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.