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

При освоении процесса разложения диметилдиоксана вследст­ вие конструктивных недостатков смонтированных теплообменни­

ков наблюдались следующие нарушения:

парогазовая смесь (шихта) из трубного пространства попада­

ла в межтрубное пространство теплообменника 2, в результате че­ го контактный газ разбавлялся шихтой, что недопустимо по техно­

логическому регламенту;

горячая парогазовая смесь из трубного пространства попадала

в межтрубное пространство теплообменника 3, где загоралась при

взаимодействии с дымовыми газами (температура 600 αC!).

Рис. Î.8. Принципиальная технологическая схема каталитического разло­ жения диметилдиоксана:

/ — испаритель; 2, 3 — теплообменники с плавающей головкой; 4 — реактор; 5 —топка.

Для повышения герметичности внутреннего устройства тепло­ обменников с плавающей головкой вынуждены были, как времен­

ное мероприятие, установить пластинку между фланцами трубно­

го пучка и корпуса теплообменника и приварить ее к фланцам.

При очередном ремонте аппаратов пластинку срезали, а потом сно­

ва устанавливали. В дальнейшем аппараты 2 и 3 были заменены теплообменниками с волнистыми компенсаторами, тем самым ис­

ключили нарушения технологического процесса и возможность по­

жаров и взрывов вследствие негерметичности внутренних уст­

ройств теплообменных аппаратов.

Известны два способа поглощения разности температурных уд­

линений в теплообменниках путем применения компенсаторов: ус­

тановка компенсаторов внутри аппарата и установка компенсато­ ров на кожухе теплообменника.

Установка волнистых компенсаторов внутри теплообменных ап­

паратов позволяет поглотить разность температурных удлинений

кожуха и трубного пучка при надежном разъединении сред и в

30

случае необходимости беспрепятственно проводить ремонт и чист­

ку труб.

Схемы установки волнистых компенсаторов на теплообменных

аппаратах приведены на рис. 1.9.

Компенсатор, установленный внутри аппарата на плавающей

головке (см. рис. 1.9, а), герметично разделяет потоки сред, про­ ходящих в межтрубном пространстве и по трубам. Если кожух

нагревается больше, чем трубный пучок, то компенсатор удлиня­

ется; если трубы нагреваются больше, чем кожух, то компенсатор

сжимается.

Рис. 1.9. Схема установки волнистых компенсаторов на теплообменных аппара­ тах:

а — на плавающей головке; б — на кожухе.

Давление сред, проходящих в межтрубном пространстве и в трубах, бывает различным. Поэтому компенсатор, установленный

внутри аппарата, может работать при внутреннем или наружном

избыточном давлении среды. Когда давление среды в трубах боль­

ше давления среды в межтрубном пространстве, возможно исполь­ зование обычных конструкций осевых трубопроводных компенсато­ ров для давлений py=10, 25 и 64 кгс/см2.

Компенсатор, установленный на кожухе аппарата (см. рис.

1.9, б) сжимается, если температура кожуха больше температуры

труб.

ВНИИнефтемаш [7]-разработал конструкцию компенсатора ти­

па KBTB Ду=250 мм для работы внутри аппарата в условиях на­

ружного избыточного давления до 20 кгс/см2 при температурах до

550 °С.

Компенсатор состоит из гибкого элемента, соединенного свар­ кой с патрубками. Профиль волн Q-образный, что способствует

равномерности работы, а также повышает прочность конструкции.

31

Компенсирующая способность четырехволнового компенсатора со­ ставляет 24 мм (сжатие и растяжение до 12 мм). Его усталостная

прочность не менее 5000 циклов.

В зависимости от материала деталей и их термообработки ком­

пенсатор KBTB пригоден для работы в неагрессивных и агрессив­ ных средах.

