Характеристика найнебезпечніших аварійних ситуацій при експлуатації трубчастих печей.

Робота трубчастих печей характеризується постійною циркуляцією по змійовиках значної кількості горючої рідини, що нагрівається до високої температури (дуже часто вище температури самозапалювання вуглеводородів, що перебуває в межах від 250 до 320°С) і знаходяться під велтким внутрішнім тиском, а також мають в наявності в топковому просторі джерела відкритого вогню.

Одночасно в змійовиках трубчастої печі (залежно від її типу) може перебувати до 3 – 15т горючої рідини. Так як продукт у трубах перебуває під значним тиском і при високій температурі, то кожний його витік може спричинити серйозну пожежу, одержання опіків обслуговуючим персоналом.

При виході назовні з печі продукт відразу ж запалиться, якщо його температура перевищує температуру самозапалювання. У противному випадку продукт може інтенсивно випаровуватися та запалиться після того, як пари його будуть затягнуті в топковий простір. Розтікаючись по площадці та потрапляючи в траншеї і каналізацію, продукт, що охоплений полум’ям приводить до поширення вогню на сусідні апарати й навіть на сусідні установки.

Продукт, охоплений полум’ям потрапляє зі змійовиків усередину печі, викликає інтенсивне горіння, що може привести до деформації труб змійовика, обвалення стін і зводу, ушкодження димових каналів і димаря. У цьому випадку вогонь і дим будуть вибиватися із всіх отворів назовні і перегрівати каркас, викликаючи його деформацію. Збитки від ушкодження при пожежі можуть бути великими, тому що сама піч є досить дорогим спорудженням.

При експлуатації трубчастих печей, так само як і всіх інших печей, можливі:

• вибухи в топковому просторі;

• пожежі в топковому просторі;

• пожежі поза піччю.

Розглянемо більш докладно причини їхнього виникнення.

Причини вибухів і пожеж у топковому просторі печей

Причини вибухів у топковому просторі печей різні. Головним чином вибухи в топковому просторі трубчастих печей можуть відбуватися за розжигом форсунок а також по тим причинам, які розглянуті вище.

Вибухи при роботі печі внаслідок обриву полум’я факелів мало ймовірні, тому що на печах встановлена багатоступінчаста система автоматики, яка виключає подачу газу після обриву полум’я факелів.

Важко припустити одночасне припинення подачі і рідкого і газоподібного палива. Так само мало ймовірно одночасне засмічування всіх форсунок.

Пожежі в топковому просторі печей виникають найчастіше в результаті прогару або розриву труб. Ушкодження труб змійовика являє собою одну з найбільш небезпечних аварій печі.

Змійовики трубчастих печей працюють у дуже тяжких умовах. На них одночасно і постійно впливають високі температури та значні внутрішні тиски. Крім того, спостерігається корозія матеріалу під дією продукту та димових газів і відбувається механічне зношування матеріалу безперервним потоком рідини, у якій можуть бути присутні зважені тверді частки.

Тому до труб печей висувають високі вимоги відносно їх міцності й стійкості до дії теплового, хімічного й механічного чинників. Застосування неякісних труб і порушення нормального режиму роботи приводять до швидкого зношування металу. Вирішальне значення при прогарі труб мають перегріви металу за рахунок коксовідкладень.

Трубопроводи, що перебувають у печі, піддані нерівномірному тепловому впливу. Середня температура в радіантній камері приблизно дорівнює 950 – 1000° С, а в конвекційній камері – 500 – 600° С. Отже, стінки радіантних труб нагріваються до більше високої температури, чим стінки конвекційних труб.

Висока температура поверхні трубопроводу викликає термічний розпад шарів рідини, що прилягають до них. У результаті термічного розпаду утворюється твердий пористий продукт – кокс, що відкладає на поверхні труби. Чим вище температура, тим інтенсивніше коксоутворення.

Коксоутворення в трубах залежить не тільки від температурного режиму роботи, але й від швидкості руху продукту по трубах. Як відомо, при турбулентному режимі швидкість руху часточок рідини по трубі неоднакова. Часточки рідини, що прилягають до стінок труб, рухаються в багато разів повільніше, ніж часточки, що перебувають у середньому перетині. Товщина прикордонного шару залежить від стану поверхні труби та середньої швидкості руху рідини. Чим шорсткіша поверхня труби та чим менше швидкість руху рідини, тим більше товщина майже нерухливого прикордонного шару.

Цей шар піддається інтенсивному перегріву та термічному розпаду з коксоутворенням.

Швидкість руху рідини в трубах може знизитися в результаті:

• зменшення продуктивності насосів (зниження числа оборотів, несправність) або їхньої зупинки;

• несправності редукційного клапана за піччю або його закоксовування;

• роботи “на себе” відцентрових насосів;

• аварії трубопроводів, що підводять продукт.

Особливо небезпечно повне припинення циркуляції продукту, тому що в даному випадку труби швидко закоксовуються та виходять із ладу. Процес закоксовування хоть і повільніше, але протікає навіть при нормальних режимах роботи.

Тому порушення строків очищення труб від коксу може привести до їхнього прогару.

Про інтенсивне закоксовування труб можна судити по наступних ознаках:

1. Підвищення температури топкових газів печі при тій же кількості палива, що спалюється. Це відбувається тому, що кокс, який відкладається на трубах, зменшує коефіцієнт теплопередачі. від диму до продукту. У результаті зменшується кількість переданого рідиниі тепла, і димові продукти йдуть у коробах більше нагрітими;

2. Підвищення тиску в живленних насосах при нормальному тиску на виході з печі, або зменшення тиску на виході з печі при нормальному тиску в живленних насосах. Це пояснюється тим, що опір труб збільшується в результаті зменшення їхнього перетину.

