Основы проектирования производств основного органического синтеза3

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ И АРМАТУРЫ

3.1. Трубопроводы

На заводах ООС, использующих преимущественно газообразные и жидкие вещества, количество трубопроводов очень велико, длина их может достигать десятков и даже сотен километров. Обилие трубопроводов приводит к тому, что в общей стоимости строительства монтаж и ремонт трубопроводов занимает большую долю. Стоимость монтажа технологических трубопроводов составляет 45 % от общей стоимости монтажных работ.

По назначению трубопроводы делятся на технологические, служащие для транспортирования различных химических веществ, тепловые и газовые сети, используемые для подводки инертного или горючего газа, горячей воды или пара, и сети водоснабжения и канализации. В цехах и на технологических установках встречаются трубопроводы всех трех типов. Классификация трубопроводов может быть проведена также по давлению – вакуумные, безнапорные, низкого давления (Р < 10 МПа), высокого давления (Р > 10 МПа) и по температуре – холодные (t < 50 °С), горячие (t > 50 °С).

При классификации технологических трубопроводов учитываются токсические и коррозионные свойства веществ и рабочие параметры среды (давление и температура). Технологические трубопроводы делятся на пять категорий. Наиболее ответственной является первая категория. Для продуктов с токсическими свойствами применяют трубопроводы только первой и второй категории, для легковоспламеняющихся жидкостей и горючих газов – трубопроводы первых четырех категорий, для негорючих жидкостей и паров – трубопроводы всех пяти категорий. Каждая категория трубопроводов характеризуется предельно допустимыми значениями давления и температуры, причем самыми низкими – первая категория. Трубопроводы окрашивают в стандартные цвета в соответствии с характером транспортируемой среды.

61

Трубопровод можно охарактеризовать условным диаметром Dу (номинальный внутренний диаметр трубопровода) и условным давлением Ру (наибольшее рабочее давление при температуре 20 °С). Так как с повышением температуры прочностные свойства метериала труб снижаются, соответственно должно уменьшаться наибольшее допустимое рабочее давление. В основном трубопроводы изготавливаются из углеродистых и легированных сталей. Кроме того, находят применение медные и латунные трубы, обладающие хорошей коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью стенок, а также алюминиевые и свинцовые трубы, обладающие высокой коррозионной стойкостью к отдельным группам веществ.

Неметаллические трубопроводы менее прочны, чем металлические, однако в большинстве случаев коррозионная стойкость их выше, а стоимость невелика. К неметаллическим относятся керамические, фарфоровые, стеклянные, резиновые и пластмассовые трубы. Вследствие хрупкости керамические, стеклянные и фарфоровые трубопроводы используются при невысоких давлениях и требуют специальных устройств для соединения гладких концов труб. Резиновые трубы применяются в основном в виде резинотканевых шлангов (рукавов) для соединения труб, подверженных вибрациям, и для сооружения гибких временных коммуникаций, служащих для промывки и продувки аппаратов и засоренных трубопроводов.

Пластмассовые трубы обладают малой теплостойкостью, поэтому применяются в случае невысоких температур. Наибольшее распространение получили трубы из винипласта, полиэтилена, фаолита, фторопласта. Находят также применение трубы из металла, футерованные пластмассой или резиной.

Трубы из углеродистых и легированных сталей могут быть сварными или бесшовными. Сварные трубы имеют продольный шов. Бесшовные трубы – цельнотянутые и цельнокатанные в холодном либо горячем состоянии. Сварные трубы дешевле бесшовных, так как оборудование для их изготовления проще, но они менее прочны (коэффициент прочности сварного шва ϕ = 0,8) и изготав-

ливаются только из легкосвариваемых материалов.

62

Межцеховые трубопроводы делятся на подземные и надземные. Надземная прокладка является обязательной при транспортировке ядовитых веществ и дымящихся кислот. Прокладку неметаллических (пластмассовых, стеклянных, графитовых) трубопроводов также рекомендуется выполнять надземной.

Трубопроводы для горючих и взрывоопасных газов могут прокладываться и под землей, за исключением прокладки в непроходных каналах и траншеях. В остальных случаях возможна как подземная, так и надземная прокладка. Определяющим при выборе способа прокладки являются технико-экономические показатели, в частности удобство монтажа и ремонта и безопасность эксплуатации.

Подземные трубопроводы менее подвержены воздействию колебаний температуры воздуха и не мешают прокладке наземных транспортных путей. Однако наблюдение за их состоянием практически невозможно, они подвержены усиленной коррозии и требуют значительных площадей.

