Сосуды под давлением

I. Место и условия проявления опасного и   вредного фактора 

Сосуды  и устройства, находящиеся под давлением, используются практически на любом промышленном предприятии, при выполнении основных, ремонтных и других производственных операций.   К сосудам, работающим под давлением, относятся герметически закрытые емкости, такие как:  1) Баллоны для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов (рис. 1.1.) 

Баллон  – сосуд, работающий под давлением  и имеющий одну или  две  горловины  для ввертывания вентилей или штуцеров (пробок). 

                  
Рис. 1.1. 

Баллоны для газов.  а) для кислорода (сжатого); б) для  ацетилена (растворенного); в)для пропан – бутана (сжиженного); 1 – днище; 2 – опорный башмак; 3 – корпус; 4 – горловина; 5 – вентиль; 6 – колпак; 7 – пористая масса; 8 – паспортная табличка; 9 – подкладные  кольца.       

2) Цистерны и бочки  для хранения и  перевозки сжиженных  газов.  Цистерна – сосуд, постоянно установленный на раме железнодорожного  вагона, шасси автомобиля (прицепа) или других средствах передвижения;     

Рис. 1.2.

Цистерна для жидкого аммиака:  1 – волнолом; 2 – котёл; 3 – манометр;

4 –  предохранительный клапан; 5 – вентиль  для жидкого аммиака;

6 –  защитный колпак; 7 – кран для  отбора проб; 8 – вентиль  для газообразного аммиака; 9 – крышка; 10 – люк; 11 – сифонная трубка.  

Бочка – сосуд цилиндрической формы, который можно перекатывать с  места на место и ставить на торцы без дополнительных опор.    

Рис. 1.3. 

Бочка для сжиженных газов:  1 – вентили с запорными трубками; 2 – защитный колпак. 

3)  Компрессоры и  газозборники при  них.  Компрессор – агрегат, предназначенный для сжатия газов.

Газозборник   – емкость,  принимающая сжатый  газ от  компрессора и удерживающая в себе заданное давление газа для отбора его инструментом, работающим от сжатого газа. 

4) Паровые и водогрейные  котлы (рис. 1.4 и 1.5)– теплотехнические установки, производящие пар с повышенным давлением, который используется  как для отопления, так и в качестве побочного тела в паросиловых двигательных установках, турбоагрегатных электростанциях и передвижных теплосиловых комплексах.     
 

                                  Рис. 1.4.                                         Рис. 1.5. 
 

Рис. 1.4. Схема парового котла и арматуры: 1 – котёл; 2 – водоуказатель;

3 –  пароводопроводные краны; 4 – манометр; 5 – парозапорный вентиль;

6 –  питательный вентиль; 7 – оборотный клапан; 8 – предохранительный клапан; 9 – вентиль для спуска  воды.                           

Рис. 1.5. Схема водогрейного  котла  и арматуры: 1 – котел; 2 – термометр;  3 – водозаборный  вентиль; 4 – обводная линия; 5 – обратный клапан;  6 – предохранительный клапан; 7 – водоподводящий  вентиль; 8 – вентиль для спуска воды. 

Выше  перечисленные сосуды, оборудование, работающее под давлением,  регламентированы «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов,  работающих под давлением», утверждёнными Гостехнадзором 11.06.2003г. № 091. Этим правилам подчиняются все сосуды, работающие под давлением выше  0,07 МПа (0,7кг/см 2 ).

Принцип герметичности, т.е. непроницаемости, в той или иной мере, используется практически во всех устройствах и установках, в которых в качестве  рабочего тела применяют жидкость или газ. Этот принцип является также обязательным для вакуумных установок. 

Внутренний  объем  герметичных  устройств  и  установок  ограничивает  среду, которая может быть либо рабочим  телом, либо исполнять роль той среды, в которой протекают основные рабочие процессы. Поэтому параметры её  состояния (как и сама среда) различны. Так, среда может быть сильно нагретой  или сильно охлажденной; давление внутри устройства может быть очень высокое или, наоборот, иметь значения, характерные для глубокого вакуума. 

