Пожарная безопасность технологических процессов / Goryachev - PB Tekhnologicheskikh processov 2020

Причины повреждения технологического оборудования

испособы обеспечения пожарной безопасности

воборудовании (здесь ∑Gпр и ∑ Gух – количество приходящих в аппарат и уходящих из аппарата веществ соответственно).

Для предотвращения нарушения режима подвода веществ и их отвода и защиты оборудования от разрушения или переполнения предусматривается:

–  устройство предохранительных клапанов (ПК) (см. п. 3.6); –  контроль и регулирование расхода и давления веществ;

–  замена насосов (компрессоров) объемного действия центробежными или вихревыми;

–  устройство циркуляционной линии с перепускным (обратным) клапаном у насоса (компрессора) объемного действия (рис. 7.1);

5

Рис. 7.1. Схемы обвязки насоса (компрессора): а – без обратного клапана; б – с обратным клапаном;

1 – насос (компрессор); 2, 4 – всасывающая и напорная линии; 3 – задвижки; 5 – обратный клапан

–  контроль уровня жидкости в аппарате; –  устройство сигнализатора предельного верхнего уровня жидкости

в аппарате с автоматическим отключением ее подачи; –  устройство в аппаратах переливных труб (рис. 7.2), на которых за-

прещается установка запорной арматуры.

Увеличение гидравлического сопротивления трубопрово - дов приводит к чрезмерному росту давления в оборудовании, расположенном по ходу движения продуктов до мест повышенного сопротивления. Гидравлическое сопротивление трубопроводов растет вследствие образования отложений грязи, солей, кокса, полимеров, продуктов коррозии, льда и кристаллогидратов на стенках трубопроводов.

Потери давления р, Па, при равномерном образовании отложений по длине трубопровода определяют по формуле Дарси – Вейсбаха:

, (7.2)

где λ – коэффициент сопротивления трения, зависящий от режима движения продукта; l – длина трубопровода, м; w – скорость движения продукта по трубопроводу, м/с; d – внутренний диаметр трубопровода, м; ρt – плотность продукта при рабочей температуре, кг/м3.

121

Пожарная безопасность технологических процессов

а б

Рис. 7.2. Схемы обвязки мерника:

а– без переливной трубы; б – с переливной трубой;

1– мерник; 2 – задвижка; 3, 6 – напорная и расходная линии; 4 – дыхательная линия; 5 – уровнемер; 7 – переливная труба

Несложные расчеты показывают, что при уменьшении проходного сечения трубопровода по всей его длине в два раза потери напора ∆р могут вырасти в 25 раза (в 32 раза). При этом для обеспечения первоначального расхода продукта давление на входе в трубопровод рн необходимо увеличить на величину не меньшую, чем ∆р:

где рн и рк – начальное и конечное давление в системе, Па, соответственно. Такое повышение давления может привести к повреждению или раз-

рушению трубопровода.

Для предотвращения образования отложений грязи, солей, кокса, полимеров, продуктов коррозии на стенках трубопроводов необходимо:

–  очищать продукты от взвешенных твердых частиц; –  осушать газообразное или обезвоживать жидкое сырье; –  предотвращать коррозию материала оборудования;

–  ограничивать температуру нагрева веществ во избежание их деструктивного разложения с образованием твердых продуктов;

–  добавлять в продукты ингибиторы, тормозящие процессы полимеризации, коррозии и др.

Для предотвращения образования отложений льда и кристаллогидратов на стенках трубопроводов необходимо:

1.  Производить осушку газов от паров воды.

2.  Теплоизолировать аппараты или трубопроводы.

122

Причины повреждения технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

3.  Устраивать на трубопроводах обогревающие спутники. Трубопровод для транспортировки высокозастывающего продукта

укладывают в одном канале с трубопроводом, в котором находится теплоноситель (водяной пар, горячая вода и др.), или с гибким ленточным электронагревателем. Спутники по конструкции бывают одно-, двухили трехтрубные, прямолинейные или спиральные, навитые на основной трубопровод и др. Наиболее широко применяют одиночные трубы-спутники, которые размещаются вплотную снизу или сбоку к основному трубопроводу (рис. 7.3).

1

2

3

4

Рис. 7.3. Трубопровод с одним обогревающим паровым или водяным спутником:

1 − обогреваемый трубопровод; 2 − теплоизоляция;

3 – обогревающий спутник; 4 – защитный кожух

Спутник обычно крепят к основному трубопроводу хомутами, а в местах установки арматуры и фланцев на основном трубопроводе спутник изгибают. Диаметр спутника обычно равен 20–50 мм.