Надземная прокладка более выгодна, чем подземная, и осуществляется установкой трубопроводов на опорах и эстакадах. При высокой прокладке – не менее 5 м от полотна автомобильной дороги или 5,5 м от полотна железной дороги – сохраняется габарит для проезда транспорта, но усложняется монтаж на значительной высоте. При пониженной прокладке – не менее 2,2 м от отметки земли – соблюдается габарит для прохода людей, уменьшается расход бетона на опоры, упрощается монтаж. При низкой прокладке – 0,3–0,5 м от уровня земли – создаются наиболее благоприятные условия для монтажа и эксплуатации трубопроводов, снижаются затраты на прокладку трубопроводов. При пересечении с дорогами используется П-образный подъем трубопровода (надземный переход) или подъем дороги над трубопроводом. Возможен также П-образный проход трубопровода под дорогой.

При проектировании технологических трубопроводов учитываются свойства транспортируемых сред. Трубопроводы, предназначенные для транспортировки ядовитых веществ, горючих газов и

63

легковоспламеняющихся жидкостей, должны иметь специальные устройства для продувки их инертным газом или паром.

Для опорожнения перед ремонтом трубопроводы должны проектироваться с уклоном, и в низших точках должны ставиться дренажные устройства (спускные штуцеры). Уклоны трубопроводов должны иметь следующие значения: для газопроводов – 0,003; для легкоподвижных жидкостей – 0,002; для вязких жидкостей – 0,02.

При групповой прокладке трубопроводов ниже всех должны располагаться трубопроводы для наиболее агрессивных жидкостей. Фланцевые соединения трубопроводов для горючих сред должны иметь защитные кожухи.

Прокладка трубопроводов должна обеспечивать возможность осмотра и ремонта. Для этого между отдельными трубами и стеной должны быть расстояния, достаточные для проведения монтажа и демонтажа. Кроме того, при прокладке трубопроводов необходимо стремиться к самокомпенсации за счет поворотов.

Если по трубопроводу перекачиваются продукты, застывающие или кристаллизующиеся, он выполняется в общем изоляционном кожухе с паровым спутником. Диаметр парового спутника обычно не более 20 мм. Спутник притягивается к трубопроводу с помощью хомутов. В местах расположения фланцев спутник выгибается, образуя изогнутым участком компенсатор температурных удлинений. Трубы обтягиваются стальной сеткой, поверх которой укладывается тепловая изоляция. При необходимости интенсивного обогрева трубопровод изготавливается с паровой рубашкой или с электрическим обогревом. Трубопроводная арматура также должна иметь обогрев.

Детали трубопроводов. Для соединения отдельных участков трубопроводов применяются различные детали: фланцы, муфты, переходы, отводы, тройники, заглушки и т.д. Материал этих деталей должен соответствовать материалу труб. Соединение отдельных участков труб чаще всего осуществляется фланцевым, резьбовым, сварным способами.

Сварное соединение применяется для трубопроводов высокого давления, фланцы при этом используются только для установки ар-

64

матуры. Для токсичных, взрывоопасных, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей также рекомендуются сварные соединения труб. Сварное соединение наиболее надежно, практически полностью исключает возможность утечки продуктов, однако является неразборным, что создает трудности в эксплуатации.

Фланцевое соединение – разъемное, более дорогое и менее надежное в эксплуатации, чем сварное. Вследствие простоты конструкции оно наиболее распространено. Проектирование фланцевых соединений не представляет трудностей, так как на фланцы разработаны ГОСТы. Для коммуникаций высокого давления применяются специальные фланцы, наворачиваемые на трубопровод, а соединение труб производится через линзу. Уплотняющая поверхность линзы имеет шаровую, а торцовые поверхности трубопроводов – коническую форму. Все уплотняющие поверхности шлифованы.

Резьбовое соединение применяется в основном при соединении газовых труб. Оно наименее надежно, но компактнее фланцевого. Применяется резьбовое соединение для невысоких давлений (ниже 60 кПа) и для труб небольшого диаметра (менее 0,05–0,075 м). Для исключения утечки среды на резьбу наматывается волокнистый материал (льняная прядь), иногда с промазкой свинцовым суриком или свинцовыми белилами. Резьбовое соединение осуществляется с помощью муфт.

Чугунные трубы соединяются с помощью раструбов. Кольцевое пространство в раструбном соединении заделывается пеньковой или льняной прядью и замазывается мастикой. Этот вид соединения применим только для безнапорных трубопроводов. Керамические, пластмассовые, стеклянные трубы соединяются специальными способами.

