книги из ГПНТБ / Брейман, М. И. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах

В целях уменьшения загрязнения атмосферы и сокращения по­ терь продуктов Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехи­ мической промышленности и Министерство химического и нефтя­

ного машиностроения по согласованию с Госгортехнадзором уста­

новили нормы превышения расчетного (рабочего) давления над нормальным технологическим давлением в аппаратах и емкостях, снабженных предохранительными клапанами.

Расчетное (рабочее) давление в сосудах и аппаратах должно

превышать нормальное технологическое давление в следующих

пределах:

для сосудов и аппаратов, в которых хранятся или обрабатыва­

ются нейтральные вещества,— на 10%, но не менее чем на 1 кгс/см2.

Для сосудов и аппаратов со взрывоопасными или высокоток­

сичными веществами:

при установке на этих аппаратах одной системы предохрани­ тельных клапанов —на 10%, но не менее чем на 2 кгс/см2;

при установке на этих аппаратах двух систем предохранитель­

Кратковременное превышение давления в сосуде в пределах

до 10% от расчетного (рабочего) во время действия предохрани­ тельных клапанов не учитывается при расчете сосуда (аппарата) на прочность. Если исполнительная толщина стенки аппарата (без

учета прибавки на коррозию) выше расчетной, рекомендуется оп­

ределять допустимое рабочее давление в аппарате исходя из при­

нятой толщины стенки.

При определении допустимого рабочего давления должно при­

ниматься во внимание действие не только внутреннего давления, но и ветровых, сейсмических, весовых и других нагрузок.

В ТУ ПК—71 указанные нормативные материалы уточняются применительно к промышленности синтетического каучука:

для аппаратов, содержащих негорючие или нейтральные про­

дукты, величина расчетного давления принимается большей на

10%, но не менее чем на 1 кгс/см2 выше режимного давления;

для аппаратов, предназначенных для огневзрывоопасных про­

дуктов или токсичных веществ, оборудованных приборами автома­ тического регулирования давления и температуры, величина рас­ четного давления должна приниматься большей на 10%, но не ме­

нее чем на 2 кгс/см2 выше режимного давления; ■

для аппаратов, предназначенных для огневзрывоопасных или токсичных веществ, не имеющих автоматического регулирования

давления и температуры или блокировки с источником давления, величина расчетного давления должна приниматься большей на

15%, но не менее чем на 3 кгс/см2 выше режимного давления. Расчетное давление для аппаратов с режимным давлением ме­

нее 0,5 кгс/см2 следует принимать равным 0,6 кгс/см2.

90

Для унифицирования конструкции аппаратов ТУ ПК—71 ре­

комендуют принимать расчетное давление аппаратов по следующе­

му ряду: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 16,0; 20,0; 25,0; 40,0;

64,0; 80,0 кгс/см2. Там же приведена таблица минимальных рас­ четных давлений, принимаемых для аппаратов колонного типа,, работающих под внутренним давлением, установленных на открытых площадках на бетонных и железобетонных фунда­

ментах.

Технологические процессы и их аппаратурное оформление, при­

нятые в промышленности синтетического каучука, характерны для многих нефтехимических и других родственных производств. По­

этому нормативные положения, принятые в ТУ ПК—71, могут

быть рекомендованы для руководства при проектировании и экс­

плуатации и других пожаро- и взрывоопасных производств.

При конструировании аппаратов, которые полностью заполня­ ются по условиям технологического процесса жидкой фазой и в которых исключена возможность повышения давления за счет хи­ мической реакции или обогрева, расчетное давление следует при­ нимать по максимальному давлению в питающем источнике. О по­ следствиях нарушения этого требования можно судить по аварии,,

происшедшей на одном нефтехимическом заводе в цехе получения триизобутилалюминия.

