Безопасность сосудов, работающих под давлением

Безопасность сосудов, работающих под давлением

К сосудам, работающим под давлением, относятся:

- паровые и водогрейные котлы (пар для технологических нужд и для отопления)

- газовые баллоны (хранение и использование газа в сжатом, сжиженном и растворенном состоянии)

- компрессорные установки (для производства сжатого воздуха – привод технологического оборудования, машин и инструментов, для распыления красок, …)

- автоклавы (пропарка под давлением ж/б изделий, пропитка древесины)

- паро- и газопроводы

Сосуды, работающие под давлением, – производственная опасность, – взрывы. Механические. Разрушения зданий, оборудования, травматизм, гибель людей.

При взрыве – адиабатическое расширение газа (при котором не происходит передача тепла из системы):

Работа по формуле: ,

где А – работа расширяющегося газа, Дж; V – объем сосуда, м³; p₁ и p₂ - начальное и конечное (атмосферное) давление газа в сосуде, Па; n = C_p / C_V – показатель адиабаты – отношение удельной теплоемкости газа при постоянном давлении C_p и постоянном объеме C_V Дж/(кг град).

Мощность взрыва: N = A / (102 t ), где 102 – коэффициент перевода размерности (кг м / с) в кВт, t – продолжительность взрыва в с.

При давлении 70 кПа (0.7 атм) и более сосуды поднадзорны Технологическому надзору России (регистрация и освидетельствование).

Основной документ: "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением".

Правила не распространяются на:

сосуды не более 25 л, используемы для научно-экспериментальных целей;

сосуды не более 25 л, у которых рV ≥ 0.02 (200) (p – давление, МПа (кгс/см²); V – объем сосуда, м³ (л));

сосуды атомных энергетических установок;

сосуды, работающие под давлением, создаваемым внутренним взрывом;

сосуды, устанавливаемые на транспорте (авиа, ж.д., плавучие,…);

приборы парового и водяного отопления;

…..

Паровые и водогрейные котлы

Причины взрыва:

- дефекты изготовления (материалы, заклепки, сварка)

- перенапряжение материала при длительном воздействии напряжений, превышающих расчетные;

- перегрев стенок из-за пониженного уровня воды или вследствие отложений накипи, уменьшающей теплоотвод стенок (снижение механической прочности, образование трещин, выпучивания);

- старение стенок котла в результате длительной эксплуатации: раковины, коррозия, другие дефекты. Усталостные явления в металле;

- нарушения технических требований эксплуатации;

Взрыв котла имеет физический характер. Сопровождается выделением в пространство большого количества пара: 1 единица объема воды порождает 1700 единиц объема пара. Перегретая вода при падении давления мгновенно переходит в пар – взрыв.

При утечке воды происходит перегрев стенок, и немедленная подача воды на раскаленные стенки приводит к образованию пара, мгновенное повышение давления и взрыв.

Мероприятия для предотвращения взрыва:

- контроль качества изготовления и 100 % контроль качества сварных соединений

- сигнальная аппаратура и приборы: контроля уровня воды, температуры, давления пара

Манометры: рабочий и контрольный.

Запорный вентиль и обратный клапан на нагревательной линии питания котла водой.

Спускной вентиль и задвижка.

Предохранительные клапаны для выпуска части пара и сброса давления: контрольный для подачи звукового сигнала и рабочий, автоматически выпускающий пар при достижении критического давления. Клапаны: рычажные и пружинные. Пружину контролировать от перетяжки, Защищать от коррозии, воздействия среды и температуры.

Котлы на газообразном или жидком топливе оборудуют автоматическими системами отключения подачи топлива к горелкам при повышении давления или снижении уровня воды. Также устанавливают системы прекращения подачи топлива при случайном гашении пламени.

Камерные или шахтные топки котлов оборудуют взрыворазрядными клапанами. Котлы устанавливают в специальных помещениях с несгораемыми стенами. В ограждающих конструкциях этих помещений устраивают легкосбрасываемые конструкции, позволяющие сбросить избыточное давление взрыва в помещении (разрушающееся оконное остекление; открывающиеся наружу клапаны, двери; вскрывающиеся участки покрытия).

Обучение персонала. Проверка знаний через 12 месяцев.

Газовые баллоны

Причины взрывов:

- чрезмерное наполнение баллона газом. Нагрев, расширение жидкости, разрыв стенок. Наполнение не более 90 %.

- перегрев (размягчение стенок) или переохлаждение (снижение прочности и хрупкое разрушение) стенок баллона

- попадание масел и жировых веществ в баллоны с кислородом – взрывоопасная смесь

- коррозия и ржавчина внутри баллонов: снижение прочности и частицы ржавчины, увлекаемые потоком, могут вызвать искру

- удары по стенкам при транспортировке, падении

- неправильное наполнение: например, наполнение водородных баллонов кислородом приводит к образованию взрывоопасных смесей

Чтобы не путать – разный цвет

Наименование газа	Окраска баллона	Текст надписи	Цвет надписи
Ацетилен	Белая	Ацетилен	Красный
Кислород	Голубая	Кислород	черный
Углекислота	Черная	Углекислота	Желтый
Воздух	Черная	Сжатый воздух	Белый
Все другие горючие газы	Красная	Наименование газа	Белый

Освидетельствование баллонов: через 5 лет (для газов, вызывающих коррозию – 2 года). Проверяют вес: потеря массы на 20% (или увеличении объема на 3%) – бракуется.