Соединение труб под различными углами производится обычно

спомощью гнутых отводов, с углом гиба 30, 45, 60, 90°, изготовляемым в заводских условиях. Трубы большого диаметра соединяются

спомощью сварных отводов. Разветвление трубопроводов осуществляется с помощью тройников, крестовин и гребенок. Паропровод

65

должен иметь в сгибах дренажные устройства, которые устанавливаются в среднем через 100–200 м.

Опоры трубопроводов. Внутрицеховые трубопроводы крепятся к стенам, колоннам, балкам, перекрытиям. При прокладке трубопроводов под землей или по поверхности земли также применяются различные опоры. Межцеховые трубопроводы часто укладываются на эстакадах. Все виды опор делятся на неподвижные и скользящие. Скользящие опоры выдерживают вес трубопровода и в то же время позволяют ему свободно перемещаться в осевом направлении для компенсации температурных удлинений.

Направляющие опоры представляют собой хомут из круглого или полосового железа, который с помощью гаек и болтов крепит трубопровод к элементам здания или специальным поддерживающим устройствам. Подвеска позволяет крепить трубопровод к высоко расположенным элементам здания. Подвеска состоит из двух полухомутов и тяги. Длина тяги подбирается в зависимости от расстояния между трубопроводом и элементом здания, к которому крепится трубопровод. Подвески могут также применяться для крепления трубопроводов малого диаметра к трубопроводам большого диаметра.

Крепление труб к стене осуществляется с помощью кронштейна. К колоннам трубы крепятся с помощью балок. Применяются скользящие и катковые опоры. В катковых опорах на опорную конструкциюприваривается плита, в которойможет перемещаться каток.

Компенсация температурных удлинений. Температурное уд-

tт , tв – температуры трубопровода при работе и в период монтажа соответственно (температура tв принимается равной температуре

окружающего воздуха). Удлинение трубопровода вызывает появление напряжений сжатия σ = δ E , где δ = ∆ A/ A – относительное удлинение; E – модуль упругости. При площади поперечного сечения стенок трубы F сила сжатия будет равна Pсж = σ F . При совместном

решении уравнений для ∆ A и σ получаем перепад температур, вы-

66

ше которого необходима компенсация температурных удлинений:

∆ t= σ / (αE ) .

Полученное условие относится только к трубопроводам с неподвижными опорами. Однако даже при неподвижных опорах многие трубопроводы выдерживают более высокие перепады температур из-за прогиба труб при их удлинении, что снимает температурное напряжение. Таким образом, возможна самокомпенсация температурных удлинений. Самокомпенсация не требует применения специальных устройств, поэтому более предпочтительна. Она возможна для трубопроводов, имеющих много поворотов. Когда самокомпенсации нет, необходима установка специальных компенсирующих устройств.

К специальным компенсирующим устройствам относятся сальниковые, линзовые и П-образные компенсаторы. Сальниковые компенсаторы компактны и имеют большую компенсирующую способность, но сложны и требуют непрерывного наблюдения при работе. Кроме того, они не исключают полностью утечки среды. По этой причине сальниковые компенсаторы не находят применения на технологических трубопроводах. Линзовые компенсаторы тоже компактны, но имеют небольшую компенсирующую способность и малую прочность (Р < 70 кПа). Поэтому такие компенсаторы находят применение для компенсации температурных удлинений в реакционных аппаратах, а для компенсации удлинений трубопроводов не применяются. П-образные компенсаторы не обладают такой компактностью, как сальниковые и линзовые, требуют значительной площади для размещения, увеличивают примерно на 10 % расход труб на прокладку системы, повышают гидравлическое сопротивление трубопровода. Однако они являются наиболее распространенным видом компенсаторов, так как имеют большую компенсирующую способность, просты в изготовлении и не требуют ухода. П-образные компенсаторы выбирают по справочнику, исходя из величины компенсирующей способности, выраженной в миллиметрах. Кроме П-образных компенсаторов можно применять S-, Z-, Г-образные и другие типы компенсаторов.

67

3.2.Арматура

Всоответствии с назначением трубопроводная арматура классифицируется следующим образом: 1) запорная – краны, вентили, задвижки; 2) регулирующая – регулирующие вентили и клапаны, редукционные клапаны, регуляторы уровня; 3) предохранительная – предохранительные клапаны и обратные клапаны; 4) контрольная – пробно-спускные краны, манометры и указатели уровня. Присоединение арматуры к трубопроводам осуществляется с помощью фланцев или резьбовых соединений. Для изготовления арматуры применяются в основном чугун, сталь и цветные металлы.

