2.4 Анализ возможных причин повреждения аппаратов, разработка необходимых средств защиты

Необходимым условием обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации технологического оборудования является его прочность. Под прочностью понимается способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации) при действии внешних нагрузок.

Возможны следующие основные комбинации нарушений, приводящие к повреждению технологического оборудования:

- превышение расчетных нагрузок при сохранении расчетной прочности оборудования;

- снижение расчетной прочности оборудования при сохранении расчетных нагрузок;

- одновременное нарушение расчетных нагрузок и расчетной прочности оборудования.

Причины повреждений технологического оборудования принято классифицировать следующим образом:

- повреждения в результате механических воздействий;

- повреждения в результате температурных воздействий;

- повреждения в результате химических воздействий.

Под механическими воздействиями понимают такие воздействия, которые возникают в результате превышения расчетных нагрузок на оборудование при сохранении его расчетной прочности.

Наиболее характерным механическим воздействием является чрезмерное внутреннее давление, возникающее в аппарате при:

· переполнении аппарата жидкостями;

· нарушении материального баланса (поток веществ входящих в систему не соответствует потоку веществ выходящих из системы), возможно при неполном открытии задвижек, а также при несоответствии производительности насосов и компрессоров расходу продукта;

· наличии в аппарате и трубопроводах отложений и пробок;

· из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата). Чаще всего это происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива;

· нарушении температурного режима работы вследствие перегрева жидкостей, что обусловлено отсутствием или неисправностью контрольно-измерительных приборов, недосмотром обслуживающего персонала, воздействием высоконагретых соседних аппаратов, повышением температуры окружающей среды и т. п.

При резких изменениях величины давления в аппаратах (гидравлические удары), связанных с резким торможением движущегося потока жидкости в результате вибраций от случайных ударов движущимся транспортом, возникают динамические нагрузки, которые вызывают образование внутренних напряжений в конструкциях аппарата значительно выше тех, которые могут возникнуть от статических нагрузок.

Повреждение технологического оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.

Температурные перенапряжения в материале аппаратов наступают, когда есть препятствия линейному изменению отдельных элементов или конструкции в целом.

Температурные напряжения наблюдаются при жестком креплении трубопроводов, наличии в аппаратах биметаллических конструкций или конструктивных элементов, находящихся под воздействием неодинаковых температур, в толстостенных конструкциях и при местных изменениях температур в материале аппарата.

Обращающиеся в технологическом процессе вещества и окружающая среда вступают в химическое взаимодействие с материалом, из которого изготовлено технологическое оборудование, вызывая его разрушение. Разрушение материала в результате взаимодействия с соприкасающейся с ним средой называется коррозией.

Разрушающему действию коррозии наиболее подвержены слабые места производственного оборудования: швы, разъемные соединения, прокладки, места изгибов и поворотов труб.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия наблюдается в среде жидких диэлектриков или газов, нагретых до высоких температур. Это окислительно-восстановительный химический процесс, к которому относят кислородную, сероводородную, серную и водородную, а также некоторые другие виды коррозии в аппаратах с температурными режимами от 200 ^оС и выше.

Электрохимическая коррозия представляет собой процесс растворения металлов в электролитах в результате действия образующихся гальванических пар.

Образование повышенного давления в аппаратах.

Повышение давление может произойти в результате нарушения материального баланса в смесителе-растворителе, если расход краски будет меньше расхода полуфабриката с бензолом. Это возможно при образовании пробок в расходной линии; из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной среды (при наполнении аппарата), причиной этого случая может быть загрязнение огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива; уменьшении расхода продукта при его неизменном поступлении; перекрытии расходных линий задвижками; переполнении емкостей при отсутствии переливных линий или автоматики.

Величину перепада давления в линиях для преодоления сопротивления и создания необходимой скорости продукта определяют по формуле:

,

а общее давление из выражения:

,

где - потери давления при увеличении сопротивления линий, Па; - конечное давление в системе при увеличении сопротивления линий, Па; - коэффициент i-го местного сопротивления; - коэффициент сопротивления трения, определяемый в зависимости от режима движения продукта; d - внутренний диаметр трубопровода, м; - скорость движения продукта в трубопроводе, м/с; - длина трубопровода, м; - плотность продукта при рабочей температуре, кг/м.

Повышение давление может произойти в результате нарушения материального баланса в центробежном насосе при несоответствии производительности насосов и компрессоров расходу продукта, при увеличении сопротивления в расходных линиях, а также в силу некоторых других причин. Любое изменение в расходе должно сопровождаться изменением производительности насоса или компрессора. Если насос будет работать с той же производительностью, а расход снижен, возникает повышенное давление в аппарате. Чтобы избежать этого явления за насосом устанавливают на линии манометры или автоматические регуляторы давления, которые при повышении давления в системе уменьшают число оборотов вала центробежных насосов, а при уменьшении давления автоматически увеличивают их производительность.