4.  Вводить в газы вещества, растворяющие кристаллогидраты. Большинство газов (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S и др.) образуют с

парами воды гидраты – кристаллические соединения, которые существуют при определенных термобарических условиях. При добыче газа гидраты откладываются на стенках стволов скважин, магистральных и технологических газопроводов, что приводит к резкому снижению их пропускной способности. Для борьбы с образованием гидратов в скважины и трубопроводы вводятразличныеингибиторы(метиловыйспирт,гликоли,30%-ныйраствор CaCl2), которые разрушают кристаллогидраты, связывая воду.

5.  Повышать температуру в местах образования льда и кристаллогидратоввыше температуры гидратообразования с помощью подогревателей.

6.  Устанавливать сборники конденсата в наиболее низких участках газопровода.

7.  Очищать оборудование от отложений льда и гидратов.

8.  Защищать оборудование ПК от опасного повышения давления. Герметичное отключение оборудования, сверх меры за -

полненного жидкостью, может привести к разрушению аппарата или

123

Пожарная безопасность технологических процессов

трубопровода при повышении температуры окружающей среды. Повышение температурыжидкостивызываетееобъемноерасширение,чтоприводиткросту давления в замкнутой системе. Конечное давлениерк в герметичном оборудовании, полностью заполненном жидкостью, определяют по формуле (7.3), а приращение давления ∆р, Па, в системе находят из выражения

где β – коэффициент объемного расширения жидкости, К–1; α – коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата или трубопровода, К–1; βсж – коэффициент объемного сжатия жидкости, Па–1; ∆T = Тmax – Tmin – изменение температуры в системе (здесьТmax – максимальная температура иTmin – минимальная температура среды в оборудовании), К.

Предотвращение разрушения герметичного оборудования с жидкостью достигается следующими способами или их комбинацией:

–  контролем степени заполнения оборудования (степень заполнения герметичных емкостей определяется расчетом в зависимости от вида находящихся в них жидкостей и максимального изменения температуры в системе). Длясжиженныхуглеводородныхгазов(СУГ)степеньзаполнениянедолжна превышать 0,85, для ЛВЖ – 0,9 для ГЖ – 0,95;

–  устройством теплоизоляции; –  окрашиванием оборудования светоотражающей краской;

–  устройством защитного (тепло- и светоотражающего) экрана; –  обеспечением негерметичного отключения обогреваемого оборудо-

вания, полностью заполненного жидкостью; –  защитой оборудования ПК.

Подключение аппаратов с разным рабочим давлением друг к другу создает опасность разрушения тех аппаратов, которые рассчитаны на менее высокое рабочее давление.

Для предотвращения опасности разрушения и защиты оборудования, рассчитанного на менее высокое давление, необходимо одновременное выполнение следующих мероприятий (рис. 7.4):

–  устройство задвижек на соединительной линии у каждого аппарата; –  установка автоматического редуцирующего устройства с маноме-

трами на сторонах высокого и низкого давления; –  контроль давления среды в каждом аппарате;

–  устройство ПК на аппаратах с менее высоким давлением.

124

Причины повреждения технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

ПК М М

р1 р2

Рис. 7.4. Схема соединения аппаратов (р1 > р2): М – манометры; ПК – предохранительный клапан; 1 – аппараты; 2 – редуктор; 3 – задвижки

Снижение пропускной способности дыхательных систем приводит к нарушению материального баланса и, следовательно, к чрезмерному росту давления или образованию вакуума в емкостных аппаратах с жидкостями, что может вызвать их разрушение.

Для предотвращения повреждения и защиты аппаратов от разрушения на производствах предусматривается:

–  устройство на аппаратах ПК; –  проверка пропускной способности дыхательной системы;

–  контроль и регулирование расхода жидкости; –  автоматическое отключение насоса при переполнении аппарата.

7.2.2. Нарушения теплового баланса

Нарушения теплового балансавызываютизменениетемпературы

всистеме, увеличение или уменьшение объема веществ, их вскипание или конденсацию, что, в свою очередь, приводит к чрезмерному росту давления

воборудовании либо образованию вакуума и в конечном счете может привести к разрушению оборудования.

Если тепловой баланс имеет вид ∑Qпр > ∑Qух, то происходит чрезмерный рост давления в оборудовании; если тепловой баланс имеет вид ∑Qпр< ∑Qух, то происходит образование вакуума в оборудовании (здесь ∑Qпр и ∑Qух – соответственно количество подводимого в аппарат тепла и отводимого из аппарата тепла).