Для компенсации температурных линейных изменений длины кожуха теплообменного аппарата ВНИИнефтемашем разработа­ ны компенсаторы типа КВОТ для Ду = 600, 800, 1000, 1200 и 1400

на Py= 16 кгс/см2, устанавливаемые на кожух аппарата. Компен­ сатор КВОТ имеет одну волну Ω-o6pa3Horo профиля, усиленную по

бокам кольцами. Компенсирующая способность КВОТ для Ду =

=600—1400 мм находится в пределах 30 (±15) мм.

Впроизводственной практике известны многочисленные аварии,

связанные с деформацией трубопроводов вследствие неправиль­ ной компенсации тепловых линейных изменений.

Всвязи с интенсификацией технологических процессов и уже­

сточением условий их осуществления требования к поглощению тепловых линейных изменений в трубопроводах возрастают. Для компенсации их тепловых линейных изменений применяются П-об- разные, линзовые и волнистые компенсаторы.

До недавнего времени применялись в основном П-образные компенсаторы. Эти компенсаторы наиболее металлоемки и имеют

сравнительно большие размеры. Замена П-образных компенсато­

ров линзовыми и волнистыми сокращает протяженность промыш­

ленных трубопроводов на 20—25%, уменьшает гидравлические по­

тери, сокращает расход теплоизоляционных материалов, уменьша­ ет теплопотери и др. Эти преимущества, а также достаточные

диапазоны компенсации и устойчивость к высоким температурам

делают линзовые и волнистые компенсаторы незаменимыми в со­

временных промышленных трубопроводах.

Линзовые компенсаторы из углеродистой стали изготовляются

по нормалям машиностроения МН. 2894-62—МН.2908-62 следую­ щих типов: однолинзовые, двухлинзовые, четырехлинзовые, а так­

же сдвоенные. В зависимости от условий эксплуатации применяют

линзовые компенсаторы со стаканом и без стакана. '

В табл. 1.3 приведена характеристика линзовых компенсаторов.

Из табл. 1.3 следует, что линзовые компенсаторы из угле­

родистой стали изготовляются диаметром от 100 до 2400 мм для

с температурой среды не более 100oC. При более высокой темпе­ ратуре эта величина должна быть уменьшена:

при температуре до 2000C — на 5%;

при температуре свыше 200 до 300 0C — на 10%;

при температуре свыше 300 до 450 0C—на 15%;

32

Таблица І.З. Характеристика линзовых компенсаторов

Полная компенсирующая способность одной линзы (в мм) при

3—659

Продолжение табл. 1.3

Полная компенсирующая способность одной линзы (в мм) при

Для давлений в трубопроводах py=2,5 кгс/см2 и условных про­

дов от Ду=100 мм до Ду=300 мм применяются компенсаторы на

давление Py= 1 кгс/см2.

При установке линзовых и волнистых компенсаторов на гори­ зонтальных трубопроводах с конденсирующимися газами из каж­

дой линзы следует предусматривать дренаж конденсата. Указан­

ные компенсаторы с внутренним стаканом при их установке на го­

ем от строго осевого перемещения следует применять линзовые

компенсаторы со стяжками (шпильками) внутреннего стакана.

Конструкция стяжек и порядок их сборки строго регламенти­

руются соответствующими нормалями машиностроения, так как

они в значительной степени определяют работу компенсаторов.

К сожалению, в производственной практике не всегда выполня­

ют требования нормали, в результате чего возникают аварии и

пожары при эксплуатации трубопроводов.

На установке дегидрирования бутиленов в производстве диви­ нила контактный газ из реактора поступает в котел-утилизатор,

34

расположенный под реактором. Процесс дегидрирования проводит­

ся при температуре до 630 °С, а регенерация катализатора — при

температуре около 700 °С. На горизонтальных и вертикальных уча­ стках трубопровода диаметром 500 мм от реактора до котла-ути­

лизатора были смонтированы линзовые компенсаторы из нержаве­ ющей стали без стяжек. При пуске и освоении производства линзы

компенсаторов деформировались и давали трещины, вследст­ вие чего часто происходили загорания контактного газа. Обычно

после очередного загорания контактного газа дефектные места

подваривали без предварительной вырубки дефектных сварных

швов и без последующего гид­ равлического испытания. После такого «ремонта» очередные тре­

щины на линзах компенсаторов

появлялись чаще. Впоследствии

изготовили и смонтировали на компенсаторах стяжки. Однако

тактного газа на участке между реактором и котлом-утилизатором прекратились.