Таким образом, сосуды, работающие под давлением, можно использовать  для хранения и транспортировки опасных веществ или для наполнения их веществами, использование которых возможно лишь при выпуске через калиброванные отверстия. К таким ёмкостям также относятся энергопроизводящие установки, в которых можно получить рабочее тело в виде пара или воздуха под  высоким давлением. 

Нарушения герметичности не желательны не только с технической точки  зрения, но и опасны  для обслуживающего персонала и производства в целом. 

Во-первых,  нарушение  герметичности  может  быть  связано  с  взрывом.  Здесь следует выделить две причины. С одной стороны, взрыв может являться  следствием нарушения герметичности (воспламенение взрывчатой смеси внутри установки). С другой стороны, нарушение герметичности может стать причиной взрыва (нарушение герметичности баллонов ацетилена приводит к образованию ацетилено - воздушной  смеси, которая может воспламеняться  слабым  импульсом). 

Во-вторых, при разгерметизации создаются опасные и вредные производственные  факторы,  которые  зависят  от  физико-химических  свойств  рабочей  среды и приводят: 

−  к  получению ожогов под воздействием высоких или низких температур  (термические ожоги) и агрессивности  среды (химические ожоги); 

−  к  травматизму, связанному с высоким давлением газа в системе. Например, нарушение герметичности баллона с газом при давлении 20 МПа с образованием отверстия диаметром 15 мм приведет к появлению начальной реактивной тяги около 3,5 кН, при массе баллона 70 кг он может приобрести ускорение 5g и переместиться на некоторое расстояние; 

−  к  отравлениям, связанным с применением инертных и токсичных газов.  Таким образом, принцип герметичности, используемый при организации  рабочего процесса ряда устройств и установок, является важным с точки зрения  безопасности их эксплуатации, и представляет потенциальную опасность для  обслуживающего персонала. 

В промышленности широко применяют сосуды  и устройства, работающие под давлением: баллоны, цистерны и бочки, компрессоры и воздухосборники, паровые и водогрейные котлы. 

Анализ  показывает, что разгерметизация вышеперечисленного оборудования, работающего под высоким давлением, происходит в результате действия  целого ряда факторов, которые можно условно разделить на две группы – эксплуатационные и технологические. 

1.1.  Эксплуатационные факторы, влияющие на оборудование,   работающее под давлением 

Эксплуатационные  факторы обусловлены химико-физическими характеристиками рабочего тела, параметрами его состояния, условиями эксплуатации  и т.д. К ним относят: 

1)  побочных  процессы,  протекающие  в  устройствах  и  установках,  которые приводят к ослаблению конструкции:

Коррозия  – разрушение металла, начинающееся на поверхности под давлением среды, омывающей металл.  Коррозия зависит от активности среды и  коррозирующего  материала,  температурного  режима  и  давления,  наличия  в  среде ингибиторов и стимуляторов. 

Различают следующие основные виды коррозий: сплошную (общую); местную (локальную), приводящую к образованию сквозного отверстия; межкристаллическую, разрушающую границы кристаллов металла и  избирательную,  при которой разъеданию подвергаются только отдельные компоненты металла. 

Локальная коррозия ведет непосредственно  к нарушению герметичности.  Однако наибольшую опасность  представляет сплошная коррозия, особенно в тех случаях,  когда она протекает равномерно,  т.е.  происходит  постепенное утончение стенок, которое нелегко обнаружить. Это может привести к внезапному взрыву. 

Методы  борьбы с коррозией:  

- изменение  коррозионной среды в сторону уменьшения ее агрессивности. Например, обескислороживание воды, если она использовалась в качестве  рабочей среды;

- увеличение  коррозионной стойкости конструкционного металла, которая достигается изоляцией металлических поверхностей от среды путем нанесения  соответствующих  покрытий  или  применением  коррозионно-стойкого  конструкционного материала.  

