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

жения потока в зазоре между клапаном 1 и корпусом 2, а также перепад давления. Усилие потока, давящего на клапан, становится

больше усилия пружины ,З и клапан закрывается. В самом клапа­ не имеется небольшое отверстие 4 для выравнивания давления по обеим сторонам клапана, когда аварийный режим будет ликви­

дирован. Если закрыть задвижку на линии за клапаном, то про­

ходящая через это отверстие жидкость или газ выравнивают дав­

ление по обеим сторонам клапана, и он под действием пружины автоматически открывается. Скоростной клапан пружинного типа конструкции Мосгазпроекта перекрывает поступление сжи­

женного газа проходящего через него со скоростью, превышаю­ щей 15 м/с.

На рис. II.8 показан скоростной клапан поплавкового типа, ко­

торый используют на железнодорожных цистернах сжиженного

газа. Принцип действия его такой же, как у скоростных клапанов

пружинного типа, с той разницей, что в данном случае усилие по­

тока уравновешивается не пружиной, а весом клапана-поплавка 1,

свободно плавающего в потоке жидкости. При значительном уве­

личении скорости потока жидкости поплавок поднимается и при­

крытия клапана и создания противодавления по установлении нор­ мального режима. Поплавковые скоростные клапаны устанавли­

вают только на жидкостных линиях в вертикальном положении.

ГЛАВА 4

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ МЕМБРАНЫ

Основным недостатком предохранительных клапанов является

большая их инерционность. При быстром нарастании давления, особенно в процессах, протекающих с взрывной скоростью, они не

успевают выполнять свое назначение. Предохранительные клапаны

весьма чувствительны к различным средам (коррозионным, кри­ сталлизующимся, затвердевающим и сгущающимся) и в этих слу­ чаях они не выполняют своей функции без принятия дополнитель­ ных мер.

Известно много случаев нарушения герметичности предохрани­

тельных клапанов после непродолжительной их эксплуатации.

Особенно часто это происходит с предохранительными клапанами,

ствие чего большие количества продукта стравливаются в атмос­

феру.

120

Поиск более работоспособных и надежных предохранительных

устройств привел к созданию предохранительных *мембран и ком­

бинированных систем с применением мембран. Предохранительные мембраны надежно работают при статиче­

ском или динамическом нагружении, самостоятельно и в сочетании с другими предохранительными устройствами, обеспечивая при этом эффективную защиту оборудования от недопустимого повы­ шения давления. Мембраны применяют для защиты предохрани­

тельных клапанов от воздействия коррозионных сред и повышения

их работоспособности при контакте с кристаллизующимися и поли­

меризующимися веществами, для увеличения срока службы кла­

панов при нормальном технологическом режиме и повышения сте­

пени герметичности систем.

Недостатками разрывных мембран являются необходимость за­

мены мембраны после каждого срабатывания и условность расче­

та разрушающего давления. Расчетным путем можно ориентиро­ вочно определить лишь усредненную величину разрушающего дав­ ления.

Классификация мембран

Официальная классификация предохранительных мембран от­

сутствует. Принято классифицировать мембраны исходя из ха­ рактера разрушения материала мембраны и технологии изготов­

ления. По этим признакам мембраны подразделяются на следую­ щие конструкции: разрывные, срезные, отрывные, ломающиеся,

**выщелкивающие и специального исполнения.

Разрывные мембраны характеризуются тем, что перед разру­ шением они претерпевают часто значительные пластические дефор­

мации. Мембраны этой конструкции могут быть плоскими, предва­

рительно выпученными, с канавками и рисками, с вакуумными опорами и многослойные.

На рис. 11.9 показано крепление предварительно выпученных и плоских мембран между фланцами. Давление технологической среды направлено снизу вверх.

Установка мембраны непосредственно между фланцами воз­

можна только для аппаратов, работающих при низких давлениях.

Такое крепление мембран не обеспечивает их равномерного зажи­

ма и достаточного удельного давления на мембрану, вследствие

чего разрывное давление мембраны значительно увеличивается. Поэтому применяются специальные конструкции для крепления

стр. 125).

* В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (п. 5—4—8), предохранительные мембраны называются предо­ хранительными пластинами.