Наиболее широкое применение имеет стальная арматура, выдерживающая высокие давления и температуры. На заводах ООС используется большое количество арматуры из кислотостойкой и нержавеющей стали. Чугунная арматура применяется при давлении 0,6–1,6 МПа и температуре до 300 °С. Она не выдерживает изгибающих напряжений.

Арматуру из бронзы и латуни следует применять только для продуктов, не допускающих применения черных металлов. Эта арматура дорога и имеет малые проходы для продуктов. Для агрессивных сред выпускается арматура из различных неметаллических материалов.

Запорная арматура. Краны, как и вентили и задвижки, являются запорным видом арматуры, отключающим полностью поток среды. Перекрытие проходного сечения в кранах достигается поворотом конусной пробки со сквозным отверстием. Пробка притирается к конусной поверхности корпуса крана. Уменьшение утечек среды достигается установкой сальникового уплотнения.

Кран обладает малым гидравлическим сопротивлением и быстро закрывается. Он может хорошо работать на линиях, транспортирующих среды с взвешенными твердыми частицами. Быстрота закрывания крана может привести к гидравлическим ударам, поэтому его рекомендуется применять на газовых линиях, но не на паровых, так как при работе на паре возможно коробление корпуса крана и прикипание пробки. Ввиду сложности притирки конусной пробки и корпуса краны имеют Dу < 80 мм.

68

Вентили, в отличие от кранов, позволяют регулировать расходы, среды, а иногда и давление (путем дросселирования). Регулировка возможна вследствие того, что подъем запорного органа может производиться на любую высоту с помощью передачи винт– гайка.

Запирающей парой являются седло и клапан. Сопряжение седла с клапаном может происходить по конической или по цилиндрической поверхности. Седло и клапан притираются друг к другу. Седло в корпусе вентиля крепится на прессовой посадке или на резьбе. В некоторых конструкциях вентилей седло изготавливается заодно с корпусом вентиля. Для создания плотности запирания необходимы высокие удельные давления на запирающих поверхностях, поэтому площадь соприкосновения клапана с седлом должна быть небольшой. Конусное сопряжение клапана с седлом увеличивает удельное давление в запирающих поверхностях вследствие разложения осевого усиления на тангенциальное и нормальное по отношению к поверхности сопряжения.

Вентили применяются на больший Dу, чем у кранов. Они могут устанавливаться на паропроводах. Направление среды предпочтительней от седла на клапан, так как при этом после запирания среды ее давление не будет передаваться на сальник вентиля. Вентили обладают большим гидравлическим сопротивлением. Они не могут использоваться для сред, содержащих взвешенные твердые частицы.

Задвижки применяются на больший Dу, чем вентили (Dу ≤ 1500 мм). Они перекрывают проход вследствие перемещения плоскогодиска перпендикулярно движению среды.

Для создания плотного прилегания клапана к седлу клапан задвижки приходится изготавливать из двух половинок (из двух тарелок) или клиновым. Клиновой клапан имеет угол клина 5–10º. С помощью этого клина осуществляется поджатие клапана к седлам. В задвижках приходится иметь два седла, и поджатие клапана производится одновременно к двум седлам, которые при закрывании прохода оказываются с двух сторон клапана.

Ввиду такой конструкции задвижки дороги и сложны в ремонте. Применяются они в основном для трубопроводов пара и воды,

69

для магистральных трубопроводов. На технологических трубопроводах химических цехов они применяются реже, чем вентили.

Регулирующая, предохранительная и контрольная арматура.

Такая арматура, как и запорная, подбирается по справочникам на определенные Ру и Dу. Регулирующая арматура служит для изменения давления, расхода и температуры транспортируемой среды. К ней относятся вентили со специальным устройством клапанов (золотников), редукционные и дросселирующие вентили, регулирующие клапаны прямого действия с мембранным приводом, предназначенные для изменения давления в трубопроводе. Клапаны последнего вида могут регулировать давление в трубопроводе до клапана («до себя») илив трубопроводепосле клапана(«после себя»).

Предохранительная арматура предназначена для автоматического открытия или закрытия при изменении давления либо направления движения среды. К предохранительной арматуре относятся предохранительные и обратные клапаны.

Контрольная арматура служит для проверки движения и определения уровня в трубопроводе или аппарате. К этой арматуре относятся контрольные (пробно-спускные) краны, указатели уровня, трехходовые краны и т.д. Кроме отмеченных видов арматуры встречается еще специальная арматура, служащая для удаления конденсата (конденсатоотводчики), для отделения влаги и масла (влагомаслоотделители) и вспомогательная арматура (смотровые фонари, огнепреградители).

70