Образование накипи.  Во многих  установках в качестве теплоносителя используется вода. При нагревании воды образуется накипь, которая приводит  к ухудшению теплообмена и, в конечном счете, может вызвать аварию. 

К наиболее распространенным  накипеобразующим  соединениям относятся: двууглеродистый кальций и магний, сернокислый кальций (гипс) и хлористый  магний.  Двууглеродистый  кальций  и  магний  имеют  положительный термический коэффициент растворимости и поэтому отлагаются в виде шлама на менее нагретых поверхностях. В противоположность им, гипс имеет отрицательный термический  коэффициент  растворимости,  и  поэтому  отлагается  на  самых горячих местах установки. 

Методы  борьбы с накипью: 

Ограничение  жесткости  применяемой воды. Вода  системы  охлаждения  компрессорных  установок  не  должна  иметь  общую  жесткость  более 7 мг –  экв/л. (Жесткость воды - содержание в ней растворённых солей Ca и Mg, выраженное в миллиграмм-эквивалентах на литр воды. 1мг-экв/л жёсткости содержит 20,04 мг/л Ca 2+  или 12,16 мг/л Mg 2+  ) Если воды такого качества нет, то  система охлаждения компрессорных установок должна быть оборудована смягчающими ее водоочистителями.    
 
 

2) Образование взрывчатых  смесей. 

В процессе эксплуатации установок, работающих под  высоким давлением  (баллонов и  резервуаров для хранения горючих жидкостей и газов, трубопроводов для их транспортирования, установок для разделения газовых смесей методом охлаждения, компрессоров и т.д.), образование системы «горючее – окислитель» может привести к взрыву. Различают самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся системы. Для последних необходим источник зажигания  – инициатор. Существуют три принципа предотвращения взрывов: исключение  образования  горючих систем, предотвращение инициирования горения, локализация очага горения в пределах определённого устройства, способного выдержать последствия горения.     

Методы  нейтрализации системы  «горючее – окислитель»: 

а) исключение образования горючих систем, негорючие (взрывобезопасные)  смеси,  содержащие  горючее  и  окислитель, можно разделить на три  группы: бедные смеси, у которых π < π min  (π- концентрация горючего в окислителе); богатые смеси, у которых π>π max,  и смеси, флегматизированные инертным компонентом. 

Метод  поддержания  концентрации  горючего  меньше  нижнего  концентрационного предела широко используется при работе с гомогенными газообразными смесями горючих веществ с окислителями, когда  π min  достаточно велика (9-15% и выше). 

Метод флегматизации взрывчатых смесей – это введение инертного компонента в фиксированное содержание смеси окислителя и горючего. Тем самым понижается  температура  горения (энергия  затрачивается  на  нагревание  дополнительного компонентов смеси продуктов сгорания) Вместе с температурой  горения  уменьшается  и  скорость  распространения  пламени.  Увеличивая  количество флегматизатора, скорость горения можно свести к нулю и превратить смесь в негорючую.   

В качестве флегматизаторов применяют: тепловые флегматизаторы (CO 2,  N 2, H 2O), не принимающие  участие во взаимодействии горючего с окислителем,  и ингибиторы (химически  активные)  способные тормозить  реакцию  горения.  Избыточный компонент  смеси можно рассматривать как тепловой флегматизатор.   Эти методы широко используются для обеспечения взрывобезопасности  при освобождении установок от заполняющих горючих газов, при освобождении (продувке) газопроводов, при хранении горючих жидкостей в больших емкостях, при их разливе методом передавливания и т.п. 

Большую опасность имеет система «масло-кислород (воздух)». Смазочные  масла  при  нагреве  подвергаются  термическому  разложению.  Продукты  крекинга масла представляют собой легко воспламеняющиеся углеводородные  фракции с температурой кипения 330-420К и температурой застывания 150К.  Такие фракции образуются, например, в последней ступени компрессора, где  давление превышает 7 МПа, а температура сжатия достигает 450К и более. При  смешении указанных фракций с жидким кислородом они взрываются под влиянием различных импульсов (искры, ударной волны, и др.)   