** В настоящее время выщелкивающие мембраны часто называют хлюпаю­ щими.

121

Плоские мембраны наиболее просты в изготовлении, удобны в монтаже и могут с успехом применяться в тех случаях, когда не

требуются высокая точность срабатывания, большая чувствитель­

ность к росту давления и значительный срок службы.

Предварительно выпученные разрывные мембраны имеют фор­

му куполообразной оболочки и изготовляются из отожженного тонколистового проката. По сравнению с плоскими мембранами они имеют более стабильное разрывное давление и отличаются

большей чувствительностью к повышению нагрузки. Время сраба­

тывания у них меньше, так как перед разрывом они почти не претерпевают пластических деформаций.

Рис. ІІ.9. Крепление разрывных мембран:

а — между плоскими фланцами; б — между фланцами типа «выступ-впадина»; / — мембра­ на; 2, 5— прокладки; 3, 4 — фланцы.

Мембраны с гладкой поверхностью для получения требуемого

разрывного давления должны быть тонкими; следовательно, они недостаточно надежны, так как при небольшой толщине дефекты материала значительно увеличивают область рассеяния разрыв­

ного давления и мембраны подвергаются случайным повреждени­

ям еще до их установки. Поэтому находят применение разрывные мембраны увеличенной толщины с канавками и рисками.

Для защиты печей синтеза хлористого водорода и другого обо­

рудования в отечественной практике нашли применение мембраны

с перепекающимися канавками. На рис. 11.11, а показана такая

плоская мембрана, а на рис. Н.П, б предварительно выпученная мембрана с рисками. Разрывные мембраны с канавками и риска­ ми целесообразно применять для защиты оборудования, когда тре­

буется относительно низкое разрывное давление, не превышающее обычно 3 кгс/см2, если предохранительные мембраны других типов

по каким-либо причинам не могут быть использованы.

Мембраны с вакуумными опорами применяют для защиты ап­ паратов, в которых может образоваться вакуум. Вакуумные опоры имеют профиль мембраны, плотно прилегают к ней и предотвра­

щают смятие тонкого тела мембраны, если давление с выпуклой стороны мембраны превысит давление с вогнутой стороны. На рис. 11.12 показан один из видов постоянной вакуумной опоры.

Данные эксплуатации мембран с вакуумными опорами свиде­

тельствуют об удовлетворительной их работоспособности, хотя

122

опоры уменьшают пропускную способность мембранного устрой­ ства на 40—50%. Для сохранения пропускной способности прихо­ дится искусственно увеличивать рабочий диаметр мембраны и

соответственно и вакуумной опоры.

Многослойные мембраны применяются в тех случаях, когда

технологическая среда отличается коррозионной активностью и

противостоять ей могут лишь платина, золото, серебро, палладий, тантал и другие редкие и драгоценные металлы. Такие мембраны состоят из основной части, изготовляемой из обычного материала,

удовлетворительно работающего при заданных давлении и темпе­

ратуре без учета возможной коррозии, и очень тонкой диафрагмы

из фольги коррозионностойкого материала.

Срезные мембраны при срабатывании срезаются по кромке верхнего прижимного кольца и полностью освобождают проходное сечение для стравливания давления. По сравнению с разрывными

эти мембраны менее работоспособны, а результаты их испытаний

воспроизводятся труднее. На рис 11.13 показан узел срезной мем­ браны. Наиболее простые защитные устройства с использованием срезных мембран имеют ту же область применения, что и предо­

хранительные устройства с разрывными мембранами. Известны

многие разновидности срезных мембран.

Отрывные мембраны применяются на аппаратах с высоким дав­

лением (свыше 250 кгс/см2), когда сброс небольшого количества среды значительно снижает давление в защищаемом аппарате.

Наиболее простыми и распространенными являются отрывные

мембраны колпачковой формы (рис. II. 14).

При достижении критического давления мембрана отрывается по ослабленному месту и уносится потоком среды в сбросной тру­

бопровод. Отрывные мембраны успешно используют для защиты аппаратуры в производствах этилена, полиэтилена высокого давле­ ния и др.

123

Ломающиеся мембраны при достижении критического давле­

ния ломаются, полностью освобождая проходное сечение. Для их изготовления используют чугун, эбонит, поливинилхлорид, стекло,

графит и другие хрупкие материалы. Мембраны изготовляются

диаметром до 350 м'м на разрывное давление до 64 кгс/см2 и при­ меняются в различных технологических средах при температуре

до 375 0C.

