Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка пожарной безопасности и защиты технологического оборудования. Учебное пособие
.pdf
При электрохимической коррозии металла возникают микрогальванические пары, образующие анодные и катодные участки, на поверхности которых
протекают следующие реакции :
Сущность электрохимической коррозии заключается в следующем. При
контакте электропроводной среды с металлом положительно заряженные ионы
металла переходят в электролит. Вследствие наличия примесей (включений) в
металле, неодинакового строения металла, различия состава электролита у отдельных участков оборудования и различных температур участков, неодинаковых деформаций узлов и деталей и напряжений в них, а также наличия блуждающих токов (токов утечки) ионы металла переходят в электролит с различных
участков оборудования неравномерно, что приводит к образованию анодных (отрицательно заряженных) и катодных (положительно заряженных) участков. Положительно заряженные ионы металла взаимодействуют с анионами электро-
лита, образуя химические соединения типа
(здесь А – анион). На катод-
ных участках оборудования катионы диссоциированного электролита (здесь
Н-катионы) разряжаются с образованием нейтральных атомов водорода, которые соединяясь в молекулу Н2 выделяются с поверхности катодного участка в
виде пузырьков газа.
Оборудование, находящееся в земле и водоемах вблизи установок, работающих на постоянном токе (электрифицированные участки железных дорог, трамвайные линии, линии метро, сварочное оборудование, трассы электрокабелей,
линий электропередачи (ЛЭП) и т. д.), подвержено электрохимической коррозии,
вызываемой блуждающими токами, или токами утечки. Схема коррозии участка
трубопровода под действием токов утечки показана на рис. 1.3.
21
Рис. 1.3. Схема электрохимической коррозии участка трубопровода
под действием токов утечки:
I – рабочий ток; iy – ток утечки; iк – коррозионный ток; 1 – электроподстанция;
2 – контактный провод; 3 – трамвай; 4 – рельсы; 5 – трубопровод
В почве (вблизи трамвайной линии) во время движения вагона по рельсам
появляются токи утечки. Наибольшая величина этих токов наблюдается при повреждении электрической связи между отдельными участками рельсового пути.
Так как металл оборудования обладает меньшим электрическим сопротивлением, чем грунт, то блуждающие токи из грунта входят в трубопровод (катодная
зона), движутся по нему до места, в котором трубопровод начинает отдаляться
от рельсового пути, выходят из трубопровода в грунт (анодная зона) и возвращаются к рельсовому пути, образуя замкнутый электрический контур. В анодной
зоне трубопровода ионы металла активно переходят в прилегающие слои грунта,
вступая в дальнейшие вторичные реакции с образованием продуктов коррозии.
Подземное сооружение, оказавшееся в зоне действия токов утечки (в данном случае трубопровод), подвержено интенсивной коррозии, потери массы от
которой достигают 5–10 кг/(м2 год) и более. В некоторых случаях наблюдались
сквозные поражения стенок трубопроводов, резервуаров и другого оборудования, оказавшегося в зоне действия токов утечки уже через месяц после начала
эксплуатации.
22
1.6.3. Влияние технологических параметров на скорость коррозии
На скорость коррозии оказывают влияние такие технологические параметры, как температура, давление, концентрация компонентов, а также расход
перерабатываемой среды. Определить скорость коррозии того или иного материала в перерабатываемой или окружающей среде и тем более выявить влияние
технологических параметров процессов на скорость коррозии можно только экспериментально.
Повышенное давление среды в аппарате, так же как и повышенная температура, приводит к увеличению скорости коррозии, особенно в газовых средах.
В качестве примера можно привести рассмотренную ранее водородную коррозию стали. При повышенных температурах и давлениях водород растворяется в
металле и диффундирует вглубь. В нержавеющей стали марки 12XI8H10T при
температуре 500 °С и давлении 20 МПа растворяется 58 см3 водорода в 100 г
металла, а при атмосферном давлении – только 4,2 см3/100 г. Воздействие водорода на сталь приводит к глубоким структурным изменениям и, как следствие, к
потере ее механической прочности (явление межкристаллитной коррозии).
