Вопрос 1. Повреждения в результате механических воздействий

Различают три вида МЕХАНИЧЕСКИХ воздействий на материал стенок аппаратов и трубопроводов:

А) образование повышенного или пониженного давления;

Б) воздействие динамических нагрузок;

В) эрозионный износ.

Изменение давления вызывается (слайд 6):

• нарушением материального баланса;

• нарушением теплового баланса;

• нарушением процессов конденсации;

• попаданием легкокипящих жидкостей в объем высоконагретых аппаратов;

• нарушением протекания экзотермических химических процессов

-нарушение материального баланса (слайд 7):

В установившемся процессе вводимые в систему потоки ве­ществ, составляющие приходные статьи баланса, должны равнять­ся потокам веществ, выводимым из системы, которые составляют расходные статьи баланса, то есть в этом случае в аппарате сохраняется нормальное (рабочее) установленное для этого аппарата давление.

Наиболее характерным механическим воздействием является чрезмерное внутреннее давление, возникающее в аппарате при пе­реполнении технологического оборудования жидкостями или газами. Такое явление может иметь место на производстве при на­рушении технологического режима, при недостаточном контроле за технологическим процессом, при неисправности контрольно-изме­рительных приборов и защитной автоматики.

Характерным примером является авария и пожар резервуара с бензином емкостью 700 м³ на нефтебазе. Вновь построенный резервуар со сферической кровлей, рассчитанный на рабочее давление 2000 мм в ст (19620 Па), без измерителя уровня жидкости и с дефектами сварки ввели в эксплуатацию. Вскоре резервуар был переполнен бензином. От повышенного давления резервуар разрушился и вышедший наружу бензин воспламенился. Обвалование резервуара было неисправно, поэтому горящий бензин беспрепятственно растекался по склону территории. Огнем была охвачена большая площадь, хозяйственные постройки и часть жилых домов.

МЕРЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕРЕПОЛНЕНИЯ АППАРАТОВ

Для предотвращения переполнения технологического оборудования жидкостями и газами предусматриваются:

• счетчики количе­ства поступающих в оборудование жидкостей и газов;

• пожаробезопасные уровнемеры, манометры…

…так при хранении жидкостей под небольшим давлением в качестве исключения допускается использование контрольных мерных стекол с клапанами, автоматически закрывающимися при поломке стекла, а также защитных сеток. Не допускается применение стеклянных уровнемеров на аппаратах со сжиженными газами под давлением. (При упомянутом выше пожаре на складе сжиженных газов огонь с резервуара на резервуар распространялся по мере разрушения стеклянных уровнемеров).

• автоматические системы прекращения подачи продуктов, отключающие насосы, компрессоры и питающие линии;

• сигнализаторы предельного верхнего уровня жидкости (для сжиженных газов);

• системы сигнализации и связи между наполняемыми аппаратами и операторными, насосными, компрессорными;

• переливные трубы...

…Переливные трубы (слайд 11) врезаются в стенки аппаратов обычно на высоте максимально допустимого уровня жидкости. Они имеют диаметр больше диаметра наполнительной линии и соединяются с емкостью, из которой закачивается жидкость, либо с дренажной (аварийной) емкостью. На переливных трубах нельзя устанавливать перекрывающую арматуру.

Подключение аппаратов с разным рабочим давлением друг к другу. Если аппарат работает под давлением, меньшим, чем давление питающего его источника, то на линии подключения аппарата к источнику давления должны быть, кроме запорной задвижки, автоматическое редуцирующее приспособление с манометром и предохранительный клапан на стороне меньшего давления. Запорная задвижка должна находиться между аппаратом и редуци­рующим устройством, вблизи аппарата. При небольшом перепаде давления оба подключенных друг к другу аппарата следует рассчитывать на наибольшее давление.

Опасны подключения систем, работающих при высоком давлении, к системам, работающим при более низком давлении.