Для предотвращения нарушения теплового баланса и защиты оборудования от разрушения на производствах предусматривается:

–  контроль и регулирование температуры и расхода сырья; –  контроль и регулирование расхода катализаторов и инициаторов;

–  контроль и регулирование температуры и расхода теплоили хладоносителя;

–  очистка теплообменной поверхности от отложений; –  устройство теплоизоляции;

125

Пожарная безопасность технологических процессов

–  окрашивание оборудования светоотражающей краской; –  устройство защитного экрана; –  устройство на аппаратах ПК.

7.2.3. Воздействие нагрузок динамического характера

Динамическиенагрузкивызываютобразованиеповышенныхвнутреннихнапряженийваппаратахитрубопроводах,которыеот1,5до15развыше напряжений от аналогичных статических нагрузок. Динамические нагрузки возникают при быстром повышении давления из-за попадания низкокипящей жидкости в высоконагретый аппарат, при гидроударе, вследствие чрезмерной вибрации оборудования и ряда других причин.

Попадание низкокипящей жидкости в высоконагретый аппарат (то есть в аппарат, рабочая температура в котором значительно превышает температуру кипения жидкости) приводит к резкому вскипанию жидкости, быстрому росту давления в системе и разрушению оборудования. Оценить приращение давления в системе можно по формуле

, (7.5)

где р0 – барометрическое давление, Па; m – масса жидкости, вскипевшей в аппарате, кг; tр – рабочая температура среды в аппарате, °С; M – молярная масса жидкости, кг/моль; Vсв – свободный объем аппарата, м3.

Основные способы предотвращения попадания жидкостей в высоконагретые аппараты и защиты аппаратов от разрушения:

–  устройство ПК; –  очистка сырья, поступающего в высоконагретые аппараты, от воды;

–  обеспечение полного слива воды после проведения гидравлического испытания аппарата;

–  медленный прогрев пускаемого в работу аппарата для испарения остатков воды;

–  нагрев аппарата с одновременной циркуляцией сырья; –  дренирование конденсата на линии подачи острого водяного пара;

–  подача острого водяного пара только в предварительно прогретый (выше 100 °С) аппарат.

Гидравлический удар в трубопроводах происходитприрезком изменении скорости движения жидкости в трубопроводе. Величину приращения давления ∆р, Па, при быстром полном перекрытии трубопровода запорным устройством определяют по формуле Н. Е. Жуковского:

126

Причины повреждения технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

где ρt – плотность жидкости при рабочей температуре, кг/м3; с – скорость распространения ударной волны, м/с:

; (7.7)

где wн – начальная скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с; wк – конечная скорость движения жидкости (обычно принимают wк = 0), м/с; dв – внутренний диаметр трубопровода, м; E – модуль упругости материала трубопровода, Па; S – толщина стенки трубопровода, м; βсж – коэффициент объемного сжатия жидкости, 1/Па.

Для предотвращения возникновения гидроудара и для защиты оборудования от разрушения:

–  ограничивают скорость перекрытия трубопроводов запорной арматурой, обратными или скоростными клапанами;

–  устраивают воздушные колпаки за поршневыми насосами; –  защищают оборудование ПК.

Предотвращение чрезмерной вибрации оборудования и защиту его от разрушения обеспечивают:

–  снижением пульсации перекачиваемых продуктов; –  устройством самостоятельного массивного фундамента под обору-

дование; –  установкой оборудования на эластичных прокладках или пружинах;

–  надежным креплением оборудования к фундаменту.

Для предотвращения взрыва технологической среды и защиты оборудования от разрушения на производствах предусматривают:

–  автоматический контроль и регулирование расхода и давления компонентов;

–  флегматизацию среды; –  устройство системы взрывоподавления;

–  защиту аппаратов взрывными мембранными устройствами.

Для предотвращения разрушения оборудования от механического удара на производствах предусматривают:

–  устройство защитного ограждения;

127

Пожарная безопасность технологических процессов

–  ограничение скорости движения транспорта, конвейеров, кранов и других механизмов;

–  прокладку трубопроводов под землей или на эстакадах; –  ограничение зон проезда (или запрещение проезда) транспорта.

Предотвращение разрушения оборудования при пуске в работу или его остановке достигается:

–  испытанием оборудования на прочность перед пуском в работу; –  плавным подъемом (снижением) давления с выдержкой в течение

определенного периода времени на установленных значениях давления в строгом соответствии с производственной документацией.