При достатньому досвіді ознаки прогару можуть бути також визначені візуально. Потрібно відзначити, що розрив труб викликається не тільки прогаром, але й іншими причинами.

Сильне хімічне або механічне зношування матеріалу труб може привести до їхнього розриву навіть при нормальному тиску й тим більше це можливо при підвищених тисках.

Причиною посиленої корозії металу із зовнішньої сторони труб (з боку топкового простору) є порушення нормального режиму топлення, тобто робота з підвищеним коефіцієнтом надлишку повітря, з надлишком палива або робота на підвищених температурних режимах проти нормального. Природно, що більшою мірою цьому виду зношування піддаються центральні частини радіантних труб.

Посилену корозію металу із внутрішньої сторони труб, тобто з боку продукту, викликає зростання кількості шкідливих хімічних домішок у підігріваємій рідині.

Наприклад, нафта або кам'яновугільна смола не мають корозійні властивості стосовно сталі, але вони можуть містити значну кількість домішок у вигляді різного роду сірчистих сполучень (H₂S; FeS), вільної сірки (S), хлористих солей і т.п., які за певних умов сильно зношують метал.

При гідролітичному розпаду хлористих солей кальцію й магнію (СаСl₂; МgСl₂) утворюється соляна кислота, що за взаємодією зі стінками апарата дають хлористе залізо (FеСl₃). При гідролітичному розпаду сірчастих солей утворюється сірководнева кислота (H₂S), що, взаємодіє із стінками апарата та перетворюється в сульфіди заліза (FeS і FeS₂).

Найбільш сильне хімічне зношування, як показує досвід, спостерігається по кінцях труб протягом приблизно 1 м від двійників. Поверхні труб на цих ділянках очищаються від нальоту окислів, що утворились, вихровими потоками продукту, що й сприяє кращій взаємодії коррозирующих агентів із металом.

Іноді труби змійовика, за зовнішним видом не виглядають небезпечними, але стають причиною аварії внаслідок внутрішніх дефектів металу або механічного зношування внутрішньої поверхні стінок.

Так само як хімічна корозія, механічне старіння (ерозія) найбільш сильне позначається на кінцях труб, тобто в місцях зміни напрямку швидкостей.

Спільна дія корозії й еррозії може привести до помітного зменшення товщини стінок труб біля двійників.

Внутрішній тиск у системі підвищується при:

• порушенні нормального режиму роботи насосів,

• подачі продукту поршневими насосами в закоксованні змійовики,

• несправності редукційного клапану й т.п.

Особливо небезпечна для труб різка зміна тиску. Ушкодження труб може бути невеликим у вигляді свища й досить значним у вигляді розривів довжиною в кілька десятків сантиметрів. Природно, що при цьому в топки виливається велика кількість горючого продукту і тоді відбувається інтенсивне горіння.

На практиці відзначено багато випадків ушкодження труб із звичайної сталі. Особливо часто зустрічається прогар труб.

Так, на одному із крекінг–заводів у м. Пермі відбувся прогар центральної труби стельового екрана печі легкого крекінгу. У внутрішній об’єм печі вилилося при цьому близько 8 т нафтопродукту. Деформувалося 12 труб стельового екрану й шість труб бічних екранів. Вогонь загрожував сусіднім апаратам і насосній станції. Усередині печі вогонь був погашений водяною парою, біля печі – пінної та розпиленою водою. Печі була зупинена на п'ять діб.

При визначенні причини пожежі потрібно мати на увазі, що розрив у середній частині труби радіантної камери відбувається в основному прогаром, а розрив на кінці труби – зменшенням товщини стінок.

Інтенсивне горіння у середині топкового простору, свого роду пожежа, виникає також при попадінні в піч горючої рідини через газові форсунки. При роботі газових форсунок, особливо в зимовий час, у газовій лінії може утворитися значна кількість конденсату, що разом з газом буде надходити в топку. попадіння рідини в топку викликає викид вогню через наявні прорізи назовні та різкий стрибок температури в печі, що приводить до часткового закоксовування труб.

На УВП Іжевського родовища нафти 11 травня 2001г в 18 годину 40 хв на технологічній установці – печі “ПП-1,6” відбувся технологічний інцидент, що спричинив пожежу. Через розлив нафтопродукту горіння поширилося по площі до 13 кв. м. Несправності технологічного устаткування були усунуті тільки 15.05.01г до 18 година 30 хв. Простій устаткування склав четверо діб.

Імовірною причиною інциденту явилася несправність датчика рівня рідини (ДРР), призначеного для контролю за рівнем нафтопродукту в установці УПС–3000. Регламентні роботи на установці вчасно не проводилися і датчик ДРР перебував у не робочому стані, тому що поплавець завис у результаті торкання оглядових сходів.

В результаті переповнення нафтопродуктом ємності на установці УПС–3000 продукт потрапив по газовій лінії в газосушитель і далі по лінії подачі попутного газу в газовий запальник печі “ПП-1,6”, де й запалився. Витеклий нафтопродукт протягом години під контролем чергової варти ВПК №6 вигорав у камері згоряння печі та на землі. З урахуванням тривалості горіння, швидкості вигоряння нафтопродукту та площі пожежі, можна зробити висновок, що відбувся розлив не менш 1,95 м³ нафтопродукту.