Так, например, в одном из городов возникла необходимость соединить два кольца подземных газовых сетей низкого давления. Вблизи от газовой линии низкого давления проходила газовая линия среднего давления. Ошибочно линию среднего давления подключили к газовому кольцу низкого давления. Поступление газа более высокого давления в линию и к приборам, на это давление не рассчитанным, привело к образованию массовых утечек газа через неплотности в соединениях и к повреждению газовых счетчиков. Произошло «сдувание» пламени горящего газа в газовых приборах и в результате - взрывы и пожары в жилых домах.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате может возникнуть в результате нарушения материального баланса в оборудовании.

В установившемся процессе вводимые в систему потоки веществ, составляющие приходные статьи баланса, должны равняться потокам веществ, выводимым из системы, которые составляют расходные статьи баланса, то есть (слайд 7) в этом случае в аппарате сохраняется нормальное (рабочее) установленное для этого аппарата давление.

Нарушение материального баланса происходит и при несоответствии производительности насосов и компрессоров расходу продукта, при увеличении сопротивления в расходных и дыхательных линиях, а также в силу некоторых других причин (слайд 8).

Чрезмерное внутреннее давление создается в аппарате при не­соответствии между подачей в него веществ и их расходом. Жидкости и газы подаются в аппараты к емкости обычно насосами и компрессорами. Их подбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить подачу определенного объема веществ. Всякое изменение в расходе должно сопровождаться изменением производительности насоса (компрессора). Если насос (компрессор) будет работать с той же производительностью, а расход снижен, возникает повышенное давление в аппарате. Чтобы избежать этого за насосом (компрес­сором) устанавливают на линии манометры или автоматические регуляторы давления.

ВЛИЯНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ И ПРОБОК

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) создается при наличии в нем отложений и пробок. На стенках аппаратов (трубопроводов) могут иметь место отложения солей, кокса, полимеров, кристаллогидратов и просто грязи.

Известно, что потери давления в линиях определяют по формуле Дарси - Вейсбаха (слайд 14):

,

где λ- коэффициент трения при движении жидкости или газа по трубопроводу;

d - диаметр трубы, м; ρ - плотность вещества, кг/м³; w - скорость потока, м/с;

L - длина трубопровода, м.

Из формулы видно, что при уменьшении площади живого сечения трубопровода (при образовании в нем отложений) давле­ние в линии растет пропорционально квадрату скорости движения потока или отношению площадей нормального и суженного сече­ний, либо будет соответственно уменьшаться производительность системы. Но не все насосы и компрессоры обладают способностью изменять свою производительность в соответствии с изменением со­противления линии. Такой способности лишены насосы и компрес­соры объемного действия — поршневые, шестеренчатые и ротационные. Из формулы также видно, что наиболее опасным будет момент полного прекращения расхода (закрыта задвижка, все сечение трубы забито отложениями и т. п.) при непрекращающейся работе насоса. Так как в этом случае площадь живого сечения приближается к нулю и давление в системе будет беспредельно возрастать, что неизбежно вызовет аварию.

Например, на крекинг-установке временно прекратилась работа поршневого «горячего» насоса, В результате произошло почти полное закоксование площади сечения радиантных труб печи глубокого крекинга. Возобновление работы насоса привело к сильному повышению дав­ления, разрыву труб в печи и возникновению пожара.

Центробежные насосы по сравнению с поршневыми менее опас­ны, так как при увеличении сопротивления в линии насос начинает работать «на себя».

Во избежание аварий и повреждений от подобного рода причин следует:

• отдавать предпочтение центробежным насосам и компрес­сорам;

• подбирать центробежные насосы и компрессоры без значи­тельного превышения их характеристик над номинальными (без завышенной мощности);

• у поршневых насосов и компрессоров устраивать циркуляционную линию с перепускным клапаном (рис. 4,2);

использовать устройства, автоматически регулирующие работу насоса или компрессора в зависимости от величины давления в линии.