Первоначальной стадией синтеза триизобутилалюминия явля­

ется приготовление толуольной суспензии алюминия. Для этого в

один аппарат заливают заданное количество толуола, а в другой—1 загружают порошок алюминия, который затем передавливается

азотом в первый аппарат. Этот способ приготовления суспензии

при соблюдении определенных требований в принципе является

безопасным, но технологическая схема передавливания порошка

алюминия была построена неудачно. Во-первых, для передавлива­ ния применялся водород при исходном давлении 65—70 кгс/см2^

при расчетном давлении в аппаратах 6 кгс/см2; во-вторых, на под­ водящем трубопроводе водорода после редуцирующего приспособ­ ления и на аппаратах отсутствовали предохранительные клапаны.

К тому же аппаратчик после загрузки в аппарат порошка алюми­

ния закрыл крышку и закрепил ее только двумя шпильками вме­

сто восьми. Резьба шпилек и гаек имела износ. При передавлива­

нии порошка алюминия в результате возросшего давления внутри

аппарата была сорвана резьба шпильки и гайки крепления крыш­

ки загрузочного люка, изломана вторая шпилька и отброшена

крышка люка. При разрушении болтового соединения образова­

лась искра и произошел хлопок с последующим загоранием водо­

рода и алюминиевого порошка. Аппаратчик получил ожоги.

При расследовании аварии не удалось точно определить повы­

шение давления в аппарате по сравнению с рабочим, так как дав­

91

ление водорода после редуцирующего устройства на картограмме

вторичного прибора не регистрировалось в течение двух суток,

предшествовавших взрыву.

Из приведенного примера следует, что если расчетное давление

аппарата меньше давления источника питания, необходимо преду­

сматривать дополнительные меры защиты аппарата от опасного повышения давления в нем. В отдельных случаях, когда это не связано со значительными затратами, целесообразно принимать расчетное давление аппарата равным давлению источника пита­ ния.

ГЛАВА 2

КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ОПАСНОГО ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В АППАРАТАХ

Причиной опасного повышения давления может быть неудач­ ная конструкция внутренних устройств аппарата.

На рис. ILl показана конструкция испарителя, запроектиро­ ванного в технологической схеме получения формальдегида на -одном производстве. В штуцера 5 подается воздух, в штуцер 6— метанольно-водная шихта, в штуцер 7 — водяной пар. Метанольно­

воздушная смесь выходит через штуцер 9 и через перегреватель

направляется в контактный аппарат на каталитическое окисление,

которое проводится при 630—650 °С.

Пары метанола с воздухом образуют взрывоопасные смеси

(нижний предел воспламенения 6,0, верхний предел — 34,7 объ-

емн.%; минимальная температура самовоспламенения метанола—

436 0C).

Во избежание взрыва в контактном аппарате процесс окисле­ ния метанола проводят при его концентрации в метанольно-воз­ душной смеси значительно более высокой, чем концентрация для верхнего предела взрываемости. Заданная концентрация метанола

в смеси обеспечивается температурным режимом в испарителе: чем ниже температура в испарителе, тем ниже концентрация ме­

танола в метанольно-воздушной смеси при заданном режимном

давлении в испарителе. Эти условия в значительной степени опре­ деляются конструкцией испарителя: в нем не должно повышаться давление; испаритель должен надежно сепарировать капельную'

жидкость из метанольно-воздушной смеси.

Между тем принятая конструкция испарителя не обеспечивала выдерживания заданного режима работы. Насадка (кольца Pa-

шига) в отбойной части аппарата частично крошилась и перекры­

вала металлическую сетку, установленную на трубе обратного

стока жидкости. При этом жидкий метанол накапливался в отбойни­ ке, создавая дополнительное сопротивление прохождению мета­ нольно-воздушной смеси и повышая давление в испарителе. По ме-

92

ре достижения определенного значения давления в испарителе

происходил выброс жидкости из отбойника в контактный аппарат

и резкое повышение температуры в испарителе. Вслед за этим дав­

ление в нем понижалось, темпе­

разрабатывали технологию получения высокомолекулярного бутил­

каучука, то не предполагалась возможность забивки полимериза­

тора и выводного трубопровода полимерами. Поэтому при офор­ млении технологической схемы и конструировании полимеризатора

не предусматривали специальных мер против забивки. Последствия

просчетов в научно-исследовательских и проектно-конструктор­ ских работах выявились во время освоения производства.