7.3.Повреждение оборудования от температурных воздействий

иосновные способы обеспечения пожарной безопасности

Температурные воздействия на материал оборудования приводят:

1) к появлению температурных напряжений из-за:

–  неравномерности нагрева элементов и узлов оборудования; –  несоблюдения температурного режима при эксплуатации;

–  несоблюдения скорости нарастания температуры при пуске в работу; –  теплового удара; 2) к ухудшению механических свойств материала из-за (см. п. 3.2.):

–  чрезмерно низкой температуры; –  чрезмерно высокой температуры.

Температурные напряжения, возникающие в материале жестко закрепленных элементов трубопроводов или узлов аппаратов при изменении температуры, определяют по формуле (3.9).

Предотвращение разрушения оборудования от температурных воздействий достигается следующими способами или их комбинацией:

–  устройством температурных компенсаторов (см. рис. 3.9–3.12); –  применением оборудования специальной конструкции, в котором

не возникают температурные напряжения; –  контролем температуры стенок оборудования и поддержанием за-

данного температурного режима работы; –  плавным подъемом (снижением) температуры среды в аппаратах и

выдержкой ее значений в течение определенных периодов времени в строгом соответствии с производственной документацией;

–  защитой оборудования теплоизоляцией; –  использованием для изготовления оборудования, работающего при

высоких температурах, жаропрочных сталей;

128

Причины повреждения технологического оборудования и способы обеспечения пожарной безопасности

–  использованием для изготовления оборудования, работающего при низкихтемпературах,сталейсповышеннойударнойвязкостьюилицветных металлов;

–  предотвращением попадания компактных струй воды на высоконагретые толстостенные аппараты;

–  устройством стационарных систем охлаждения толстостенных аппаратов распыленной водой или пеной;

–  подогревом продуктов в аппаратах в зимнее время; –  меньшей степенью заполнения аппаратов в зимнее время;

–  утеплением наиболее нагруженных элементов аппаратов в зимнее время.

7.4. Повреждение оборудования от химических воздействий и основные способы обеспечения пожарной безопасности

Наиболее полно вопросы поведения конструкционных материалов в агрессивных пожаровзрывоопасных средах рассмотрено в п. 3.2.

Основные способы предотвращения коррозии и защиты оборудования от разрушения:

1.  Применение коррозионно-стойких конструкционных материалов: –  металлов и их сплавов; –  неметаллических органических и неорганических материалов.

2.  Термическая и механическая обработка металлов:

–  термическая обработка для повышения однородности структуры металла и устранения внутренних напряжений после штамповки, ковки, сварки и тому подобных операций;

–  тщательная механическая обработка поверхностей (шлифованием, полированием, хонингованием и т. д.) для удаления концентраторов напряжений.

3.  Снижение коррозионной активности (агрессивности) среды: –  очистка среды от коррозионных примесей и воды;

–  использование ингибиторов коррозии (анодных и катодных замедлителей коррозии).

4.  Изоляция материалов от агрессивной среды защитными (коррози- онно-стойкими) покрытиями:

–  металлическими (хромированием, никелированием, цинкованием, алитированием и др.);

–  неметаллическими (лакированием, окраской, гумированием, торкретированием, битуминированием и др.);

–  химическими (фосфатированием, оксидированием, азотированием, воронением и др.).

129

Пожарная безопасность технологических процессов

5.  Применение катодной и протекторной защиты.

Сутькатодной ипротекторнойзащитызаключаетсявподавлениианодных участков на защищаемом сооружении путем его соединения с отрицательным полюсом источника постоянного тока.

В состав установки катодной защиты (рис. 7.5) входят: источник постоянного тока 1, создающий плотность защитного тока от 2 до 20мА на 1 м2 защищаемой поверхности при напряжении 6–12 В, кабели2 и анодное заземление 3, в качестве которого часто используют металлолом.

Рис. 7.5. Схема установки катодной защиты трубопровода: 1 – источник тока; 2 – провод (кабель); 3 – анодное заземление; 4 – трубопровод; Iз – ток защиты

Однаустановкакатоднойзащитыможетзащищатьучастоктрубопровода протяженностью от 10 до 20 км или 5–10 резервуаров емкостью 5000–10 000 м3 каждый в течение 20 лет и более.

Протекторную защиту (рис. 7.6) выполняют путем присоединения к защищаемому сооружению гальванических анодов (протекторов), электрохимический потенциал которых ниже, чем у защищаемого сооружения.

2

Рис. 7.6. Схема протекторной защиты трубопровода: 1 – трубопровод; 2 – автономный анод (протектор); 3 – провод; Iз – ток защиты

130