Для удаления масла и продуктов его разложения проводится обезжиривание сосудов для жидкого и газообразного  кислорода при их изготовлении,  после ремонта и в процессе эксплуатации. 

Сосуды  в процессе эксплуатации обезжиривают, если nVc/F = 500, где n –  число заполнений емкости, V – объем жидкого кислорода, заливаемого в ем- кость (м 3 )   , F - внутренняя поверхность сосуда (м 2 ); с – содержание масла в  жидком кислороде (мг/м 3) - более 10 мг/м 3. 

Также не реже 1 раза в год (если с > 10 мг/м 3 ) обезжириваются трубопроводы и шланги в процессе эксплуатации.  В компрессорных установках для предотвращения образования взрывчатой системы «масло-кислород» производят: 

−  смазывание цилиндров специальными маслами и эмульсиями;

−  тщательное регулирование расхода масла; 

−  улучшение  работы холодильников и масловлагоотделителей.

б) предотвращение  инициирования горения, среди инициаторов горения большой удельный вес имеют электрические  разряды и фрикционные искры.

Разряды статического электричества – наиболее опасный возможный импульс поджигания взрывчатых газовых смесей. Заряды возникают на границе раздела однородных сред, на диэлектриках, проводниках. На последних они  обычно не сохраняются. Наиболее благоприятной средой накопления статического электричества являются диэлектрические жидкости, а также газы, содержащие во взвешенном состоянии жидкие и твердые дисперсные частицы. Для  обеспечения взрывобезопасности в отношении зарядов статического электричества ограничивают скорость движения жидкостей по трубопроводам; предотвращают образование дисперсных частиц, и проводят нейтрализацию электрических зарядов  путем заземления электропроводящей аппаратуры. 

Фрикционные искры могут образовываться при истирании металлических предметов или при ударах по ним. Они представляют собой кусочки металла размерами 0.1- 0.5 мм, оторванные при механическом воздействии, частично окисленные и нагретые до высокой температуры (для низкоуглеродистой  стали приблизительно 1900 К). Поджигающая способность фрикционных искр  ограничена. Опыт показывает, что только пять из распространенных в технике  горючих газов и паров образуют воздушные смеси, воспламеняемые фрикционными искрами: водород, ацетилен, этилен, окись углерода, сероуглерод.  Способность  гореть  в кислороде – специфическая особенность железа.  Поэтому там, где существует опасность фрикционных искр, вместо искрообразующих материалов (сталь) следует применять алюминий, медь и их сплавы. 

в) локализация очага горения, в  тех случаях,  когда нет уверенности в невозможности образования взрывоопасной системы или импульса для ее воспламенения, взрывобезопасность осуществляется за счет локализации очага горения в пределах определенного аппарата или газопровода.  Локализация очага  горения предусматривает наличие устройств (обратных клапанов, гидравлических затворов, автоматических задвижек) предотвращающих дальнейшее распространение пламени. В этой связи, широкое применение нашли огневзрывопреградители. 

2. . Нарушение режима эксплуатации 

Причиной  аварий  может  быть  неправильная  эксплуатация  установок,  обусловленная  либо недисциплинированностью обслуживающего персонала и администрации предприятия, либо отсутствием достаточного количества контрольных приборов и предохранительных устройств.

Контрольные приборы 

Контрольные приборы дают возможность вести наблюдения за происходящими в установке процессами и предупреждать неполадки и аварии. 

Особенно  важно применение автоматических устройств, которые независимо от обслуживающего персонала поддерживают заданный режим, выключают оборудование, предупреждают ошибочные действия персонала. 

Основные  контролируемые  параметры:  давление,  температура,  уровень  жидкости в сосудах. 