Первоначальным регламентом предполагалось, что продолжи­

тельность цикла полимеризации должна составлять примерно

20 ч. В течение этого времени должно было происходить отложе­ ние полимера на поверхности внутренней трубчатки, постепенное

в связи с этим увеличение давления. Поэтому полимеризатор

93

должны были отключить на промывку и вместо него включать ре­

зервный.

В действительности продолжительность цикла полимеризации

в первое время не превышала 8 ч, причем давление в полимериза­ торе повышалось не постепенно, а скачкообразно. При изучении причин этого опасного явления выяснилось, что увеличение давле­

ния происходит не за счет постепенного отложения полимера на поверхности трубчатки, а вследствие забивки выводной трубы из

полимеризатора в дегазатор.

Процесс полимеризации проводится при температуре около

—IOOoC, а дегазация — в водном растворе при 500C. При кратко­ временном прекращении подачи полимеризата в выводную трубу попадали водяные пары, в результате чего в ней происходило за­ мерзание продукта. После частичной реконструкции выводной тру­

бы и уточнения технологического режима удалось несколько уд­

линить цикл полимеризации и смягчить опасное скачкообразное

повышение давления в полимеризаторе. Однако эта задача цели­

ком не решена и до настоящего времени.

Опасное повышение давления в аппаратах колонного типа, а

также в трубчатых холодильниках и кипятильниках вследствие забивки их полимерами и смолами имеет место и на других хи­ мических и нефтехимических производствах. '

Забивку аппаратов указанными продуктами можно исключить или уменьшить, если своевременно разработать меры ингибирова­

ния процессов термополимеризации непредельных соединений и за­

проектировать надежные схемы подачи ингибиторов.

Опасное повышение давления в системе возникает вследствие неправильного подбора параметров хладоагента при конденсации

увлажненных парогазовых смесей в трубчатых теплообменниках.

Иногда для более эффективного использования теплообменной поверхности выбирают хладоагент с более низкой температурой,

при этом пренебрегают удорожанием процесса и не учитывают возможность замерзания конденсирующейся воды и, как следствие этого, опасность повышения давления в системе.

Например, в производстве изопренового каучука имеется тех­

нологическая установка дегазации полимера. На этой установке из

раствора полимера отгоняется растворитель (изопентан). Процесс дегазации проводится при температуре около IOOoC с помощью

острого водяного пара. Парогазовая смесь сначала проходит через конденсаторы, охлаждаемые производственной водой, а затем по­

ступает в конденсаторы, охлаждаемые рассолом с температурой

15 С.

При разработке схемы конденсации парогазовой смеси, по-ви­ димому, предполагалось, что в конденсаторах, охлаждаемых про­

изводственной водой, сконденсируется весь или почти весь водя­ ной пар, а в рассольных конденсаторах сконденсируется раствори­

тель. Возможно, что при идеальном ведении процесса это предпо­ ложение осуществимо. Между тем в производственной практике

94

неизбежны отклонения от идеальных условий: временное повыше­

ние температуры производственной воды; колебания потоков паро­

газовой смеси; изменения состава парогазовой смеси; забивка теплообменников в трубном и межтрубном пространстве и т. п.

По указанным причинам содержание влаги в парах растворителя

после водяных конденсаторов может колебаться в широких пре­

делах. При повышенном содержании паров воды они выморажи­

ваются, образуя корку на внутренней поверхности трубок конден­ сатора. Вследствие этого ухудшается конденсация паров раствори­ теля и соответственно повышается давление в системе дегазации

полимера.

В отдельных случаях вымораживание паров воды из раствори­

теля приводит к прекращению слива углеводородного конденсата из теплообменника. Давление в системе резко завышается, откры­ ваются предохранительные клапаны, и изопентан стравливается в атмосферу. Одновременно срабатывает система автоматической

блокировки, при этом установка дегазации полимера аварийно от­

ключается.

