2. Предохранительные мембраны

Рисунок 2.8 – Типовые узлы крепления ПМ:

а) со сплошным куполом и куполом с прорезями; б) хлопающая

Типовые конструкции. Для наиболее распространенных ти­пов ПМ разработаны типовые конструкции узлов их крепления. В РТМ 6-28-009–82 приведены рабочие чертежи узлов и деталей крепления разрывных мембран со сплош­ным куполом и с прорезями, а также хлопающих мембран. Узлы предназначены для установки в стандартных фланцевых соедине­ниях с различными уплотнительными поверхностями (плоскими, коническими, типа шип–паз, выступ–впадина). При установке мембранного узла во фланцевое соединение увеличивается длина стягивающих шпилек. Уплотнение при помощи прокладок между фланцем и зажимным кольцом полностью соответствует уплотне­нию фланцевого соединения; мембраны между кольцами должны зажиматься без прокладок.

На рис. 2.8 показана конструкция, а в табл. 2.7 приведены типоразмеры ряда мембран со сплошным куполом, с ку­полом и прорезями и хлопающих.

Предохранительные мембраны с раз­рывным стержнем рекомендуется применять там, где требуется высокая точность срабатывания. Особенностью такого ПУ является то, что элементом, определяющим давление разрушения, является не сама мембрана, а разрывной калибро­ванный на заданное давление стержень. Мембрана в данном устройстве является разделительной перегородкой, но не рабочим элементом.

В ЛенНИИхиммаше разработаны две модификации: с централь­ным неподвижным ножом (рис. 2.9а) и с подвижными ножами, расположенными по периферии мембраны (рис. 2.9б).

Давление в аппарате через мембрану 1 и реверс 2,3 передается на разрывной стержень, нижний конец которого неподвижно закреплен в бугеле 4, приваренном к корпусу 6, а верхний конец шарнирно связан с траверсой 5 реверса. При повышении давле­ния в аппарате до установочного значения калиброванная часть разрывного стержня разрушается и усилие от давления мгновенно передается мембране, которая при движении напарывается на нож и, разрушаясь, раскрывает проходное сечение устройства.

В устройстве с подвижными ножами разрушение мембраны происходит на периферии вследствие передачи усилия от движения мембраны через нажимное кольцо реверса на свободные концы коромысел 2, которые, поворачиваясь вокруг неподвижной оси, ножами 3 прорезают мембрану 1.

Заданное разрушающее давление обеспечивается за счет со­ответствующего выбора мембраны, диаметра и длины калибро­ванной части разрывного стержня при известных значениях его механических характеристик. Высота положения ножа регулирует­ся в зависимости от типа устройства и диаметра проходного сечения.

Недостатками ПУ с разрывными ножами кроме присущих всем мембранным устройствам являются: малый коэффициент расхода α≈0,58, особенно при малых диаметрах, вследствие перекрытия прохода держателями ножей; при малых установочных давлениях уменьшается точность срабатывания с 2 до 5 %.

Типоразмерный ряд и диапазон давлений разрушения для мембран с разрывным стержнем приведены в табл. 2.8.

а)

б)

Рисунок 2.9 – ПМ с раз­рывным стержнем:

а) с централь­ным неподвижным ножом; б) с подвижными ножами

Таблица 2.7 – ТИПОРАЗМЕРНЫЙ РЯД И ДИАПАЗОН ДАВЛЕНИЙ РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ ПМ

Диаметр мембраны, мм	Давление разрушения, МПа, для мембран
	из нержавею­щей стали 12Х18Н10Т	из никеля НП-2	из монель-металла НМЖМц28-2,5-1,5	из титана ВТ1-0
Разрывные мембраны
10 16 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350	20 — 60 15 — 20 10 — 50 8 — 40 5 — 25 4 — 20 3 — 15 2,5 — 12,5 2 — 10 1,5 — 7,5 1,2 — 6 1,0 — 5 0,8 — 4 0,7 — 3,5 0,6 — 3	4 — 40 2,5 — 25 1,6 — 16 1,2 — 12 1,0 — 10 0,8 — 8 0,6 — 6 0,5 — 5 0,4 — 4 0,3 — 3 0,2 — 2 — — — —	12 — 60 8 — 40 5 — 25 4 — 20 3 — 15 2,5 — 12,5 2 — 10 1,5 — 7,5 1,2 — 6 1,0 — 5 0,8 — 4 — — — —	6 — 60 4 — 40 3 — 30 2 — 20 1,5 — 15 1,2 — 12 1,0 — 10 0,8 — 8 0,6 — 6 0,5 — 5 0,4 — 4 — — — —
Хлопающие мембраны
40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350	0,5 — 5 0,4 — 4 0,3 — 3 0,2 — 2 0,1 — 1,5 0,08 — 1,2 0,01 — 1,0 0,06 0,05 0,04 0,03	0,5 — 5 0,4 — 4 0,3 — 3 0,2 — 2 0,1 — 1,5 0,08 — 1,0 0,07 — 0,8 — — — —	0,5 — 5 0,4 — 4 0,3 — 3 0,2 — 2 0,1 — 1,5 0,08 — 1,0 0,07 — 0,8 — — — —	0,5 — 5 0,4 — 4 0,3 — 3 0,2 — 2 0,1 — 1,5 0,08 — 1,0 0,07 — 0,8 — — — —

