Для жидкостей коэффициент В принимают равным единице.

 

 

Т а б л и ц а 4.1

 

P2/P1	Коэффициент В при значении показателя адиабаты к
1,24	1,30	1,40	1,66	2,0	2,5	3,0
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 (трубопроводах) с горючими и токсичными продуктами сбросы oт клапанов направляют через отводной стояк в атмосферу, факельную линию или закрытую систему с газгольдером. Если возможен: унос из аппарата вместе с паром и газом горючей жидкости, на линии отвода газа перед стояком устанавливают сепаратор (рис. 4.6).

На аппаратах и емкостях со сжиженными газами устанавливают по два предохранительных клапана — каждый на полную пропускную способность. Наличие задвижек перед клапанами может быть допущено только при блокированном соединении: (рис. 4.7). При центральном (нормальном) положении маховичка обе задвижки перед клапанами полуоткрыты. В случае необходи­мости отключения одного из клапанов на осмотр и ремонт вращением маховичка закрывают задвижку под неисправным клапаном, при этом сечение второй задвижки полностью открывается.

Рис. 4.6. Сепаратор на отводной лини предохранительного клапана: 1 — аппарат; 2 — предохранительный клапан; 3 — отводная линия; 4 — сепаратор;5 — линия выброса газа; 6 — линия спуска жидкости

Рис. 4.7. Защитная блокировка предохранительных клапанов: 1 —тройник; 2 — вентили; 3 — предохранительные клапаны; 4 — винт с маховиком; 5 — защищаемый аппарат

 

На емкостях для хранения бутана, бутадиена, газового бензина и других подобных веществ кроме предохранительных клапанов должны быть установлены два вакуумных клапана, рассчитанные на подсос азота при вакууме, равном 3 кПа и выше, образующемся при низких температурах внешней среды.

В целях проверки исправности предохранительных клапанов их снабжают приспособлением для принудительного открытия во время работы аппарата.

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 технологической средой между клапаном и аппаратом устанавливают разрывную мембрану, представляющую собой тонкую пластину из коррозионно-устойчивого материала, разрушающуюся при повышении давления в аппарате. Более подробно мембранные устройства рассмотрены в параграфе 9.3 данного учебника.

 

§ 4.3. Повреждения технологического оборудования в результате

Температурного воздействия

Повреждение технологического производственного оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.

Температурные перенапряжения в материале, из которого изготовлены аппараты и трубопроводы, наступают тогда, когда есть препятствия линейному изменению отдельных элементов (узлов) или конструкции в целом.

Если аппарат (трубопровод) при изменении температуры свободно меняет свои размеры, то повреждения не произойдет. Изменение длины конструкции при этом будет равно:

, (4.11)

где а — коэффициент линейного расширения материала конструкции; Δ t — изменение температуры; l — длина конструкции.

При отсутствии условий свободного изменения линейных размеров аппарата (трубопровода), то есть в жестко защемленной конструкции, при изменении температуры возникнут температурные напряжения, величину которых можно определить, составив уравнение совместных деформаций:

, (4.12)

где Δ 1_Р — изменение длины конструкции под воздействием фиктивной силы pt, вызывающей равнозначные и равновеликие температурные напряжения в конструкции. Согласно закону Гука,

Δ l _p = p_tl/(FE)=σ_tl/E, (4.13)

где p_t — сила, возникающая при действии температуры на конструкцию; F — площадь сечения конструкции; Е — модуль упругости материала; σ_t — температурное напряжение. Подставляя (4.11) и (4.13) в (4.12), получим:

, (4.14)

Температурные напряжения наблюдаются при жестком креплении трубопроводов, наличии в аппаратах биметаллических конструкций или конструктивных элементов, находящихся под воздействием неодинаковых температур, в толстостенных конструкциях и: при местных изменениях температур в материале аппарата.

Высокое температурное напряжение в материале труб, если не принять мер к его устранению, может разрушить трубопровод, арматуру, опоры и нанест