Реферат: Причины нарушения герметичности емкостей с сжиженным газом введение 1 цель главы

ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЕМКОСТЕЙ

С СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ


6.1. ВВЕДЕНИЕ

6.1.1. ЦЕЛЬ ГЛАВЫ

Цель настоящей главы - краткий обзор некоторых общих случаев отказов систем под давлением, включая емкости с сжиженными газами, находящимися под давлением.

Такой выбор обусловливается тем, что сжиженные газы являются главной компонентой опасностей на химических производствах. Системы под давлением включают в себя емкости под давлением, на которые обычно приходится большая часть системы, а также трубопроводы, клапаны, насосы и компрессоры, приборы и другие части. На рис. 6.1 показан диапазон давлений, характерный для химической и нефтехимической промышленности. Необходимо пояснить, почему в данной главе не рассматриваются более высокие значения давлений, чем показанные на рис. 6.1, хотя на первый взгляд они представляют большую опасность. Дело в том, что системы, которые работают при высоких давлениях, содержат значительно меньшее количество легковоспламеняющихся или токсичных веществ, чем системы, содержащие сжиженные газы. Частично это объясняется невозможностью сооружения емкостей диаметром в несколько метров, способных выдерживать необходимое давление. Разрыв емкостей под давлением может вызвать ряд серьезных последствий, которые, однако, могут быть быстро локализованы. Как отмечено в гл. 5 (см. табл. 5.1), критические давления многих углеводородов имеют порядок 4 МПа, и из-за ряда причин, обсуждаемых в гл. 5, эти вещества хранятся как сжиженные газы при давлениях порядка 1 МПа. Это относится также к хлору и аммиаку.

Разрушение оболочки систем, предназначенных для работы при давлениях порядка 1-2 МПа, послужило в прошлом причиной ряда серьезных катастроф, включая аварии в городах Людвигсхафен, Фликсборо, Сан-Карлос. В связи с этим особое внимание в главе обращено на причины аварий емкостей под давлением и систем, работающих под давлением порядка 1-2 МПа.


^ 6.1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕМКОСТЕЙ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

В работе [Nichols,1969] дано следующее определение: емкость под давлением - это "емкость, которая предназначена для хранения жидкости под давлением, большим чем атмосферное, которая проектируется и строится согласно требованиям, предъявляемым к емкостям под высоким давлением [BS,1982]".

Имеется обширная литература (обзоры, книги, статьи) по проектированию, изготовлению, проверке, контролю и эксплуатации емкостей под высоким давлением. Можно упомянуть обзоры [Perry,1973; HPTA.1975] и книги [Harvey, 1974; Bednar,1981; Chuse,1977]. Книга [Thielsch,1965] особенно важна для этой главы, так как посвящена дефектам и отказам.






Рис. 6.1. Диапазон давлений, используемый в химической промышленности.


Основной источник материалов по требованиям к емкостям, находящимся под давлением, - издание Американского общества инженеров-механиков (ASME) "The Journal of High Pressure Technology" (JHPT). Британские публикации включают работу [Nichols,1969], содержащую полезный глоссарий терминов.

Диапазон давлений, указанный в разд. 6.1.1, ограничивает предмет рассмотрения данной главы тонкостенными сосудами, у которых по определению [НРТАД975] отношение внешнего диаметра к внутреннему К>1, 2 . На рис. 6.2 представлена схема емкости под высоким давлением, которая может считаться типичной емкостью в соответствии с данным определением. Фактически это транспортная емкость с типичными размерами.


^ 6.1.3. КРАТКИЙ ОБЗОР МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЙ

Нарушение целостности емкости под давлением происходит через образование и развитие трещины. Это общеизвестно, однако некоторые материалы разрушаются по механизму хрупкого разрушения, наилучшим примером которого служит стекло или чугун. Другие материалы деформируются пластично, как, например, перегретая банка с консервированными бобами. В случае хрупких материалов образуются множественные осколки различного размера. При пластичном разрыве крупных осколков относительно немного (иногда может быть только один обломок, сильно деформированный относительно первоначальной формы и имеющий пробоины).





Рис. 6.2. Схематическое изображение емкости под давлением.


В одних материалах трещина, однажды достигнув критической длины, продолжает развиваться и ветвиться при условии, что материал остается под нагрузкой, превышающей определенное критическое значение. Развитие трещины облегчается или осложняется в зависимости от пластичности материала. Данный вопрос был впервые исследован в статье [Inglis,1913] и получил развитие в работе [Griffith,1921]. Общий обзор вопроса дан в книге [Gordon,1968] и в работе [Marshall,1975a].

Согласно теории разрушения, при приложении нагрузки к объекту напряжение в нем распределяется неравномерно, и в районе определенных точек, называемых "концентраторами напряжения", оно может быть в 2-100 раз больше среднего значения. Концентраторами напряжения служат острые углы, царапины и трещины.

Искусство проектирования емкостей под высоким давлением включает в себя не только конструирование прочных тонких стенок, способных противостоять давлению, но и умение избежать внутренних напряжений, "концентраторов напряжения", или, если это невозможно, умение обеспечить достаточный запас прочности. Проектирование также включает выбор подходящих конструкционных материалов, которые в рабочих условиях (при небольших отклонениях параметров) жестко противостоят воздействиям нагрузок. Кроме того, проектирование должно принимать в расчет такие явления, как ползучесть, усталость материала и коррозию, ослабляющие прочность емкостей.


^ 6.1.4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ КРИТЕРИИ

Как указано выше, емкости под давлением классифицируются на "тонкостенные" и "толстостенные". Для первых



Для вторых

К1,2


(Некоторые нормативные документы, такие, как [BS.1982], в качестве критического значения принимают К1,3.)