Для измерения  давления  широко принимаются пружинные  манометры.  При рабочем давлении стрелка должна находиться во второй трети шкалы манометра.  На  циферблате  манометра  должна  быть  нанесена  отметка (обычно  красным цветом), соответствующая допускаемому рабочему давлению. Манометры должны иметь класс точности не ниже 2,5. Проверка и опломбирование,  или клеймение, должно производиться лабораторией государственных стандартов не реже 1 раза в 12 месяцев. Кроме того, не реже 1 раза в шесть месяцев  предприятие производит проверку рабочих манометров контрольным манометром с записью результатов в журнал проверок. 

Измерение температуры производится жидкостными термометрами с визуальным контролем. Применяются также термопары, или термометры сопротивления, позволяющие дистанционно контролировать температуру в различных местах установки. Для контроля уровня жидкости применяют жидкостные  или мембранные указатели, водомерные стекла.  Предохранительные устройства 

Для регулирования  потоков жидкостей и газов в установках применяют  различную  арматуру  общепромышленного  и специального  назначения

(задвижки,  вентили,  обратные  клапаны).  Для защиты  устройств  и  установок от  превышения  в  них  допустимого  уровня  давления,  установленного  нормами  техники безопасности, используют предохранительные клапаны прямого действия (пружинные и рычажно-грузовые). 

Рис. 1.6. Рычажный  предохранительный  клапан:                Рис. 1.7. Пружинный                                                                Т—центр тяжести рычага                                                    предохранительный клапан 

Условия гарантированного вскрытия рычажного клапана будет обеспечено при выполнении нижеприведённого равенства для момента, когда давление в сосуде достигнет предельного

где  d – диаметр отверстия, закрытого клапаном, (см);   Рр – предельное рабочее давление в сосуде, (Па);   m – масса тарелки клапана и стойки, (кг);   m гр – масса подвижного груза, (кг);   m р – масса рычага АС;  

а, (а + b), (а + с) – соответствующие плечи моментов  относительно   опорного шарнира А.   

Уравнение равновесия пружинного клапана:

где  N – продольное усилие сжатой пружины, изменяемое натяжным винтом.  

Пружинный клапан регулируется при предельном рабочем давлении по  манометру. 

В случае, когда предохранительные клапаны  не обеспечивают надежную  работу, применяют  предохранительные мембраны (рис. 1.8.), срабатывающие в случаях резкого повышения статического давления. 

     Рис. 1.8. 

     Предохранительная мембрана.  1 – мембрана; 2 – верхний  фланец; 3 – нижний фланец.   

Присутствие газа в воздухе рабочей зоны  определятся с помощью газоиндикаторов (диффузионных, электрических, калориметрических, оптических,  химических и др.). Применяют также газосигнализаторы. В газосигнализатор  можно превратить любой автоматический газоанализатор, используя его в качестве датчика для сигнализации.  
 

1.3.  Технологические факторы разгерметизации 

К технологическим  факторам разгерметизации можно  отнести дефекты,  появляющиеся в устройствах и установках при их изготовлении, например, дефекты сварных швов, дефекты заклепок, трещины в местах изгибов, отбортовок  элементов, смещение кромок стыкуемых элементов, расслоение и плены металла, вмятины, раковины.

Эти примеры  показывают, что действие технологических  факторов может  привести к нарушению  герметичности за счет ослабления прочности конструкции или непосредственно (трещины, прожоги). Поэтому с целью своевременного  обнаружения  дефектов применяются различные технические методы контроля за изготовлением и состоянием устройств и установок. 

Люминесцентный  метод контроля используется для выявления поверх- ностных дефектов, главным образом, трещин. 

Метод ультразвуковой дефектоскопии позволяет определить дефекты в  металле толщиной 5-500 мм, осуществлять контроль любых металлов и сплавов, но не позволяет определить характер дефекта. 

Метод  магнитной  дефектоскопии  обеспечивает  контроль  сплошности  ферромагнитных металлов, обнаружение полей рассеяния, образующихся при  намагничивании в местах дефектов. Этим методом невозможно выявить характер дефекта и мелкие внутренние трещины. 

