Безопасность сосудов, работающих под давлением

Прежде чем проводить анализ процессов, происходящих при эксплуатации систем и сосудов, находящихся под давлением, рас­смотрим основные положения.

Герметичность — это непроницаемость жидкостями и газами стенок и соединений, ограничивающих внутренние объемы уст­ройств и установок.

Герметичность используется во всех установках и устройствах, в которых в качестве рабочего тела применяется жидкость или газ. Условие герметичности является обязательным для вакуумных установок.

На производстве используются такие системы повышенного давления, как трубопроводы, баллоны и емкости для сжатых, сжиженных и растворенных газов, газгольдеры, компрессоры. Любые системы повышенного давления всегда представляют со­бой потенциальную опасность взрыва.

Основные причины разрушения и разгерметизации систем по­вышенного давления:

• внешние механические воздействия;
• снижение механической прочности;
• нарушение технологического режима;
• конструкторские ошибки;
• ошибки обслуживающего персонала;
• изменения состояния герметизируемой среды;
• неисправность предохранительных и контрольно-измеритель­ных устройств.

Обеспечение требуемой герметичности и взрывозащиты систе­мы достигается техническими и организационно-техническими мероприятиями (рис. 14.1).

Потери герметичности аппаратуры при проведении испытаний, %, можно определить по формуле

где р1, р2 — соответственно начальное и конечное давление, Па; Т1, Т2 — температура соответственно в начале и в конце испыта­ний, К; t — продолжительность испытаний, ч.

Испытание на герметичность проводят после гидравлических испытаний на прочность, используя воздух, азот или инертные газы, доводя давление до рабочего.

Результаты считаются неудовлетворительными, если падение давления за 1 ч составляет 0,2 % для новых аппаратов и 0,5 % — при периодических испытаниях.

В соответствии с транспортируемым по трубопроводу веществом применяется опознавательная окраска трубопроводов (табл. 14.1).

Для обозначения степени опасности на трубопроводы нано­сятся цветные предупреждающие кольца, число которых опре­деляет степень опасности:

• красные кольца — взрывоопасные и легковоспламеняющиеся вещества;
• зеленые кольца — нейтральные вещества;
• желтые кольца — токсичные вещества.

Испытания трубопроводов на герметичность проводятся воз­духом. При этом создается давление, равное рабочему давлению Рр, т.е. максимальному избыточному давлению, возникающему при нормальном протекании рабочего процесса. Рабочее давление ус­танавливается расчетом на прочность.

Гидравлические испытания трубопроводов проводятся водой при пробном давлении, равном 1,25 Рр, но не менее 0,2 МПа.

Пробным давлением принято считать давление, при котором испытывают систему при проверке прочности и плотности.

При прокладке газопроводов необходимо учитывать то обстоя­тельство, что в них образуется конденсат. Поэтому газопроводы прокладываются с небольшим уклоном в сторону движения газа и снабжаются спускным клапаном для удаления конденсата и масла.

Трубопроводы, по которым транспортируются сжиженные газы, прокладывают на расстоянии не менее 0,5 м от трубопроводов с горячим рабочим телом. Кроме того, на трубопроводы с горячим рабочим телом наносят теплоизоляцию.

При прокладывании трубопроводов, предназначенных для транспортировки легкозамерзающих газов, их располагают рядом с паропроводами и трубопроводами горячей воды.

Паропроводы снабжаются конденсатоотводчиками, для сни­жения напряжений от тепловых деформаций на них делается П-образный участок.

Трубопроводы, предназначенные для транспортировки легко­воспламеняющихся жидкостей и газов, оборудуются автоматиче­скими задвижками, гидрозатворами.

Для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворен­ных газов при температурах от -50 до +60 °С используются балло­ны, изготавливаемые из углеродистой стали на рабочее давление 10,15 и 20 МПа, а также из легированной стали на рабочее давле­ние 15 и 20 МПа. Баллоны изготавливают малой емкости (от 0,4 до 12 л), средней емкости (от 20 до 50 л) и большой емкости (от 80 до 500 л).

На горловину баллона наносится маркировка, содержащая сле­дующую информацию:

• товарный знак предприятия-изготовителя;
• дата выпуска (месяц, год);
• год следующего испытания;
• вид термообработки (N — нормализация, М — закалка с от­пуском);
• рабочее пробное гидравлическое давление, МПа;
• вместимость баллона, л;
• масса баллона, кг;
• клеймо ОТК;
• обозначение действующего стандарта.

Поверхность баллона (наружная) окрашивается в определен­ный цвет, на нее наносится соответствующая веществу надпись и сигнальная полоса (табл. 14.2) в соответствии с ПБ-10-115-96 «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, рабо­тающих под давлением».

Остаточное давление в баллонах, поступающих на заводы-на­полнители, должно быть не менее 0,05 МПа, а баллоны для ра­створенного ацетилена должны иметь остаточное давление не ме­нее 0,05 МПа и не более 0,1 МПа. Это необходимо для контроля остатка газа и предотвращения проникновения в баллон других газов.

Причины взрывов баллонов:

• удары;
• падения;
• нагрев;
• переполнение;
• старение пористой массы в ацетиленовых баллонах (активи­рованного угля);
• загрязнение водородных баллонов кислородом;
• попадание в вентиль масел (особенно для кислородных бал­лонов);
• появление окалины.

Действующие в настоящее время Правила устройства и безо­пасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ-10-115-96) распространяются:

• на сосуды, работающие под давлением воды с температурой выше 115 °С или другой жидкости с температурой, превышающей температуру кипения при давлении 0,07 МПа, без учета гидро­статического давления;
• сосуды, работающие под давлением пара или газа свыше 0,07 МПа;
• баллоны, предназначенные для транспортирования или хра­нения сжатых, сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50 °С превышает 0,07 МПа;
• цистерны и сосуды для транспортирования или хранения сжа­тых, сжиженных газов и жидкостей, в которых давление выше 0,07 МПа создается периодически.