Опасное давление может возникнуть при работе насоса во время закрытых задвижек трубопровода. Такая ситуация может возникнуть при несвоевременном открывании задвижки на линии, в которую подается продукт, неполное открывание задвижки или отключение линии.

Повышение давление также может произойти от повышения температуры подогрева в смесителе-растворителе из-за недосмотра обслуживающего персонала, нарушения условий ведения технологического процесса, при неисправных контрольно-измерительных приборах.

Конечное давление в аппаратах с насыщенными парами жидкостей и наличием жидкой фазы при изменении температуры определяют из выражения:

,

где - давление насыщенного пара при температуре , Па.

Определим насколько увеличится давление внутри смесителя-растворителя при увеличении рабочей температуры на 20 ⁰С.

Суммарное давление насыщенного пара над раствором при рабочей температуре 50 ⁰С составляем Па (см. пункт 2.2).

Для ацетона Па при Т=343 К (приложение 2 табл. 1 [6]).

Для ксилола Па при Т = 327,6 К (приложение табл. 2 [8]);

Па при Т = 349,1 К.

Па.

Па;

Па.

Суммарное давление насыщенного пара над раствором:

Па.

Па.

При увеличении температуры внутри аппарата на 20 ⁰С давление в нем увеличивается практически в 2 раза. Это говорит о том, что при относительно небольшом повышении температуры давление сильно возрастает, что может привести к повреждению оборудования.

Повышение давление также может произойти в насосе от повышения температуры поступающего вещества.

Приращение давления в герметичном аппарате, полностью заполненном жидкостью, при повышении температуры определяют по формуле:

,

где - коэффициент объемного расширения жидкости, К; - коэффициент объемного сжатия жидкости, м/Н (Па); - коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата, К; - изменение температуры в аппарате, ⁰С.

При проведении технических расчетов можно пользоваться упрощенной формулой (погрешность расчета не превышает 5-7%):

.

При повышении температуры краски на 10 ⁰С, приращение давления будет:

МПа,

где, для ацетона, К; Па.

МПа.

При увеличении температуры всего на 10 ⁰С, давление в насосе увеличится по сравнению с рабочим давлением в 14 раз. Это говорит о том, что при относительно небольшом повышении температуры давление резко возрастает, что может привести к повреждению оборудования.

Произведем расчет предохранительного клапана для смесителя-растворителя.

1) избыточное давление срабатывания предохранительного клапана исходя из избыточного рабочего давления в аппарате (пункт 2.4 [8]):

МПа,

МПа.

2) молекулярная масса продукта кг/кмоль.

3) плотность среды в аппарате при давлении срабатывания предохранительного клапана и рабочей температуре:

кг/м³,

где - рабочая температура среды в аппарате, ⁰С;

- абсолютное давление срабатывания клапана, МПа.

4) давление на выходе в отводящий трубопровод Р_вх = 0,14 МПа, принимаем

Р_вх = Р_с,

где Р_с - абсолютное давление среды в закрытой системе, куда производится сбрасывание парогазовой среды, МПа.

5) определяем коэффициент , для жидкостей принимают равным единице.

6) определяем необходимую площадь проходного сечения предохранительного клапана (м²) при максимальной производительности аппарата по парогазовой среде во время аварийной ситуации:

м² = 29,8 см²,

где - максимальная производительность аппарата по парогазовой среде, кг/с; - коэффициент расхода среды через клапан (величина составляет в среднем 0,16-0,17).

Образование динамических воздействий в аппаратах.

В центробежном насосе может возникнуть гидравлический удар в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосами жидкости, при резком изменении давления.

Приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе определяют по формуле Н.Е. Жуковского:

,

где с - скорость распространения ударной волны:

,

где - плотность жидкости при рабочей температуре, кг/м; d - внутренний диаметр трубы, м; Е - модуль упругости материала трубы, Па (см. табл. 14 и 19 приложения); s - толщина стенки трубы, м; - уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе, м/с:

,

где - начальная скорость движения продукта в трубопроводе, м/с; - конечная скорость движения продукта в трубопровод, м (часто =0).

Для предотвращения возможности возникновения гидравлического удара на трубопроводах устанавливают медленно закрывающиеся задвижки, воздушные колпаки и предохранительные клапаны, автоматически открывающиеся при повышении давления выше нормативного.

Образование температурных напряжений.

В нашем случае отсутствует возможность образования температурных напряжений.

Образование химического износа (коррозии).

В нашем случае отсутствует возможность образования коррозии, так как продукт, обращающийся в производстве, не обладает коррозийными свойствами.