Метод рентгено и  гаммадефектоскопии позволяет получить наглядное представление о характере повреждений и их протяженности, выявить мелкие  трещины, широкий диапазон контролируемых толщин от 3-250 мм. Недостатком в работе является опасность для обслуживающего персонала.  Механическим испытаниям должны подвергаться стыковые сварные соединения с целью проверки соответствия их прочностных и пластических характеристик требованиям технических условий на изготовление.  К  основным  обязательным  видам  механических  испытаний  относятся:  статические  испытания  на  растяжения  и  изгиб,  динамические  испытания  на  ударную вязкость, металлографические, макроскопические, микроскопические  исследования сварных швов.  Гидравлические  испытания,  которым подлежат  большинство  сосудов,  работающих под давлением. При гидравлических испытаниях (рис. 1.9.) проверяют герметичность и прочность испытуемого объекта пробным давлением.   

Рис. 1.9. Стенд для гидравлических испытаний 

1 –  штуцер; 2 – передвижная рейка для изменения высоты установки штуцера; З – баллон; 4 – бак для воды; 5 – гидравлический насос; 6 – рычаг;

7 –  стальной шкаф; 8 – манометр. 

При гидравлических испытаниях проверяют герметичность  и прочность  испытуемого объекта  пробным  давлением. В случаях, когда проведение гидравлических испытаний сосудов по техническим характеристикам невозможно,  разрешается  проводить  пневматические  испытания  под  тем  же  давлением  с  удалением людей на безопасное расстояние.  

1.4.  Баллоны для хранения и перевозки сжатых,   сжиженных и растворенных газов 

Опасность пользования баллонами заключается как в возможности взрыва большой разрушительной силы, так и в утечке газа. 

Баллоны могут взрываться от ударов, падения, соударения между собой,  перегрева, повышающегося внутреннего давления,  нарушения работы  вентилей, наполнения другим газом. 

При совместном хранении сосудов, наполненных разными газами, в помещении  может  образоваться взрывоопасная среда  от  смеси  газов,  незначительно просачивающихся через вентили. 

При эксплуатации баллонов наибольшее количество аварий происходит  вследствие недостаточного инструктажа работников и невыполнения ими правил эксплуатации. 

При использовании  баллонов должны соблюдаться правила  их перевозки,  хранения,  установки  в  рабочее  состояние,  уровня  наполнения  и  выработки,  опознавательная  окраска,  которые  предусмотрены  «Правилами  устройства  и  безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержденными Гостехнадзором 11.06.2003. № 091. Эти правила регламентируют работу со- судов, давление в которых выше 0,07 МПа (0,7 кг/см 2 ). 

В правилах перевозки указываются необходимость предотвращения падения сосудов и их соударений. Для этого применяются специально оборудованные автомобили, в кузове которых баллоны укладываются в соответствующие их размерам гнезда или устанавливаются плотно друг к другу, при этом  сосуды защищаются от соударений надетыми на них резиновыми кольцами.  Баллоны, доставленные к месту производства работ (хранения), должны  быть осторожно сняты с транспорта, вертикально установлены и надежно за- креплены к стойке металлическими хомутами или цепью для предотвращения  падения, а также защищены от ударов и падения на них каких либо предметов с  высоты. 

Установленные баллоны должны быть защищены от действия солнечных  лучей, открытого огня и теплоизлучающих поверхностей (от источников тепла  с открытым огнем не ближе 5 м, от нагревательных приборов и защитных экранов не ближе 1 метра). 

Помещения, где  производятся  работы с  применением баллонов,  заполненных взрывоопасными газами, должны непрерывно проветриваться.  Работая с баллонами, закрывая и открывая вентили, работающие должны  находиться сбоку от баллона. При работе с баллонами газ не должен использоваться до конца. В баллоне со сжатым газом должно оставаться остаточное давление - не менее 0,05 МПа (0,5 кгс/м 2 ), которое позволяет определить, какой газ  находился в баллоне, проверить герметичность баллона и его арматуры, гарантировать не проникновение в баллон другого газа или жидкости.