Безопасность эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

Согласно определению Агентства по контролю за безопасностью работ, сосудом, работающим под давлением, является герметически закрытая емкость, предназначенная для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением. Границей сосуда являются входные и выходные штуцера.

На предприятиях ТЭК (топливно-энергетического комплекса) большая часть аппаратуры (сепараторы, очистители, реакторы, газосборники, автоклавы и др.) работает с избыточным внутренним давлением. Рабочие процессы в аппаратах сопровождаются пульсациями давления, колебаниями температуры, гидравлическими ударами, абразивным и агрессивным действием и другими эксплуатационными осложнениями, из анализа которых вытекает выбор конструкции, материала и защитных средств.

Сосуды, работающие под давлением - потенциальные источники возможных взрывов. В общем случае взрыв - это процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. В сосудах, работающих под давлением, имеет место частный случай взрыва -процесс быстрого освобождения энергии, происходящий в результате внезапного разрушения оболочки. При нарушении целостности оболочки вследствие резкого снижения давления происходит мгновенное испарение вещества, содержащегося в емкости. Объем газа или пара быстро возрастает (при испарении воды - в 700 раз), потенциальная энергия сжатой среды переходит в течение малого промежутка времени в кинетическую энергию осколков разрушенного сосуда и сжатого газа, а остатки сосуда подвергаются действию реактивной силы.

Наиболее частыми причинами аварий с сосудами, работающими под давлением, являются: нарушение механической прочности частей аппаратов (коррозия, местные перегревы и др.), превышение давления сверх допустимого, несоблюдение режима, плохая организация обслуживания оборудования.

В связи со значительной опасностью сосудов, работающих под давлением, «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» обязательными для всех предприятий и организаций, изготавливающих и эксплуатирующих эти устройства, разработана и действует определенная система их изготовления, эксплуатации, обслуживания и контроля. К сосудам, на которые распространяются указанные правила относятся:

сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа (0,7кгс/см²);

цистерны и бочки для перевозки сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50⁰ С превышает 0,07 МПа;

сосуды и цистерны для хранения и перевозки сжиженных газов, жидкостей и сыпучих без давления, но опорожняемые под давлением газа свыше 0,07 МПа;

баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов с рабочим давлением свыше 0,07 МПа.

По характеру эксплуатации сосуды, работающие под давлением, могут быть стационарные и нестационарные.

При взрывах сосудов разрушающее действие весьма велико. Подсчет мощности взрыва ясно показывает, почему к сосудам предъявляются столь строгие требования в отношении их расчета, конструкции и эксплуатации.

При взрыве сосуда происходит адиабатическое расширение газа, работа которого определяется следующим уравнением:

где L - работа адиабатического расширения в кгм;

Р₁- начальное давление в кг/м²;

Р₂- конечное давление в кг/м²;

V-начальный объем газа в м³;

К-отношение теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме (для воздуха К=1,41).

Сосуды, работающие под давлением, до пуска их в ход подвергают полному техническому освидетельствованию при установке, перестановке или при изменении первоначальной конструкции.

Для каждого сосуда, работающего под давлением, расчетом на прочность определяется рабочее давление. Рабочее давление не должно превышаться. Это достигается соблюдением технологического режима, наблюдением за уровнем давления в аппаратах и использованием предохранительных устройств, снижающих давление, если оно почему-либо повысится сверхдопустимого.

Из значительного числа видов приборов для измерения давления на промышленных предприятиях применяются главным образом пружинные манометры, отличающиеся простотой устройства и надежностью. Между манометром и сосудом помещается трехходовой кран. Ставя его пробку в различные положения, можно отключить манометр для его замены, присоединить контрольный манометр для проверки рабочего манометра, проверить исправность рабочего манометра, отключив его от сосуда.

Предохранительная арматура. К ней относятся предохранительные клапаны, предохранительные мембраны, обратные клапаны. Предохранительные клапаны служат для предотвращения недопустимого превышения давления в аппаратах и трубопроводах. При давлении выше установленной нормы клапан открывается и сбрасывает часть пара (газа) в атмосферу или в специальную выхлопную линию. Поскольку поступление рабочей среды в аппарат не прекращается, пропускная способность клапана должна быть не меньше возможного поступления среды. В зависимости от способа уравновешивания давления различают клапаны рычажные (грузовые) и пружинные. Клапаны подразделяют в зависимости от количества тарелок на одинарные и двойные, от высоты подъема — на малоподъемные, у которых высота подъема тарелки ≤0,05 диаметра седла, и полноподъемные, имеющие высоту подъема ≥0,25 диаметра седла. Малоподъемные клапаны применяют в тех случаях, когда безопасность работы установки обеспечивается небольшим количеством сбрасываемой среды; полноподъемные — в тех случаях, когда необходим большой сброс среды. Пружинные клапаны более компактны по сравнению с грузовыми, однако усилие пружины (а следовательно, и настройка клапана) могут со временем изменяться, поэтому пружинный клапан менее надежен.