Применение хладоносителя с температурой —15 °С в данной схеме технически необоснованно: температура кипения изопента­

на + 28 0C, следовательно, хладоагент с температурой O0C может

обеспечить достаточную степень конденсации изопентана. Ьолее

полную конденсацию изопентана из смеси с низкокипящими угле­

водородами и инертными газами, при отсутствии водяных паров,

целесообразно проводить хладоагентом с температурой —15 °С.

При очередном останове производства на капитальный ремонт

произвели реконструкцию системы конденсации парогазовой смеси

установки дегазации полимера. При этом смонтировали дополни­ тельные водяные конденсаторы. Для снижения забивки конденса­

торов крошкой каучука установили сепараторы. Рассольные кон­ денсаторы перевели на охлаждение за счет непосредственного

испарения в межтрубном пространстве аммиака. Пары аммиака

стали отсасывать компрессором 4АГ, который вырабатывает хла­ доагент с параметром OoC.

Система конденсации парогазовой смеси заработала более ус­ тойчиво. Однако нельзя считать, что реконструкция системы кон­

денсации парогазовой смеси была доведена до конца. Температу­ ра испарения аммиака зависит от давления, при котором происхо­ дит отсос его паров. Для точного выдерживания температуры

испарения аммиака необходимо иметь регулятор давления или га­

рантировать постоянство давления на приеме холодильных ма­ шин. Второй способ менее надежен, так как постоянство давле­

ния определяется нагрузкой на компрессор, которая зависит от

многих факторов.

Замена параметра хладоагента для конденсации парогазовой

смеси не могла полностью решить задачу устойчивости конденса­

ции парогазовой смеси, поскольку не исключена возможность под­

мерзания. Впоследствии смонтировали регулятор давления паров

95

аммиака и тем полностью исключили подмерзание конденсаторов.

Для более полного улавливания паров изопентана «хвостовой»

конденсатор стали охлаждать рассолом с температурой —15 uC.

Опасное повышение давления в кожухотрубных аппаратах вследствие необоснованного выбора хладоагента возможно не только при реализации технологических схем конденсации парога­ зовых смесей. Известны многочисленные аварии с холодильника­

ми, в которых охлаждаются увлажненные жидкости.

Предотвращение опасного повышения давления в аппаратах в

таких случаях возможно при условии технически обоснованного

выбора хладоагента с нужными параметрами и обеспечении авто­ матического регулирования их значений.

Опасное повышение давления в аппаратах зависит от надеж­ ности водоснабжения предприятия в целом и каждой технологи­

венного выполнения работ при строительстве сооружений водо­

снабжения большие промышленные комплексы оставались без во­ ды, что вызывало серьезные нарушения в технологических

процессах и в том числе аварийное повышение давления в аппарату­ ре. Один такой характерный случай был описан в гл. 3 разд. I.

Одной из причин неудовлетворительного водоснабжения являют­ ся ошибки в гидравлических расчетах внутриобъектных водопро­ водных сетей. Это можно наглядно иллюстрировать на примере

из производственной практики.

На нефтехимическом предприятии из одного коллектора по­

ступала вода на установку ректификации углеводородов и в холо­

дильный цех. Основными потребителями производственной воды

на указанных объектах были дефлегматоры (установка ректифи­

кации) и конденсаторы (холодильный цех). Однако водопотребители находились в неравных условиях: дефлегматоры ректификации были установлены на высоте 18—24 м, а конденсаторы холо­ дильного цеха — на высоте около 10 м. При уменьшении количест­

ва циркулирующей воды основная масса воды поступала на кон­

денсаторы холодильного цеха, где она использовалась не эффек­

тивно, а на ректификационных агрегатах происходило повышение

давления в колоннах, нарушалась четкость разделения компонен­

тов и т. п. Подобного рода просчеты не единичны.