Таблица 2.8 – ТИПОРАЗМЕРНЫЙ РЯД И ДИАПАЗОН ДАВЛЕНИЙ РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ МЕМБРАН С РАЗРЫВНЫМ СТЕРЖНЕМ

Диаметр мембраны, мм	Давление разруше­ния, МПа	Тип мембраны
40 50 65 80	0,7—6,4	С неподвиж­ным ножом (рис. 2.9а)
100 125 150 200	0,3—4,0	С подвиж­ными ножами (рис. 2.9б)
150	0,15—2,5
300 350	0,07—2,5

Мембранные ПУ, содержащие вакуумную опору, применяют для защиты аппаратов, работающих под вакуумом. Вакуумные опоры делают многократного и одноразо­вого использования.

Так как вакуумные опоры многократного использования значительно снижают пропуск­ную способность мембран, по­лучили распространение опоры разового использования, которые разрушаются вместе с мембра­ной и полностью освобождают проходное сечение сбросного отверстия.

Рисунок 2.10 – Вакуумная опора одноразового исполь­зования

Одна из конструкций такой опоры показана на рис. 2.10. Размеры d и Н должны совпадать с соответствующими размерами разрывной мембра­ны. Вся рабочая поверхность опоры 1 разрезана на четыре сектора, а для увеличения же­сткости опоры при ее работе под вакуумом в центре уста­новлен диск 2, скрепляемый с одним из отогнутых лепестков точечной сваркой, а с остальны­ми тремя – отгибными усика­ми 3. Для облегчения раскрытия секторов по окружности рас­положения периферийных отверстий выполнены надрезы.

Рисунок 2.11 – Устройство с коническими решетками

В тех случаях, когда необходимо обеспечить защиту обслужи­вающего персонала от разлета осколков при разрушении мембраны или когда мембрану устанавливают перед ПК, в конструкцию мембранного узла вводят устройство для улавли­вания осколков с плоскими или коническими решетками (рис. 2.11).

Решетки 1 устанавливают или в сбросном трубопроводе, или в специальном расширителе; при этом суммарная площадь отверстий в решетке должна быть вдвое больше площади сброс­ного отверстия мембраны 2. Диаметр отверстий в решетке зависит от величины осколков, которые допускается выбрасывать, и при­нимается в пределах 3÷10 мм. Для предотвращения попадания осколков в защищаемый аппарат рекомендуется устанавливать перед мембраной вторую решетку.

В случае защиты от превы­шения давления аппаратов, в которых рабочие температуры технологической среды превы­шают указанные в табл. 4.9, в конструкцию мембранных ПУ вводят специальные устройства для их охлаждения.

Материал теплоизолирующего слоя должен быть непрочным, легким и пористым, чтобы дав­ление в аппарате свободно под­водилось к мембране, а при ее срабатывании теплоизолирующий материал должен беспре­пятственно вылетать вместе со сбрасываемыми газами.

Таблица 4.9 – ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ

ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ МЕМБРАН

Материал	Предельно допустимая температура,°С
	Разрывные мембраны	Хлопающие мембраны
Нержавеющая сталь	400	450
Никель	400	300
Монель-металл	450	300
Алюминий	120	100
Медь	160	160
Фторопласт	200	200
Полиэтилен	60	60
Алюминий (фольга)	350	350
Свинец (фольга)	150	150

Данные о материалах, используемых для теплоизолирующего слоя, приведены в табл. 4.10.