В зависимости от конструкции корпуса предохранительные клапаны могут быть герметичными и открытыми. В герметичных клапанах сбрасываемая среда отводится в специальный трубопровод. Такие клапаны применяются для ядовитых и взрывоопасных сред. В открытых клапанах среда сбрасывается наружу. Их применяют для работы с безопасными средами (паром и др.)

На рисунке показан пружинный предохранительный клапан. Усилие пружины действует на шток, связанный с тарелкой клапана. Натяжение пружины регулируется с помощью гайки. Клапан имеет рукоятку для принудительного открывания, которое проводят периодически для проверки его работы. Нагруженный рабочим давлением, он должен открываться под действием незначительного усилия. В грузовом клапане (рис.) усилие на тарелку передается с помощью груза, закрепленного на конце рычага. Всю рычажно-грузовую систему помещают в закрытый кожух, исключающий возможность изменения регулировки.

Разрывные предохранительные мембраны применяют в том случае, когда установка предохранительных клапанов по каким – либо причинам невозможна — из-за образования отложении на клапане селения больших объемов газа при взрыве.

Обратные клапаны служат для пропуска среды в одном на­правлении. В зависимости от прин­ципа действия различают клапаны, закрывающиеся за счет веса тарел­ки, и с пружинным прижимом. Кла­пан, закрывающийся за счет веса тарелки, может быть установлен только на горизонтальных участках трубопровода.

Рис. Пружинный предохранительный Рис. Грузовой предохранительный клапан клапан

Работа пружинного клапана не зависит от его расположения. Клапан-захлопка (рис.) имеет тарелку, поворачивающуюся на петлях. На рис.б показан клапан с опускающейся тарелкой,

Имеется большое число конструкций предохранительных мембран, схемы некоторых, наиболее часто применяемых, приведены на рис.

Разрывные мембраны изготавливаются из тонколистового металлического проката. Первоначально их делали плоскими (рис.), теперь им придают при изготовлении куполообразную форму (рис.), подвергая мембрану нагружению давлением, составляющим около 90% от разрывного. При этом исчерпывается почти весь запас пластических деформаций металла, что увеличивает быстродействие мембраны и позволяет при изготовлении обнаружить скрытые дефекты материала и отбраковывать мембраны, непригодные для эксплуатации.

Рис. Схемы некоторых предохранительных мембран: а-разрывная плоская; б- разрывная выпуклая; в-ломающаяся; г-тело мембраны; 2- мембранный узел

Ломающиеся мембраны (рис.) изготовляются из хрупкого материала (чугун, эбонит, поливинилхлорид и др.). У них невелика разница в величине разрушающего давления при статических и динамических нагрузках, поэтому они хорошо работают в условиях динамических, пульсирующих и знакопеременных нагрузок.

Хлопающие мембраны (рис.) устанавливаются выпуклой поверхностью в сторону давления. При превышении в сосуде установочного давления сферический купол теряет устойчивость и мембрана хлопком выворачивается в противоположную сторону. При этом она ударяется в крестообразный нож, разрезается на четыре лепестка, которые уносятся потоком сбрасываемой среды. Эти мембраны обеспечивают относительно большую точность срабатывания, менее подвержены влиянию температурных изменений, перспективны для зашиты аппаратов, работающих при низких давлениях и подвергающихся периодическому вакуумированию.

Для правильного действия мембранного устройства большое значение имеет конструкция мембранного узла, в зажимных кольцах которого крепится тело самой мембраны. Имеется много видов конструкций.

Зная основные размеры мембраны и механические свойства материала, из которого она изготавливается, можно подсчитать, пользуясь методами сопротивления материалов, толщину мембраны, давление, при котором она должка разрушиться и другие ее технические параметры. Однако значения предела прочности и относительного удлинения при разрыве материала, которыми можно пользоваться при таком расчете, недостаточно точны и, как правило, завышены. Это ведет к увеличению фактического запаса прочности мембраны, что в данном случае недопустимо, так как мембрана может не сработать, когда это необходимо. Имели место случаи, когда при разрушении сосуда мембрана оставалась неразрушенной. Поэтому мембраны изготовляют по ориентировочному расчету с последующей опытной проверкой части партии и с обработкой материалов проверки методами теории вероятности и математической статистики.