Увеличение расхода технологической среды вызывает не только усиление
абразивного износа материала оборудования (эрозия), но и интенсифицирует
процессы коррозии, так как при этом облегчается доступ коррозионных примесей, содержащихся в технологической среде, к поверхности металла. Помимо
того, движущаяся среда истирает тонкий защитный (плакирующий) слой, образующийся в некоторых случаях на поверхности металла при его взаимодействии
со средой, в результате чего скорость коррозии возрастает.
Влияние других технологических и эксплуатационных факторов рассмотрим на примере работы оборудования для хранения нефти и нефтепродуктов.
Коррозионная агрессивность чистых углеводородов по отношению к сталям, из
которых изготавливаются резервуары, невелика. Однако нефть и продукты ее переработки содержат целый ряд коррозионных примесей: сернистые и кислородосодержащие соединения. Кроме того, в сырой нефти и нефтепродуктах присутствуют минеральные соли и окислы металлов, образующие с водой рассолы
23
разной степени минерализации, содержащие также растворенные коррозионноактивные газы: кислород, сероводород, диоксид углерода (углекислый газ). Поэтому резервуарное оборудование подвергается сильной коррозии.
Внутренние поверхности резервуара (цистерны, танки, емкости и др.) в процессе эксплуатации находятся в неодинаковых условиях. У резервуаров с нефтепродуктами наиболее интенсивная коррозия наблюдается у нижних поясов стенок
и днищ, так как здесь постоянно имеется отстой сильно минерализованной воды
и слой твердого осадка. Наиболее интенсивно коррозия протекает на границе раздела фаз: нефтепродукт-вода. Днища резервуаров, кроме того, подвержены почвенной коррозии, а стенки и крыша – атмосферной коррозии.
1.7. Основные требования к технологическому оборудованию
Технологические процессы характеризуются высокими рабочими параметрами (температурой, давлением, концентрацией, расходом и др.), а также высокой агрессивностью, пожаровзрывоопасностью и токсичностью среды, в связи с
чем к оборудованию предъявляется ряд требований:
1. Механическая прочность – способность выдерживать рабочие нагрузки.
Прочность обеспечивается при конструировании соблюдением соответствующих расчетных нормативов и является главным условием безопасной эксплуатации оборудования.
2. Герметичность – способность оборудования не пропускать находящуюся внутри него среду наружу или окружающий оборудовании воздух внутрь
него, что достигается применением цельносварных конструкций, устройством
обтюрации в разъемных соединениях. Герметичность оборудования позволяет
предотвратить образование взрывоопасных концентраций в аппаратах и производственных помещениях.
3. Устойчивость – способность оборудования сохранять в течение всего
периода эксплуатации первоначальную форму и положение, что достигается
учетом в расчетах факторов, влияющих на устойчивость (ветра, колебаний
почвы, осадки грунта, образования вакуума и других факторов).
24
4. Надежность и безопасность в эксплуатации, достигаемая устройством
предохранительных и защитных систем, одновременно позволяющих обеспечить взрывопожарную безопасность оборудования.
5. Долговечность – расчетный срок службы аппарата или машины, обычно
принимаемый в расчетах равным 10–20 годам.
6. Стабильность обеспечения технологических параметров процесса в
условиях непрерывного автоматизированного производства.
Технологическое оборудование должно быть высоко производительным и
экономичным (иметь минимальную стоимость проектирования, изготовления,
монтажа и эксплуатации); обладать технологичностью конструкции, что обеспечивается стандартизацией и нормализацией узлов и деталей, их взаимозаменяемостью; отличаться простотой устройства, обслуживания, ремонта; быть транспортабельным (обладать возможностью транспортировки к месту монтажа в собранном виде с завода-изготовителя), а также удовлетворять требованиям технической эстетики [1–10].
1.8. Элементы проверки оборудования на прочность и его испытания
Каждый аппарат или машину проектируют по определенной методике,
принимая в качестве исходных данных рабочие параметры процесса, задаваемые
технологами, и физико-химические свойства сырья и продуктов. При проведении механических (прочностных) расчетов учитывают повышение напряжений
в стенках аппарата не только из-за повышенного пробного давления по сравнению с рабочим, но и вследствие несовершенства контроля и технологии изготовления, неоднородности структуры металла, колебания технологических параметров в допускаемом диапазоне и изменения свойств среды. Кроме того, необходимо учитывать характер приложения и род нагрузок, точность расчетов, а также
пожаровзрывоопасные свойства среды.