В отличие от линзовых компенсаторов волнистые компенсато­

ры обеспечивают значительные поглощения температурных изме­ нений длин трубопроводов, работающих при сравнительно высоких

температурах и давлениях сред.

Различные конструкции волнистых компенсаторов применяют-'

ся в зависимости от условий работ трубопроводов. > ВНИИнефтемаш разработал конструкцию волнистых осевых

с трубопроводами посредством сварки. Направляющая труба про­

ходит внутри гибкого элемента и предохраняет его от изгиба при

давлении среды, а также уменьшает завихрение потока транспор­

тируемого продукта. Компенсатор снабжен устройством для пред­

варительной растяжки при монтаже и для установления строитель­

35-

ной длины после его сборки. Оно состоит из стоек, приваренных

кпатрубкам, через которые проходят шпильки с гайками. Техническая характеристика осевого волнистого компенсатора

для /?у= 10 кгс/см2 приведена в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Техническая характеристика осевого волнистого компенсатора типа KBO для py=I0 кгс/см2

В дальнейшем планируется изготовление компенсаторов с боль­

шим числом волн.

Компенсаторы типа KBO для py=16 кгс/см2 находят широкое применение в цехах дегидрирования углеводородов в промышлен­

ности синтетического каучука. Компенсаторы изготовляют из ста­

ли Х17Н13М2Т, что позволяет их использовать до температуры среды 700 0C. В отличие от типовых эти компенсаторы имеют в од­ ном из патрубков ниппель для присоединения шланга со сжатым воздухом для периодической продувки от катализаторной пыли.

На рис. 1.11 приведена конструкция компенсатора типа KBO

для py=25 кгс/см2. Серийное производство таких компенсаторов

диаметром 150—400 мм с гибким элементом из стали Х18Н10Т освоено на Салаватском машиностроительном заводе. В период работы компенсатора свободный конец обечайки перемещается

внутри второго патрубка. Снаружи гибкий элемент закрыт кожу­ хом 4 для защиты от повреждения. Кожух приварен к стойкам 6.

Компенсатор снабжен устройством для предварительной растяж­ ки, состоящим из шпилек, соединенных с кожухом и проходящих через отверстия в стойках 7, приваренных к патрубку.

36

В перспективе намечается изготовлять компенсаторы типа KBO

для ру=25 кгс/см2 диаметром 450—1000 мм.

Поглощение тепловых линейных изменений трубопроводов за­

висит от рационального размещения компенсаторов, «мертвых»

точек и скользящих опор под трубопроводами, а также от качест­ ва выполнения их креплений.

При нарушении этих требований неизбежна деформация тру­

бопроводов и, как следствие,— авария. Осевые компенсаторы ре­ комендуется устанавливать вблизи «мертвых» точек. При этом

расстояние от компенсатора до «мертвой» точки или до ближай­

шей скользящей опоры не должно превышать размера двух диа­

метров условного прохода трубы.

Рис. 1.11. Конструкция компенсатора типа KBO для py = 25 кгс/см2:

1 — патрубок; 2 — кольцо опорное; 3 — гибкий элемент с кольцами; 4 — кожух; 5 — направ­ ляющая обечайка; 6, 7 — стойки.