Мембраны из чугуна с кольцевыми канавками используют для защиты от опасного повышения давления на полимеризаторах,

Рис. И.13 Узел срезной мембраны.

аппаратах с высокотемпературными органическими теплоносителя­

ми (ВОТ) и др.

По данным эксплуатации, продолжительность работы чугунных мембран не превышает значений порядка 2000—2100 ч.

Для получения воспроизводимых свойств мембран из чугуна

необходим тщательный технологический контроль за составом

металла и процессом литья, так как разброс разрушающего давле­

ния для таких мембран велик. Например, на одном заводе при контрольных испытаниях чугунных мембран, рассчитанных на

разрушение в пределах 3,5—3,75 кгс/см2, установлено, что факти­

ческое разрушающее давление колебалось от 0,5 до 9 кгс/см2. Графитовые ломающиеся мембраны удовлетворительно работа­

ют при знакопеременных нагрузках, в условиях длительного воз­

действия давления, температуры и коррозионных сред. Отклонение

разрушающего давления графитовых мембран от номинального не превышает обычно 10%. В отечественной практике графитовые мембраны получили наибольшее распространение для защиты хо­ лодильных фреоновых агрегатов. При правильно выбранных усло­

124

виях эксплуатации орок службы графитовых мембран может быть более 3 лет.

Выщелкивающие мембраны представляют собой тонкостенные

сферические купола, изготовленные из материала с высоким пре­ делом упругости. Под действием давления, распределенного по

выпуклой стороне и превышающего критическое значение, оболоч­

ка теряет устойчивость и начинает выпучиваться в другую сторо­

ну. Выпучивание быстро прогрессирует и приводит к полному про-

щелкиванию оболочки, которое сопровождается ударом (хлопком).

При этом мембраны скачкообразно меняют свой прогиб и выби­ ваются из гнезда, не образуя осколков, и проходное сечение для

стигать 90—95% от критического давления, и при этих условиях срок службы этих мембран превышает в 10—15 раз долговечность

мембран других типов. Выщелкивающие мембраны удовлетвори­ тельно работают при статическом и динамическом нагружении га­

зообразной средой. Преимущество данных мембран заключается

также в том, что при неизменном диаметре и толщине за счет раз­ ной высоты предварительного выпучивания можно значительно из­ менять критическое давление.

В работе H. Е. Ольховского [20] в числе других типов мембран

подробно описаны мембранные предохранительные устройства спе­ циального назначения.

Следует отметить, что при большом разнообразии конструкций предохранительных мембран отсутствуют четкие критерии, опре­

деляющие целесообразность применения того или иного вида и типа мембран в конкретных производственных условиях.

О расчете мембран

Всесоюзный научно-исследовательский институт техники без­ опасности в химической промышленности (ВНИИТБХП) разрабо­

тал в 1972 г. руководящий технический материал (PTM) «Пред­

охранительные устройства. Защита химического оборудования с по­

мощью разрывных предохранительных мембран». PTM утвержден

Министерством химической промышленности и согласован с Гос­

гортехнадзором СССР.

125

Это первый отечественный официальный нормативный доку­ мент, определяющий порядок расчета, изготовления и монтажа

предохранительных мембран.

Расчетными параметрами предохранительных мембран являют­

ся: минимальный рабочий диаметр, максимальное избыточное раз­

рывное давление, предельное значение разрушающего давления.

Минимальный рабочий диаметр мембраны должен определять­

ся пропускной способностью отверстия, образующегося после раз­ рыва. Площадь отверстия после разрыва мембраны должна быть

такой, чтобы исключить возможность дальнейшего повышения

давления в сосуде. В PTM приведены формулы, графики и табли­

цы для определения минимального рабочего диаметра предохрани-^ тельной мембраны.

Необходимое максимальное избыточное разрывное давление

предохранительной мембраны при рабочей температуре в аппара­

тах, работающих при избыточном давлении свыше 0,7 кгс/см2,

должно назначаться в соответствии с пунктом 5-4-8 «Правил

устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Необходимое максимальное избыточное разрывное давление предохранительной мембраны для аппаратов, работающих без

избыточного давления, но содержащих пожаро- и взрывоопасные

продукты, не должно превышать избыточного давления разгрузки,

которое в этом случае назначается не менее 0,1 кгс/см2 при емко­ сти аппарата до 30 м3 и 0,05 кгс/см2 при емкости аппарата 30 м3

и более.