Таблица 4.10 – МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ПМ

Наименований	Состояние материала	Предельно допускаемая темп-ура,оС
Асбомагнезит	Крошка	350
Асбоцемент	» или сектора	450
Стеклянная вата	Волокна	450
Со велит	Порошок	500
Вулканит	Крошка	600
Асбестодиатомит	Порошок	600
Картон асбестовый	Лист	600
Перлит вспученный	Крошка или сектора	900
Вермикулит вспученный	» » »	900
Перлитокерамика	Крошка	900
Керамика ячеистая	»	900

В зависимости от рабочего диаметра мембраны d выбирают следующую максимально допустимую высоту насыпного слоя теплоизолирующего материала h_сл:

d, мм ......... <50 Св. 50 до 100 Св. 100 до 200 Св. 200 до 350 Св. 350 до 500

h_сл., мм ........ 60 90 120 200 220

Рисунок 2.12 – Устройства, ограничивающие нагрев предохранительных мембран:

а) – с теплоизоляционным слоем и охлаждающей рубашкой; б) – с непосред­ственным жидкостным охлаждением мембраны

Во избежание травмирования обслуживающего персонала при срабатывании мембранных узлов с тепловой защитой отходящие газы должны сбрасываться в специальную емкость или в специ­ально отведенное место.

Для снижения температуры мембран в ряде случаев целесооб­разно применять устройства с жидкостным охлаждением подво­дящего патрубка (рис. 2.12а) или устройства с непосредственным жидкостным охлаждением (рис. 2.12б), в которых достигается более эффективное охлаждение мембраны. В последнем случае температура мембраны практически равна температуре охлаж­дающей жидкости. В устройстве, изображенном на рис. 2.12б, уровень жидкости над вершиной купола мембраны должен быть в пределах 20÷50 мм; его задают соответствующим расположением сливного штуцера. Следует иметь в виду, что при срабатывании мембраны продолжающая поступать через подводящий штуцер охлаждающая жидкость будет попадать в аппарат, поэтому в случае недопустимости такой ситуации данный способ охлажде­ния мембранного узла неприемлем.

Применение рассмотренных способов, снижения температуры мембранных узлов возможно только в тех случаях, когда в за­щищаемых аппаратах отсутствуют технологические среды, склон­ные к кристаллизации или полимеризации на охлажденной по­верхности подводящего патрубка мембранного узла. В противном случае весь патрубок может быстро полностью заполниться прочными твердыми отложениями.

В химической промышленности при работе с техноло­гическими средами, склонными к образо­ванию различного рода твердых отло­жений на стенках аппаратов, патрубков и трубопроводов, в том числе к кристаллизации и полимеризации, применяют конструкцию мембранного предохранительно­го устройства, показанного на рис. 2.13.

Рисунок 2.13 – Предохранительное устройство для сред, склонных к образованию на стен­ках твердых отложений

Зажимные кольца – держатели 1 и 2 – выполнены таким образом, что мембрана утоплена в штуцере и располагается практически в полости защищаемого аппарата, благодаря чему отсутствует глухая по­лость перед мембраной, способная забиваться отложениями. Мем­брана 3 и тонкая защитная пленка 4 выполнены и защищены таким образом, что между ними образуется глухая герметичная полость А. Пленку 4 изготовляют из адгезионного коррозионностойкого материала, например из фторопласта. При достиже­нии в аппарате рабочего избыточного давления пленка 4 дефор­мируется, объем камеры А уменьшается и давление в ней уста­навливается равным давлению в аппарате. К тому же весьма эластичная пленка 4, реагируя на колебания давления в аппа­рате, совершает соответствующие перемещения, что также пре­пятствует образованию на ней каких-либо отложений. При превышении давления в аппарате сверх установленного, мембрана и пленка разрываются, что приводит к сбросу среды из аппарата.

Если в защищаемом аппарате содержатся пожаровзрывоопасные газы, то для мембран следует выбирать ма­териал, не образующий искр при разрыве и при ударе осколков о зажимные кольца, о стенки сбросного трубопровода и другие детали. В тех случаях, когда это требование невыполнимо из-за отсутствия необходимых материалов, рекомендуется применять мембранные устройства со сдвоенной мембраной, аналогичные по конструктивному оформлению устройству, показанному на рис. 2.13, а полость А между мембранами заполнять жидкостью, например водой или специальными ингибиторами горения, например хладонами.

Испытания на разрушение.

Мембраны должны изготовляться специализированным предприятием в соответствии с требова­ниями РТМ 6-28-009–82. Выпуску каждой партии ПМ должно предшествовать два вида испытаний на разрушение: статистиче­ские и контрольные.

Статистические испытания проводятся в целях определения гарантируемых пределов возможных откло­нений давления срабатывания мембраны данной партии.

Кон­трольные испытания проводятся для контроля партии мембран. Давление срабатывания записывается в акт. При отклонении давления разрушения за пределы минимального и максимального допускаемых давлений вся партия бракуется. Изготовленные мембраны маркируются, указываются рабочий диаметр, пределы давления срабатывания, максимальная температура в месте уста­новки мембраны. На каждую партию оформляется паспорт.