Значительные распорные усилия, возникающие в осевых ком­

пенсаторах, являются их недостатком, так как требуют установки

достаточно жестких опор на крайних «мертвых» точках. Эти уси­ лия тем больше, чем больше диаметр труб и давление среды. Ком­

порное усилие около 18 тс. Если по условиям прокладки трубопро­ вода или другим причинам наиболее нагруженные «мертвые» точ­

ки не могут обеспечить требуемую жесткость, рекомендуется при­

менять так называемые разгруженные (уравновешенные) осевые

компенсаторы, у которых распорные усилия гасятся внутри ком­

пенсатора [7].

На рис. 1.12 показана конструкция волнистого разгруженного

компенсатора (тип KBP) для py=25 кгс/см2, разработанная ВНИИнефтемашем.

Этот компенсатор имеет три гибких элемента 4 и 6, располо­

женных соосно. Гибкие элементы связаны попарно тягами 7 через фланцы 2, приваренные к патрубкам. Фланцы и тяги восприни­

мают распорное усилие гибких элементов при давлении среды. Испытания компенсатора KBP показали, что его распорное уси­

лие при давлении 32 кгс/см2 близко к нулю.

37

Другим способом снижения нагрузки на «мертвые» точки явля­

ется применение шарнирных компенсаторов. Эти компенсаторы

позволяют поглощать значительные температурные изменения длин трубопроводов, а некоторые типы шарнирных компенсаторов

гасят вибрацию.

Из всех типов шарнирных компенсаторов наиболее широко применяются угловые волнистые (тип КВУ). Принцип работы компенсаторов заключается в возможности смещения осей пат­ рубков. ;под углом в одной плоскости допускаемого путем изгиба

гибкого элемента.

тивоположных сторон гибкого элемента установлено шарнирное

исходит поворот деталей шарнира, сопровождающийся изгибом гибкого элемента и перемещением осей патрубков под углом. Наи­

больший угол изгиба одной волны составляет от lo20' до lo40z в

зависимости от диаметра трубопровода.

Гибкий элемент линзовых и волнистых компенсаторов является наиболее напряженной деталью, так как он работает при знакопе­

ременной нагрузке. Компенсаторы могут выдерживать более мил­

лиона циклов до образования усталостной трещины, но их ком­

пенсирующая способность относительно мала. Поэтому в услови­ ях редко повторяющихся циклов взамен линзовых и волнистых компенсаторов должны применяться другие устройства для ком­ пенсации температурных изменений.

Число повторяющихся циклов работы гибкого элемента до об­ разования усталостной трещины и характер разрушения определя­ ются как напряжением, так и интенсивностью процесса коррозии.

Межкристаллитная коррозия также вызывает преждевременное

38

разрушение деталей компенсатора. Для èê предупреждения в гиб­

ких элементах используют хромоникелевую сталь с титаном и под­ вергают их стабилизирующему отжигу.

Нарушение температурного режима ведения технологического

процесса (завышение температуры) в значительной степени отра­

жается на надежности и долговечности эксплуатации линзовых и

волнистых компенсаторов.

В настоящее время промышленное производство линзовых и

волнистых компенсаторов не обеспечивает потребность строящих-

компенсаторами. Однако на

установках, где компенсация тепловых линейных изменений реше­

на технически обосновано, а изготовление и монтаж компенсато­

ров проведены в полном соответствии с техническими требования-

• ми, их эксплуатация не вызывает опасений.

ГЛАВА 3

НАДЕЖНОСТЬ СНАБЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОЙ, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ И СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Ритмичная и безаварийная работа химических, нефтеперераба­ тывающих и нефтехимических предприятий во многом зависит от надежного снабжения их водой, паром, воздухом, инертным газом,

топливом и электроэнергией. Эти условия обеспечиваются еще на

стадии проектирования.

При недостатках в проектировании и эксплуатации этих объ­

ектов может возникать аварийная обстановка, вызывающая за­

газованность воздушной среды взрывоопасными и токсичными ве­

ществами. Эта сторона вопроса и освещается в данной главе.

39