Для аппаратов, работающих под избыточным давлением ниже 0,7 кгс/см2 и содержащих летучие и легковоспламеняющиеся про­

дукты, максимальное разрывное давление предохранительной мем­ браны не должно превышать избыточного давления разгрузки, ко­ торое принимают не менее чем на 0,3 кгс/см2 выше рабочего.

Для аппаратов, работающих под вакуумом, максимальное раз­

рывное давление предохранительной мембраны не должно превы­

шать избыточного давления разгрузки, которое должно быть не менее 1 кгс/см2.

Теоретические методы расчета мембран позволяют лишь ориен-'

тировочно определять среднее значение разрушающего давления

при нормальных условиях (без учета влияния характера и дли­ тельности воздействия нагрузки, рабочей температуры и других

факторов). Предельные значения разрушающего давления мем­ бран могут быть определены с заданной надежностью лишь экспе­

риментальным путем.

Метод определения этих величин для мембран из различных

материалов на основе результатов испытаний при нормальной тем­

пературе описан в работе H. Е. Ольховского [20]. Там же приве­

дены экспериментальные данные о разрушающем давлении мем­

бран из различных материалов при кратковременном статистиче­ ском нагружении в условиях нормальных температур.

126

B PTM приведены данные, характеризующие условия примене­

ния различных материалов для изготовления предохранительных

мембран, и пределы рабочих температур для некоторых наиболее

распространенных металлов.

Предохранительные мембраны, несмотря на их большое значе­

ние, используются в промышленности явно недостаточно. Это объ­ ясняется малым объемом отечественных разработок, неудовлетво­ рительной о них информацией и отсутствием промышленного про­

изводства мембран.

Ограниченное применение предохранительных мембран в неко­

торой мере связано также с жесткими требованиями «Правил

устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под

давлением», а именно: «В случаях, когда по роду производства

или вследствие действия содержащейся в сосуде среды предохра­ нительный клапан не может надежно работать, сосуд должен быть

снабжен предохранительной пластиной, разрывающейся при повы­

шении давления в сосуде не более чем на 25% рабочего давления

(если это подтверждено расчетом) .*..» Таким образом, «Правила» требуют, чтобы запас между дав­

лением разрушения мембраны и рабочим давлением составлял

25%, а это в значительной степени сужает область применения

предохранительных мембран. Дело в том, что в большинстве ап­ паратов расчетное давление соответствует рабочему давлению или

Допуск на разрушающее давление мембран зависит в значи­

тельной степени от качества материала, из которого они изготовле­

ны. На практике доказано, что при использовании материалов, об­ ладающих коррозионной стойкостью, однородной структурой и

стабильными механическими свойствами при рабочей температуре,

допуск на разрывное давление не превышает +2% от минималь­ ного давления. Следовательно, имеется основание для уточнения

пункта 5-4-8 «Правил» и сокращения интервала между давлением разрушения мембраны и расчетным (рабочим) давлением в аппа­

рате, что способствовало бы более широкому внедрению разрыв­ ных мембран в пожаро- и взрывоопасных производствах.

Опыт внедрения мембран

ВНИИТБХП в 1966 г. обследовал 156 предприятий и организа­

ций химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей

промышленности, применяющих мембранные предохранительные

127

Основными объектами, на которых устанавливаются мембран­

ные предохранительные устройства, являются сборники, хранили­

ща сжиженных газов, реакторы, части топочных устройств, нахо­ дящиеся под давлением, и трубопроводы. Опыт эксплуатации по­ казывает, что часто (почти 50% случаев) предохранительные

мембраны, применявшиеся в обследованных предприятиях, сраба­ тывали преждевременно. Основными причинами преждевременного срабатывания предохранительных мембран являются неудачное

конструктивное оформление мембранных узлов и повреждение мембран при их монтаже; применение непригодного материала и некачественное изготовление мембран; изменение условий эксплуа­

тации, на которые мембраны были рассчитаны.