На одном нефтехимическом предприятии технологические ус­

тановки, расположенные на значительном удалении от насосной

водоснабжения, практически оказались без воды. Если на установ­

ках, расположенных вблизи насосной, перепад давления прямой и обратной воды составлял 15—18 м, то на отдаленных установках

перепад был всего лишь 3—4 м, что явно недостаточно для нор­

мальной работы. Такое положение создавалось вследствие неудач­

ного гидравлического расчета сетей водоснабжения, а также из-за

расположения блока водоснабжения за пределами производствен­

ной зоны.

96

Типовая схема регулирования давления в ректификационных

колоннах состоит в том, что на линии обратной воды (охлаждаю­

щего рассола) устанавливается регулирующий клапан, работаю­

щий от импульса давления верха колонны. При увеличении на­

личивается расход охлаждающего агента, при этом давление в ко­

лонне остается неизменным.

В производственной практике известны случаи, когда вследст­ вие недостатка воды нарушается выдерживание режимного давле­ ния в ректификационных колоннах. Заниженная подача охлажда­

ющей воды на дефлегматоры возможна даже при наличии доста­

точной мощности оборотного водоснабжения предприятия в целом.

Такая ситуация создается при недостаточном сечении трубопрово­

дов прямой и обратной воды к дефлегматору, при малом диаметре

регулирующего клапана на трубопроводе обратной воды после дефлегматора, а также из-за завышенного подпора в сетях обрат­

ной воды оборотного водоснабжения. Это можно наглядно пока­ зать на примере ректификации циркулирующего растворителя в

производстве изопренового каучука.

Конденсация паров растворителя после ректификационной ко­ лонны производится в двух дефлегматорах, обвязанных последова­

тельно по продукту и охлаждающей воде. Пары растворителя из ректификационной колонны поступали в первый дефлегматор, в

котором частично конденсировались. Окончательная конденсация

происходила во втором дефлегматоре. Охлаждающая вода снача­

ла подавалась во второй дефлегматор, затем в первый, откуда она самотеком сливалась в общезаводскую сеть обратной воды.

На трубопроводе обратной воды после первого по ходу паров

дефлегматора был установлен регулирующий клапан для обеспе­ чения выдерживания заданного давления в колонне.

В процессе освоения производства выявилась потребность в значительном увеличении нагрузки на указанный ректификацион­

ный агрегат. При проверочном расчете определилось, что узким

местом в агрегате являются дефлегматоры. Для повышения эф­ фективности дефлегматоров изменили их обвязку с тем, чтобы ох­ лаждение осуществлялось не по последовательной схеме, как

раньше, а по параллельной; при этом была сохранена первона­

чальная схема регулирования. Подводящие трубопроводы прямой

и обратной воды сохранились прежними.

Однако это изменение схемы обвязки дефлегматоров оказалось

практически бесполезным, так как увеличить подачу воды на деф­ легматоры не представилось возможным. По-прежнему давление в колонне часто завышалось. Регулирующий клапан практически

всегда находился в полностью открытом состоянии, поэтому дав­ ление в колонне стало неуправляемым: оно менялось в широких пределах в зависимости от температуры воды и нагрузки по

сырью.

Процесе ректификации удалось сделать стабильным только с увеличением сечения трубопровода обратной воды после дефлег­

маторов до общего коллектора обратной воды.

Из приведенных примеров следует, что безопасность эксплуата­

ции пожаро- и взрывоопасных производств в значительной степе­

ни зависит от решения вопросов водоснабжения как в целом по предприятию, так и по каждой технологической установке, и агре­

гату в отдельности еще на стадии проектирования предприятия.

ГЛАВА 3

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ КЛАПАНЫ

Предохранительные клапаны являются основным предохрани­

тельным устройством, предназначенным для защиты аппаратов и коммуникаций от опасного повышения давления.

Классификация и область применения предохранительных клапанов

Предохранительные клапаны общего назначения изготовляют

двух типов: пружинные и рычажно-грузовые.