Срок службы мембран.

Одной из важных характеристик ПМ является их долговечность. Основные факторы, влияющие на срок службы мембран, следующие; коррозионная стойкость материала в среде защищаемого аппарата; температура; степень нагружения (соотношение между рабочим давлением и давлением срабатывания мембраны); характер нагрузки (статическая, пульсирующая, зна­копеременная).

Коррозия мембран недопустима, поэтому материал мембраны следует выбирать из условия его наибольшей корро­зионной стойкости в данной среде. В зависимости от скорости кор­розии должен определяться срок службы мембран. В случае необходимости для защиты ПМ от коррозии целесообразно применять полимерные покрытия и пленки.

Из полимерных материалов наиболее универсальной химиче­ской стойкостью обладают фторопласты и пентапласты. Для кор­розионной защиты рекомендуется применять только ориентиро­ванные фторопластовые пленки, так как неориентированные по­ристые не обеспечивают требуемую защиту. Пентапласты ха­рактеризуются по сравнению с другими термопластами повышен­ными механической прочностью, теплостойкостью и химической стойкостью. По химической сопротивляемости агрессивным сре­дам пентапласты уступают только фторопластам. Предел рабочей температуры пентапластов 120 °С. Существенной особенностью пентапластов является возможность нанесения покрытия в виде суспензии и лака.

Для защиты ПМ от коррозии можно применять также лако­красочные покрытия. К химически стойким относятся покрытия на основе перхлорвиниловых, эпоксидных, фторорганических и фенольных смол, а также полиэтилена, сополимера хлорвинила и хлорвинилидена, хлоркаучука и др. Эти лакокрасочные покры­тия используют главным образом для защиты от воздействия не­концентрированных кислот, щелочей, растворов солей и промыш­ленных газов.

Для защиты мембран, работающих при высоких тем­пературах, необходимо применять термостойкие лакокра­сочные покрытия, руководствуясь рекомендациями табл. 2.11.

Таблица 2.11 – Термостойкие покрытия

Рабочая температура мембраны, °С	Вид термостойкого покрытия
≤100	Этилцеллюлозные
Св. 100 до 150	Алкидные на высыхающих маслах
» 150 » 200	Алкидные на полувысыхающих мас­лах, феноломасляные, полиакриловые и полистирольные
» 200 » 250	Эпоксидные
» 250 » 280	Поливинилбутиральные
» 280 » 550	Поликсилоксановые

Для защиты мембран от атмосферных воздей­ствий применяют покрытия на основе перхлорвиниловых смол, полиакриловые лаки и эмалевые покрытия, пентафталевые, алкидно-меламиновые эмали и др.

Температура оказывает существенное влияние на механические свойства мембраны и, следовательно, на давление их срабатывания. С повышением температуры увеличиваются также скорость кор­розии и ползучесть металла. Все это приводит к значительному влиянию температуры на долговечность мембран. Для мембран из различных материалов установлены предельные значения температур (см. табл. 4.9).

Что такое ползучесть или релаксация материала мы с Вами уже рассматривали на предыдущих занятиях. (Под ползучестью понимают пластическое течение материала под воздействием постоянной нагрузки.) Для мембран основными факторами, определяющими ползучесть, являются степень нагружения и температура. Срок службы мемб­ран должен ограничиваться стадией установившейся ползучести, при которой деформация происходит с постоянной скоростью. Стадия ускорения ползучести, оканчивающаяся разрушением металла, для мембран недопустима.

В табл. 2.12 приведены пре­дельные значения температур и степени нагружения для мембран из различных металлов. В более тяжелых условиях, по сравнению с указанными в табл. 2.12, срок службы мембран настолько мал, что они становятся практически неработоспособными.

Таблица 2.12 – ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛЬНОЙ СТЕПЕНИ НАГРУЖЕНИЯ (Р_р/Р₁)_mах РАЗРЫВНЫХ МЕМБРАН ОТ РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Материал мембран	(Рр/Р1) mах при рабочих температурах мембраны,°С
	20	40	60	80	100	120	150	200	250	300	350	400	500
Алюминий	0,67	0,59	0,53	0,48	0,43	3,4
Медь	0,77	0,74	0,71	0,69	0,67	0,63	0,6
Никель	0,95	0,94	0,93	0,92	0,92	3,91	0,9	0,88	0,86	0,84	0,82	0,81
Нержавеющая сталь	0,91	0,90	0,89	0,88	0,88	0,86	0,85	0,83	0,82	0,81	0,79	0,78
Монель-металл	0,96	0,95	0,94	0,93	0,92	0,92	0,91	0,88	0,87	0,85	0,83	0,82	0,8

Л. 22