Более 10% предохранительных мембран, применявшихся на

обследованных предприятиях, при достижении критического дав­

ления не разрушились; были случаи, когда даже после разрушения предохраняемых аппаратов и трубопроводов они остались непо­ врежденными.

Основными причинами завышения разрушающего давления яв­

ляются небрежный монтаж, понижение температуры среды или даже обледенение мембран, значительное противодавление в

сбросных трубопроводах.

На обследованных предприятиях находились в эксплуатации

предохранительные мембраны диаметром от 2 до 1300 мм (всего

98 размеров), рассчитанные на разрушающее давление от 0,02 до

2150 кгс/см2, работающие в диапазоне рабочих температур от

—183 до 1500 0C, при этом насчитывалось более 300 технологиче­ ских сред, различающихся по коррозионному действию на мате­ риал мембран.

Для изготовления мембран использовались следующие мате­ риалы: чугун, алюминий, сталь нержавеющая, сталь углеродистая, латунь, паронит, медь, бронза, картон, никель, полиэтилен, тексто­ лит, асбест, фторопласт, фанера буковая со специальной пропит­ кой, силумин, титан, стекло, нейзильбер, серебро, асботекстолит,

олово, свинец, резина техническая, монельметалл и графит.

Большинство применяемых материалов не соответствовало тре­

бованиям, предъявляемым к ним условиями производства, и мем­

браны из них имели большую область рассеяния разрушающего

давления.

Многие из обследованных предприятий и организаций собствен­ ными силами проводили разработку и испытания мембран без

учета опыта, уже накопленного в этой области.

Положительный опыт по внедрению и эксплуатации предохра­ нительных мембран накоплен на Московском нефтеперерабаты­ вающем заводе. В содружестве с Всесоюзным научно-исследова­ тельским и проектным институтом нефтеперерабатывающей и

нефтехимической промышленности (ВНИПИнефть) на этом за­

воде внедрена система комбинированной защиты аппаратов от

опасного повышения давления. В частности, перед предохранитель-

128

ними клапанами типа ППК-4 и СППК-4 были установлены метал­

лические мембраны. Намечается установка мембран не только пе­

ред предохранительными клапанами (для ликвидации утечек сре­

ды), но также и после клапанов, чтобы исключить влияние на их работоспособность среды, содержащей агрессивные вещества, при

сбросе в закрытые системы.

Из изложенного в этой главе можно сделать следующие вы­

воды:

Предохранительные мембраны целесообразно применять в ка­ честве эффективного средства защиты аппаратов и трубопроводов от разрушения при повышении в них давления сверх установлен­

ных пределов. Большой областью применения мембран является

сочетание их с предохранительными клапанами.

Для обеспечения надежной защиты оборудования от опасного повышения давления нужны предохранительные мембраны с га­ рантированными пределами разрушающего давления в условиях

эксплуатации. Для расширения области применения мембран необ­

ходимо освоить их изготовление с минимальным допуском на раз­ рушающее давление от заданного давления.

Многообразие конструкторских решений, типоразмеров и мате­

риалов предохранительных мембран, применяемых до недавнего

времени, не оправдано. Оно может и должно быть значительно уменьшено на основе специальных исследований и учета эксплуа­

тации предохранительных мембран.

Для широкого внедрения предохранительных мембран необхо­

димо организовать их промышленное производство. Это позволит повысить надежность применения предохранительных мембран.

ГЛАВА 5

ДЫХАТЕЛЬНАЯ АРМАТУРА

Основное количество легковоспламеняющихся жидкостей хра­

нится в вертикальных стальных цилиндрических резервуарах. Без­

опасность хранения ЛВЖ в значительной степени зависит от пра­

вильного подбора и исправного действия дыхательной арматуры.

Величина потерь хранимых в резервуарах летучих продуктов на­

ходится в прямой зависимости от работоспособности дыхательной

арматуры.

К дыхательной арматуре относятся дыхательные и предохрани­ тельные клапаны и огнепреградители.

Дыхательный клапан работает при повышении в резервуаре

давления или вакуума выше расчетного. В первом случае он вы­ пускает в атмосферу образовавшуюся в резервуаре паровоздуш­

ную смесь, во втором случае впускает в резервуар атмосферный

воздух, поддерживая расчетный вакуум.

9—659