Гидравлические испытания – давление в 1.5 больше рабочего. Накачивают воду, выдерживают 1 мин.

Для предотвращения проникновения других газов или жидкостей в баллон и для определения газа, наполнявшегося в баллон, все баллоны должны поступать на газоналивную станцию с остаточным давлением.

Баллоны снабжаются редукторами для снижения давления до рабочего.

Не допускать механических повреждений:

При хранении не допускать попадания солнечных лучей; в метре от отопительных приборов.

Компрессорные установки

(центробежные, ротационные, поршневые) – интенсивно работающие машины.

При сжатии газов в компрессорной установке температура повышается до величины, где Т₁ и Т₂ – абсолютная температура газа до и после сжатия, К; р₁ и р₂ – давление газа до и после сжатия, Па; m – показатель. Например, сжатие от 0 до 10 атм., температура повышается от 20 до 300^о С.

Повышение температуры приводит к перегреву стенок компрессора, разложению смазочных масел, разрушение, взрыв.

Причина взрыва также:

- превышение допустимого давления

- неисправность приборов безопасности,

- засасывание в компрессор взрывопожароопасных газов и пыли

Меры безопасности:

- применение термостойких масел (температура вспышки 200-240^о С, температура самовоспламенения - 400^о С. В любом случае на 70^о ниже компремируемых газов.

- применение бесперебойного и интенсивного охлаждения (воздушное или жидкостное),

- применение автоматического отключения при перегреве

- очистка засасываемого воздуха от механических примесей

- защитная аппаратура (манометры, предохранительные клапаны, и т.д.)

- защитное заземление для снятия статического электричества

- компрессоры с подачей 20 м³/мин и выше устанавливают в отдельных помещениях

- воздухосборники (ресиверы) устанавливают вне зданий

Обслуживание – специально обученный персонал

"Правила устройства и безопасной эксплуатации стационарных компрессорных установок, воздуховодов и газопроводов"

"Правила" распространяются на стационарные поршневые и ротационные компрессорные установки мощностью от 14 кВт, воздуховоды и газопроводы (на инертных газах) с давлением от 2 до 400 кгс/см².

Общие требования

2-1. В помещениях компрессорных установок не допускается размещать аппаратуру и оборудование, технологически не связанное с компрессорами

2-2. Размещение компрессоров в помещении не допускается, если в смежном расположены взрывоопасное и химическое производство, вызывающее коррозию и вредно воздействующее на организм.

2-3. Отдельные компрессорные установки производительностью до 10 м³/мин с давлением воздуха до 8 кгс/см² с особого разрешения Госгортехнадзора могут устанавливаться на нижних этажах производственных зданий при наличии достаточной расчетной прочности перекрытий, обеспечивающих невозможность их разрушения в случае аварии. От других помещений эти установки должны отделяться глухими несгораемыми стенами

2-5. Полы – маслоустойчивые, из несгораемого материала.

2-7. Двери и окна помещений должны открываться наружу.

Установка компрессоров

2-14. Меры по уменьшению вибрации:

а) разделение фундаментов

б) трубопроводы не должны иметь жесткого крепления к зданию

г) трубопроводы, соединяющие цилиндры компрессоров с оборудованием (буферные емкости, промежуточные холодильники) должны иметь достаточную гибкость, компенсирующую деформации.

2-19. корпуса компрессоров, холодильников и влагомаслоотделителей должны быть заземлены.

Автоклавы

Характерные аварии:

- отрыв запирающих крышек

- впуск пара в автоклав при открытых крышках

- взрыв автоклава при превышении критического давления

Автоклавы оборудуются:

- манометры и предохранительные клапаны

- система блокировки, исключающая впуск пара при неплотно закрытой крышке

- блокировка открывания крышки при наличии давления

Пуск в эксплуатацию котлов и сосудов, работающих под давлением, осуществляется после регистрации в Технологическом надзоре России.

Зарегистрированные - подвергаются освидетельствованию и испытаниям. Внутренний осмотр и гидравлические испытания (только не газовые, т.к. неудачные испытания приводят к взрыву): 1.5 рабочего давления в течение 5 минут.

Немного теории:

Уравнения состояния газа: ,

где: p – давление газа, V – объем сосуда, m – масса газа, M – молярная масса газа, R – универсальная газовая постоянная R = k N_a , где k – постоянная Больцмана (1.38 10^-23), N_a – постоянная Авогадро (6.02 10²³). R = 8.31 Дж/(моль К).

Уравнение Клайперона – Менделеева:

Закон Бойля-Мариотта: при (изотермический процесс)

Закон Гей-Люссака: при (изобарный процесс)

Закон Шарля: при (изохорный процесс)

Адиабатический процесс (нет потерь энергии и газ при сжатии нагревается). Уравнение состояния имеет вид: , где γ = 5/3 для одноатомных газов.