Все эти факторы учитываются коэффициентами запаса при выборе допуска-
емых напряжений. Напряжение, при котором учитывается наличие взрывопожа-
25
роопасных веществ в аппарате, обеспечивается его прочность с расчетным запасом и минимальным расходом конструкционного материала, называют допуска-
емым напряжением и определяют по формуле:
, (1.10)
где
– нормативное допускаемое напряжение; – коэффициент, учитывающий
пожаровзрывоопасные свойства среды в аппарате, значения которого определяются следующим образом:
= 0,85 при < 0,01 об. д. или
= 0,90 при 0,01 об. д. < < 0,05 об. д. или 175 °С <
= 0,95 при 0,05 об. д. < < 0,1 об. д. или 300 °С <
= 1,0 при > 0,1 об. д. и
где
– нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР);
– температура самовоспламенения горючего вещества.
< 175 °С;
> 450 °С,
< 300 °С;
< 450 °С;
В зависимости от практических целей выполняют проектные и проверочные расчеты. Проектные расчеты обычно сочетаются с конструированием оборудования и ставят своей целью определение размеров сечений элементов аппаратов и машин (толщины стенок, диаметров валов, осей и других размеров).
При проверочных расчетах определяют фактические напряжения, возникающие в элементах оборудования, и сравнивают их с допускаемыми при заданной рабочей температуре. Работники пожарной охраны или привлекаемые ими
специалисты соответствующих отраслей народного хозяйства при проведении
экспертиз аварий и пожаров проверяют выполнение условия прочности, сравнивая фактические и допускаемые напряжения:
где
– фактические напряжения в элементе конструкции аппарата.
(1.11)
Величина фактических напряжений зависит от многих факторов: характера приложения и вида нагрузки, размеров детали и ее конструкции, способа
26
изготовления, технологических параметров, характеристик среды и других факторов. Рассмотрим некоторые наиболее простые выражения для определения
фактических напряжений в основных конструктивных элементах аппаратов и
трубопроводов.
Напряжения в тонкостенной цилиндрической обечайке или трубопроводе
(при
< 1,5), работающем при повышенном давлении, определяют по
формулам:
где
– максимальное давление, зафиксированное контрольно-измерительными
или
, (1.12)
приборами в момент повреждения или разрушения аппарата (при экспертизе
проектных материалов или отсутствии показаний приборов величину
можно
оценить расчетом по специальным методикам с учетом конкретного вида нарушения технологического процесса, приведшего к возникновению аварийной ситуации); Dв и Dн – соответственно, внутренний и наружный диаметр обечайки;
– коэффициент прочности продольного сварного шва (для литых, кованных и
сваренных автоматической сваркой аппаратов с двухсторонним сплошным про-
варом шва = 1); S
– фактическая наименьшая толщина стенки аппарата, опре-
ф
деляемая непосредственным измерением после удаления продуктов коррозии
или рассчитываемая по формуле.
В специальной литературе приводятся методики расчетов различных деталей и узлов аппаратов и машин, подверженных воздействию всевозможных
нагрузок: растягивающих и сжимающих сил, изгибающих и крутящих моментов,
статических и динамических нагрузок и т. д.
Технологическое оборудование подвергается техническому освидетельствованию до пуска в работу после изготовления и периодически в процессе эксплуатации. При освидетельствовании исследуют состояние внутренних и наружных поверхностей и влияние среды на стенки аппаратом, а также проводят гидравлические испытания аппаратов на прочность перед пуском в работу и в последующем один раз в 2–10 лет (в зависимости от вида оборудования и скорости
27
его коррозии) на пробное давление pпр (табл. 1.2). При невозможности проведе-
Тип аппарата
Пробное давление МПа
Сварной
Литой
ния гидравлических испытаний (например, из-за большой величины гидростатического давления) проводят пневматические испытания воздухом или инертным
газом при том же пробном давлении, соблюдая меры предосторожности. Аппараты перед испытанием воздухом предварительно тщательно очищают от остатков горючих веществ и материалов.