Уменьшение внутреннего сечения трубопровода может произойти в результате различного рода отложений. Так, при низких ра­бочих температурах или низкой температуре внешней среды в газовых и жидкостных линиях (с наличием увлажненных углеводородов) возможно образование ледяных и кристаллогидратных пробок. Интенсивное образование кристаллогидратов может привести к полной забивке сечения трубы. Возможны отложения в трубах парафина, нафталина, кристаллов серы, капролактама и других веществ. Нередко происходит скопление и замерзание воды в дре­нажных линиях.

Мероприятия

Для предупреждения образования пробок в линиях производят очистку веществ от взвешенных твердых частиц и солей, не допускают образования отложений кокса, полимеров, льда, кристаллогидратов.

Очистку жидкостей от взвешенных твердых частиц про­изводят путем отстаивания и фильтрации.

Очистку от солей — химическим способом (щелочью или кислотой), а также токами высокого напряжения на электрообессоливающих установках (ЭЛОУ).

Во избежание образования и отложения кокса строго соблюдают установленный температурный режим при нагреве органических жидкостей.

Образование полимерных отложений предупреждают путем:

- добавки в продукт ингибиторов,

- снижения температурного режима,

- ликвидации застойных участков,

- и, наконец, путем изготовления аппаратов из материалов, тормозящих процесс полимеризации.

Образование ледяных и кристаллогидратных пробок преду­преждают:

- осушкой исходных веществ от влаги (хлористым алюминием и кальцием, силикагелем, вымораживанием и т. п.),

- повы­шением температуры в тех местах аппаратов и трубопроводов, где наиболее вероятно отложение кристаллогидратов,

- введением в вещество специальных добавок, растворяющих кристалло­гидраты (метилового или этилового спирта).

Аппараты и трубопроводы, расположенные на открытых площадках и в неотапливаемых помещениях, защищают теплоизоляцией, прокладывают параллельно трубам паровые спутники.

Трубопроводы и аппараты очищают от отложений механическими и химическими способами в установленные инструкцией сроки.

Повышение давления в газовых линиях происходит из-за попадания в них жидкости (газового дистиллята, водяного конденсата), образующей пробки в коленах, изгибах и наиболее низких участках. Жидкие пробки в линии вызывают гидравлические удары и временное прекращение подачи газа к месту потребления. Во избежание конденсации паров газовые линии защищают теплоизоляцией, а в наиболее низких участках газопровода (и в других местах возможного скопления жидкости) ставят сборники конденсата. Для сглаживания неравномерности газопотребления и улавливания находящегося в газе конденсата перед компрессорами устанавливают буферные емкости, а перед аппаратами — продувочные приспособления для спуска конденсата.

В мерниках, резервуарах и других «дышащих» (связанных с атмосферой) емкостных аппаратах повышенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата жидкостью). Это чаще всего происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Те же причины могут привести и к образованию вакуума при опорожнении резер­вуара, вызвав смятие его корпуса. Пропускная способность дыхательных линий и установленных на них дыхательных клапанов должна соответствовать скорости закачки жидкости в резервуар. При этом следует учитывать выделение из жидкости растворенных газов, особенно при закачке нестабильных нефтей и бензинов.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) возникает в результате нарушения температурного режима работы. Температурный режим может быть нарушен из-за перегрева жидкостей и газов, находящихся в этих аппаратах. Перегрев же может произойти при отсутствии или неисправности контрольно-измерительных приборов, недосмотре обслуживающего персонала, воздействии высоконагретых соседних аппаратов, в результате повышения температуры окружающей среды. При этом давление в аппаратах возрастает за счет объемного расширения веществ и увеличения упругости их паров и газов.

В герметичном аппарате с газами или перегретыми парами давление увеличивается прямо пропорционально возрастанию их температуры. В аппаратах, баллонах и трубопроводах со сжатыми газами опасное повышение давления возможно лишь при значитель­ном повышении температуры.