Правила не распространяются:

• на сосуды с радиоактивной средой;
• сосуды вместимостью не более 0,025 м^3 (независимо от давле­ния), используемые для научных целей;
• сосуды, у которых произведение давления р, МПа, на вмес­тимость V, м^3, не более 0,02;
• сосуды, устанавливаемые на морских и речных судах, лета­тельных аппаратах, тормозное оборудование железнодорожного и автомобильного транспорта и т.д.

Все сосуды, на которые распространяется действие Правил, должны быть зарегистрированы в Госгортехнадзоре России на основании письменного заявления владельца. Разрешение на пуск в работу сосудов выдается инспектором Госгортехнадзора России после технического освидетельствования (внутреннего осмотра и гидравлических испытаний). Техническое освидетельствование сосудов, зарегистрированных в органах Госгортехнадзора России, проводит инспектор по котлонадзору. Если по конструктивным особенностям невозможно провести внутренний осмотр сосудов, то применяют гидравлическое испытание, пробное давление и осмотр в доступных местах. Внутренний осмотр сосудов проводит­ся не реже 1 раза в четыре года, гидравлические испытания — не реже 1 раза в восемь лет.

При гидравлических испытаниях емкость сосуда, температура которого должна быть 5 °С, заполняют водой температурой 40 °С, после чего давление воды плавно повышают до значений пробно­го давления Рпр.

Для литых сосудов

где К — коэффициент приведения допустимых напряжений мате­риала к стандартной температуре (20 °С); Ррас — расчетное (рабо­чее) давление.

Коэффициент приведения допустимых напряжений материала к стандартной температуре определяют по формуле

где δ20, δi, — допустимое напряжение материала сосуда или его элемента соответственно при 20 °С и при расчетной температуре.

Для нелитых сосудов

Для сосудов из неметаллических материалов с ударной вязко­стью более 20 Дж/см^2

а с ударной вязкостью менее 20 Дж/см^2 —

Давление контролируется двумя манометрами одного типа. Вре­мя выдержки зависит от толщины стенок сосуда (до 50 мм —10 мин; от 50 до 100 мм — 20 мин; более 100 мм — 30 мин). После выдержки давление снижается до рабочего и производится ос­мотр поверхности сосуда, разъемных и сварных соединений.

Сосуд считается выдержавшим гидравлические испытания, если не обнаружено:

• течи, трещин, слезок, потения в сварных соединениях и на основном металле;
• течи в разъемных соединениях;
• видимых остаточных деформаций.

Сосуды, работающие под давлением должны быть оснащены:

• запорной или запорно-регулирующей арматурой;
• приборами для измерения давления;
• приборами для измерения температуры;
• предохранительными устройствами;
• указателями уровня жидкости.

Каждый сосуд должен быть снабжен манометрами прямого действия, которые устанавливаются на штуцере сосуда или на тру­бопроводе между сосудом и запорной арматурой. Класс точности манометров должен быть не ниже 2,5 при рабочем давлении до 2,5 МПа; 1,5 — при рабочем давлении более 2,5 МПа. Предел из­мерения рабочего давления должен находиться во второй трети шкалы.

Каждый сосуд должен быть снабжен предохранительными уст­ройствами от повышения давления выше допустимого значения.

В качестве предохранительных устройств применяют:

• пружинные предохранительные клапаны;
• рычажно-грузовые предохранительные клапаны;
• предохранительные устройства с разрушающимися мембра­нами — предохранительные мембраны (разрывные, ломающиеся,срезные, [лопающие) (рис. 14.2, а);

• взрывные клапаны (рис. 14.4, б).

Предохранительные клапаны и мембраны работают по прин­ципу слабого звена. В случае превышения давления клапан сраба­тывает и происходит сброс lавления.

Недостатком предохранительных рычажных и пружинных кла­панов является их недостаточная работоспособность в коррозион­ных условиях, а также в технологических процессах, где возмож­ на кристаллизация, затвердение и сгущение сред, образование твердых частиц. При резком повышении давления они не успева­ют срабатывать из-за большой инерционности. Расчет и подбор предохранительного клапана заключается в определении количе­ства жидкости, вышедшей из сосуда, или площади проходного сечения предохранительного устройства.

Максимальное давление в защищаемой емкости, на которое рассчитан предохранительный клапан, не должно превышать при рабочем давлении рр следующих значений:

Достоинствами мембран являются:

• простота конструкций;
• высокая (по сравнению с клапанами) скорость срабатывания;
• независимость работоспособности мембран от фазового со­стояния среды.

Недостатком мембран является то, что после срабатывания за­щищаемое оборудование остается открытым, что приводит к ос­тановке технологического процесса и выбросу в атмосферу всего содержимого аппарата.

Разрывное давление мембраны определяется по формуле

где Δо — толщина материала мембраны, мм; δпр  — предел проч­ности материала, Па; R — радиус купола мембраны, мм.

Мембраны могут устанавливаться вместо предохранительных клапанов, а также параллельно с ними для увеличения пропуск­ной способности системы сброса давления и перед предохрани­тельными клапанами.

Взрывные клапаны могут быть использованы вместо мембран для устранения остановки технологического процесса и выброса всего содержимого аппарата, так как после срабатывания отвер­стие в клапанах вновь закрывается.

К недостаткам взрывных клапанов следует отнести их большую по сравнению с мембранами инерционность, сложность конст­рукции и недостаточную герметичность. Они могут использовать­ся для взрывозащиты оборудования, работающего при нормаль­ном давлении.