В табл. 1.2
и
– нормативные допускаемые напряжения, соответ-
ственно, при 20 °С и при расчетной температуре t.
Испытания оборудования на герметичность (плотность) проводят после изготовления или периодически в процессе эксплуатации после его испытаний на
прочность. Испытание на герметичность проводят сжатым воздухом или инертным газом. При достижении испытательного давления оборудование отключают
от источника сжатого газа и фиксируют изменение давления в оборудовании.
Относительное падение давления δ, %/час, при испытании на герметичность рассчитывают по формуле:
, (1.13)
где и – соответственно, давление, МПа (абсолютное), и температура, К (Кель-
вин), индексы н и к означают, что параметры имеют отношение к начальному и
конечному состояниям; – длительность испытания, ч.
Новое оборудование для работы с токсичными пожаровзрывоопасными
средами считается выдержавшим испытание, если падение давления в нем за
1 час не превышает 0,1 %, а для работы с нетоксичными пожаровзрывоопасными
средами – 0,2 %. При повторных испытаниях допустимое падение давления не
должно превышать 0,5 % в час.
28
1.9. Технические устройства, обеспечивающие безопасную
эксплуатацию оборудования
1.9.1. Обратные и скоростные клапаны
Обратные клапаны предназначены для самодействующего запирания трубопровода при движении среды в обратном направлении, то есть при прорыве
трубопровода перед клапаном. По конструкции различают подъемные и поворотные обратные клапаны (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Обратные клапаны:
а – пружинный подъемный; б – поворотный рычажный; 1 – корпус; 2 – седло;
3 – клапан; 4 – пружина; 5 – регулировочная втулка; 6 – крышка; 7 – рычаг
Пружинный подъемный клапан может работать в любом положении, поворотный рычажный клапан устанавливается только горизонтально (см. рис. 1.4, а, б).
Скоростные клапаны предназначены для отключения трубопроводов при
резком увеличении скорости движения среды в них. Скоростные клапаны бывают пружинными и поплавковыми. На рис. 1.5 показаны пружинный скоростной клапан и поплавковый скоростной клапан. При резком изменении скорости
движения среды (при прорыве трубопровода за клапаном) под действием сил
трения поплавок 6 поплавкового скоростного клапана всплывает и прижимается
клапаном 1 к седлу 2, перекрывая проходное сечение трубопровода.
Аналогично работает пружинный скоростной клапан: возросшая сила трения жидкости об клапан, возникшая при резком увеличении скорости движения
жидкости при повреждении трубопровода, преодолевает сопротивление пружины и прижимает клапан к седлу. В обоих случаях клапаны остаются прижатыми к седлам силой, возникающей из-за перепада давления до и после клапана,
29
и надежно перекрывают трубопровод до полной ликвидации аварийной ситуа-
а
б
ции. После ликвидации повреждения трубопровода производят выравнивание давления среды до и после клапана, и клапан возвращается в первоначальное положение, открыв свободное сечение седла. В клапане 1 имеются отверстия диаметром
около 1 мм (см. рис. 1.5, а) или проточки сечением 0,5–1,0 мм2 (рис. 1.5, б), благодаря которым происходит автоматическое выравнивание давления среды до и после клапана после ликвидации аварийной разгерметизации трубопровода. Поплавковые скоростные клапаны пригодны к установке только на вертикальных участках
трубопроводов, а пружинные скоростные клапаны работают в любом положении.
Рис. 1.5. Скоростные клапаны:
а – пружинный; б – поплавковый; 1 – клапан; 2 – седло; 3 – корпус;
4 – направляющие; 5 – пружина; 6 – поплавок
1.9.2. Предохранительные клапаны
Предохранительные клапаны (ПК) служат для автоматического выпуска из
аппарата избыточного количества среды (газа, пара, жидкости) при повышении
давления сверхдопустимой величины. ПК применяют для защиты аппаратов от
разрушения при чрезмерном повышении давления.
В промышленности применяются следующие виды предохранительных
клапанов и устройств:
– рычажно-грузовые;
– грузовые;
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]