В пружинных клапанах тарелка прижимается к седлу корпуса

пружиной. В рычажно-грузовых клапанах усилие, прижимающее

тарелку к седлу корпуса, создается грузом через рычажное уст­

ройство.

По конструкции предохранительные клапаны разделяют на полноподъемные и неполноподъемные в зависимости от подъема

золотника.

Пружинные предохранительные клапаны, в зависимости от ти­ па пружин и устройства золотникового блока, могут быть полно­ подъемными и неполноподъемными. Рычажно-грузовые предохра­ нительные клапаны бывают только неполноподъемного типа.

Предохранительные клапаны по конструкции выхлопа подраз­ деляют на герметичные и негерметичные. Все пружинные предо­

хранительные клапаны конструкции Гипронефтемаша относятся к типу герметичных клапанов. Все рычажно-грузовые клапаны не

имеют герметичного выхлопа, поэтому они являются негерметич­ ными.

Герметичные пружинные предохранительные клапаны системы Гипронефтемаша в зависимости от конструкции делятся на урав­ новешенные и неуравновешенные.

К уравновешенным клапанам относятся предохранительные кла­

паны ППК и СППК; к неуравновешенным клапанам — клапаны

ППКД, имеющие специальную диафрагму, защищающую пружи­ ну клапана от непосредственного соприкосновения со средой.

Пружинные предохранительные клапаны типа ППК-4 изготов­

ляют с устройством (рычагом) для проверки исправностей дейст­

98

вия клапана в рабочем состоянии. Пружинные предохранительные

клапаны типа СППК-4 изготовляют без рычага для контрольных

продувок.

«Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, ра­

ботающих под давлением» (пункт 5-4-4), допускают установку пре­

дохранительных клапанов без приспособления для принудитель­ ного открывания, если последнее недопустимо по свойствам среды

(ядовитая, взрывоопасная и т. д.) или по условиям технологиче­ ского процесса. В этих случаях могут быть установлены предохра­ нительные клапаны типа СППК-4.

Установка рычажно-грузовых предохранительных клапанов, являющихся по своей конструкции негерметичными, на технологи­ ческих установках с пожаро- и взрывоопасными, а также токсич­ ными продуктами не допускается. Такие клапаны можно приме­

нять для защиты аппаратов и трубопроводов с сжатым воздухом

и водяным паром.

Область применения уравновешенных и неуравновешенных

пружинных предохранительных клапанов определяется также си­

стемой отвода продуктов от них. Предохранительные клапаны не­

К установке этого типа клапанов в системах с противодавлением следует прибегать только в исключительных случаях и при полной

гарантии, что давление в системе сброса не будет превышать

2 кгс/см2.

Несмотря на большое значение предохранительных клапанов, обслуживающий персонал нередко недооценивает их. Это объясня­

ется незнанием конструкции предохранительных клапанов и осо­ бенностей их работы в эксплуатационных условиях. Из-за непра­

вильного выбора и монтажа предохранительных клапанов их воз­

можности используются не полностью, а ошибки при обращении

с ними могут привести к крупным авариям.

Предохранительный клапан состоит из следующих основных де­

талей: корпуса, сопла с седлом, золотника, пружины (груза) и крышки. При отсутствии давления в аппарате, на котором уста­

новлен клапан, на золотник действует только сила сжатой пру­

жины, прижимая золотник к седлу сопла. При появлении в аппа­

рате давления на золотник начинает действовать противополож­ ная сила, зависящая от площади действия и давления. При рабочем давлении в сосуде эта сила почти уравновешивает силу

пружины. Возрастание давления в сосуде выше установленного на­

рушает это равновесие, подъемная сила преодолевает усилие пру­ жины и золотник, поднимаясь, начинает пропускать среду. У не­ полноподъемных клапанов увеличение высоты подъема золотника

происходит постепенно по мере повышения давления в системе. У полноподъемных клапанов за счет специальных конструктивных устройств после отрыва золотника от седла происходит резкий его

подъем. Клапан открывается с чистым резким хлопком без пред-