В герметичных аппаратах и емкостях, нормально заполненных жидкостями, над жидкостями имеется паровое пространство определенного объема. Давление определяется упругостью насыщенных паров жидкости Р_s при данной температуре. С ростом температуры до значений, не превышающих температуры кипения жидкости, давление в таких аппаратах также повышается.

Особую опасность представляют герметичные емкости и трубо­проводы, сплошь заполненные жидкостью или сжиженным газом без оставления парового пространства. Так как жидкости практически несжимаемы, нагревание их даже до невысоких температур вызывает очень большие внутренние давления, приводящие к повреждениям и разрыву стенок. На практике имеется немало случаев, когда неправильное заполнение бочек и цистерн жидкостями, а также емкостей и баллонов сжиженными газами при последую­щем нагревании заканчивалось авариями.

Характерными в этом отношении являются аварии, связанные с разрывами стенок сферических резервуаров с жидким газом на нефтеперерабатывающих заводах (из-за суточных изменений температуры окружающей среды).

Повышение температуры на величину ∆t вызывает увеличение объема жидкости, находящейся в сосуде, и некоторое изменение объема самого сосуда, причем объем жидкости изменяется в значительно большей степени, чем объем сосуда. Стенки сосуда гасят стремление жидкости к расширению, как бы сжимают ее, за счет чего в сосуде возникает избыточное давление.

Приращение давления в переполненных аппаратах (при их на­гревании без учета изменения размеров аппаратов) определяют по формуле

где β - коэффициент объемного расширения жидкости;

β - ко­эффициент объемного сжатия жидкости;

T — повышение темпе­ратуры при нагревании аппарата.

Мероприятия

При нормальном заполнении аппарата жидкостью газовое или паровое пространство должно быть достаточным, чтобы выполнить роль компенсатора, то есть роль газового колпака, и устранить опасность образования чрезмерно больших давлений при повышении температуры. Однако неполное заполнение аппаратов и баллонов уменьшает их полезную емкость, снижает коэффициент использования внутреннего объема, удорожает эксплуатацию. Для создания оптимальных условий безопасности и экономичности сле­дует определить максимально возможную степень заполнения емкостей жидкостью или сжиженным газом.

В приближенных технических расчетах величина свободного пространства в емкости, аппарате и трубопроводе определяется выражением

Допустимую степень заполнения резервуаров, емкостей и тру­бопроводов определяют по выражению

(4.6)

Давление в аппарате может подняться в результате попадания в аппарат низкокипящей жидкости (через неплотности теплообменников, по ошибке, в виде конденсата).

Так, например, нефтепродукт, нагретый до 500 ⁰С, подали в колонну крекинг-установки, на дне которой осталось около 130 л воды. Мгновенное испарение воды вызвало настолько резкое повышение давления, что произошел разрыв аппарата. При этом крышка была сорвана и ударила в дымовую трубу, а осколки корпуса весом до 80 кг были разбросаны в радиусе 300 м. Были повреждены продуктовые и сырьевые трубопроводы.

Приращение давления р в аппарате при попадании в него жидкости и ее испарении определяется по формуле

где - атмосферное давление

- масса жидкости, попавшей и испарившейся в аппарате;

V – объем паров, образующихся при испарении 1 кг жидкости (при температуре аппарата);

V_св — сво­бодный объем аппарата.

Объем пара, полученного при 100 ⁰С в 1700 раз превышает объем жидкости, из которой он получен.

Мероприятия

Чтобы избежать попадания низкокипящей жидкости в высоко­температурный аппарат:

• На линиях подачи острого водяного пара (для целей обогрева, перемешивания, продувки, выдавливания ве­ществ) устраивают приспособления для спуска конденсата (рис. 4.4).

• Пар во избежание его конденсации подают только в достаточно прогретые (выше 100) ап­параты.

• После промывки или гидравли­ческого испытания аппаратов жидкость полностью спускают и выпаривают оста­ток, контролируя количество воды в под­лежащем нагреву сырье.

Динамические нагрузки (слайд 18)

Динамические нагрузки вызывают образование внутренних напряжений в конструкциях аппарата значительно выше тех, которые могут возникнуть от статических нагрузок. При расчете аппаратов и трубопроводов необходимо учитывать возможность действия динамических нагрузок.

Динамические нагрузки проявляют себя:

• При резких изменениях величины давления в аппаратах. Поэтому в периоды пуска и остановки аппаратов, в периоды перехода с одного режима давления на другой следует обеспечить плавность изменения давления, предусмотренную инструкцией.

• При гидравличе­ских ударах, связанных с резким торможением движущегося потока жидкости или газа. Для предотвращения возможности возникновения гидравлического удара на трубопроводах устанавливают медленно закрывающиеся задвижки, воздушные колпаки и предохранительные клапа­ны, автоматически открывающиеся при повышении давления выше нормального.

• В результате вибраций, возникающих от действия внутренних и внешних возмущающих сил, от случайных ударов движущимся транспортом, при падении грузов и т. п. Меры борьбы с вибрацией — уменьшение пульсации при работе насосов (замена поршневых насосов центробежными, установка воздушных колпаков и т. п.), устройство под вибрирующими агрегатами массивных фундаментов, использование эластичных прокладок, пружин и тому подобных устройств, а также прочное крепление аппаратов (трубо­проводов).

Внешние воздействия.

К механическим повреждениям технологического оборудования следует отнести повреждения от неосторожной работы внутрицехового транспорта, ударов падающими грузами, ударного действия осколков при авариях соседних аппаратов и т. п. Внутрицеховые и межцеховые транспортные коммуникации должны проходить как можно дальше от технологических аппаратов и трубопроводов. Для предотвращения повреждения оборудования устраивают защитные ограждения, ограничивают скорость движения транспорта, грузоподъемных машин и механизмов; трубопроводы прокладывают в закрытых траншеях или на эстакадах; ограничивают зоны проезда транспорта бардюрным камнем или разметкой; газовые линии прокладывают над мостовыми кранами, тельферами и другими средствами перемещения грузов.

Для защиты от создавшегося чрезмерного внутреннего давления в аппарате (трубопроводе) используют предохранительные и мембранные клапаны, область применения которых приводится в правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

ЭРОЗИЯ МАТЕРИАЛА АППАРАТА

Опасные внутренние напряжения в конструкции могут возникнуть даже при нормальных рабочих нагрузках, если в результате механического воздействия обрабатываемой среды будет уменьшаться толщина материала стенки аппарата или трубопровода.

Механический износ материала движущейся средой называется эрозией.

Различают эрозию газовую, абразивную, кавитационную, электрическую, ультразвуковую…

Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация). Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Рис. Повреждения наносимые эффектом кавитации (часть насоса)

Кавитация во многих случаях нежелательна. На устройствах, например, винтах и насосах, кавитация вызывает много шума, повреждает их составные части, вызывает вибрации и снижение эффективности.

Когда разрушаются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать основные повреждения. Кавитация может разрушить практически любое вещество. Последствия, вызванные разрушением каверн, ведут к большому износу составных частей и могут значительно сократить срок службы винта и насоса.

Мероприятия

- подбирают устойчивый к данному виду эрозии материал (молибденовые стали);

- уменьшают шероховатость поверхности;

- снижают турбулентность потока, уменьшают количество поворотов, делают их более плавными;

- не допускают прямого удара эрозийной струи в стенку аппарата, применяя отражатели, рассекатели струй;

- очищают газы и жидкости от твердых примесей;

- не допускают работу гидравлических машин в режиме кавитации;

- ведут систематический контроль за износом материала.

Вывод по первому вопросу:

Таким образом, в результате механического воздействия материал аппаратов и трубопроводов может испытывать чрезмерно высокие внутренние напряжения, способные вызвать не только образование неплотностей в швах и разъемных соединениях, но и полное разрушение аппарата или трубопровода по наиболее слабому сечению.

Вывод по вопросу.