Стандарт Американского общества инженеров-механиков является общепринятым (целиком или частично) в большинстве штатов США и целиком - в Канаде. Стандарт [BS.1982] не имеет столь официального статуса. Как было отмечено, в данной главе обсуждаются только тонкостенные емкости (для емкости, схема которой приведена на рис. 6.2, значение К = 2,316/2,300 = 1,007).


^ 6.2. РИСК ОТКАЗА ЕМКОСТИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

6.2.1. ТОЧКА ЗРЕНИЯ КОМИТЕТА СОВЕТНИКОВ ПО ОСНОВНЫМ

ОПАСНОСТЯМ (АСМН)

Согласно [АСМН, 1979], для емкостей под давлением можно принять, что они не разрушаются, - "если выдерживают определенную степень нагрузки и правильно спроектированы, изготовлены и регулярно проверяются; при тех же жестких условиях это положение принимается для труб, имеющих большой диаметр и ограниченную длину" (параграф 147).

Далее там же декларируется следующее положение: "отказ в подводящих к емкости трубопроводах может происходить в трубе с наибольшим диаметром (или в нескольких трубах, суммарный диаметр которых не меньше наибольшего)". Последующие параграфы характеризуют поведение содержимого емкости.

В рамках дальнейшего обсуждения оценка комитета представляется весьма спорной, так как ряд аварий был вызван отказом стационарных емкостей под давлением, хотя перечисленные требования соблюдались, а еще большее число аварий произошло с емкостями для перевозки.

Однако, прежде чем принять во внимание возможные типы аварий, следует попытаться провести некоторую оценку частот, с которой такие события происходят. Всеобъемлющей статистики по авариям в системах с избыточным давлением нет. Несмотря на это, статистический анализ, основанный на той части данных, которая доступна, дает возможность оценить вероятность отказа емкости под давлением. Такой анализ приведен в работе Смита и Уорика [Smith,1981].


^ 6.2.2. АНАЛИЗ СМИТА И УОРИКА

Анализ был выполнен по заказу Управления по атомной энергии (UKAEA) первоначально для формирования представления о вероятности аварий емкостей под давлением в атомной промышленности. Анализ был проведен совместными усилиями Директората по безопасности и надежности (SRD) и Объединенного управления технических комитетов по страхованию промышленности Великобритании. Это четвертый представленный отчет из серии, включающий дополненные и измененные данные по авариям емкостей под давлением в Великобритании за период 1962 - 1978 гг. Приведено сравнение с данными по США и ФРГ.

Авторы рассматривали два класса отказов: а) потенциальные, т. е. обнаруженные в результате проверочного осмотра, и б) реальные, т. е. вызвавшие аварии. Всего было изучено около 20 тыс. емкостей с суммарной длительностью наблюдения более чем 300 тыс. лет. Эти емкости имеют следующие характеристики: а) построены по первому классу требований, установленных проектировочными нормами; б) огнеупорные (это означает, что отказы компонент емкостей под действием пламени не происходят, кроме внешних оболочек); в) толщина стенок более 9,5 мм; г) сварные или клепаные; д) рабочее давление превышает 0,7 МПа; е) срок эксплуатации менее 40 лет. Общее заключение приводится ниже.

Изучено 216 потенциальных и 13 реальных отказов, приведших к аварии за суммарный период наблюдений в 310 тыс. лет. Получены следующие значения частот событий: 6,9 ∙ 10-4 потенциальных отказов в год и 4,2 ∙10-5 реальных отказов (аварий) в год. Результаты статистического анализа с 99%-ной вероятностью дают для верхних значений частот следующие значения: для потенциальных отказов - 8,0 ∙ 10-4 и для реальных отказов - 8,3 ∙10-5 отказов в год. Из 216 потенциальных отказов 94% были вызваны трещинами. В табл. 6.1, заимствованной из работы [Bush,1975], приведена полученная автором статистика причин образования трещин. Можно заметить, что многие авторы рассматривают в основном первые годы эксплуатации емкости, поскольку именно в этот период наиболее вероятно возникновение отказа.
^ ТАБЛИЦА 6.1. Причины образования трещин в емкостях под давлением



Причина

Число случаев

%
^ Дефекты, обнаруженные при осмотре
Не обнаруженные дефекты

Усталостные явления

Коррозия

Другие причины, включая ползучесть

63

61

52

30

10

29

28

24

14

5
Итого
216

100


Аналогичный вывод делается в работе [Bush,1975]. На рис. 6.3 изображена диаграмма этих зависимостей, показывающая вероятность разрушения в период, следующий за периодом, который уже "прожит". Такая кривая называется графиком интенсивности отказов.


^ 6.2.3. АНАЛИЗ БУША

Буш [Bush,1975] сначала проводит сравнение данных по США с данными по Великобритании и ФРГ. Эта статья перекликается с более ранней работой, цитируемой в разд. 6.2.2, т. е. работой [Smith,1974]. Автор статьи привлекает внимание к трудностям создания надежной базы статистических данных по США, сравнивая ситуацию с той, которая создалась в ФРГ, где принята система обязательного сбора данных и где, несмотря на меньшие объемы промышленного производства, имеется больше разнообразных данных. В ФРГ в 1972 г. имелись данные по поведению 470 тыс. емкостей, суммарное время эксплуатации - 4,3 ∙ 106 резервуаро-лет. Данные по США в первую очередь касаются котлов на устаревших теплоэлектростанциях. Из всего множества аварий на электростанциях ни разу не происходили аварии с паровыми котлами, построенными согласно правилам Американского общества инженеров-механиков. Отмечается, что для емкостей с СНГ в США за 1973 г. статистика такова:





Отказов

Смертей

Пострадавших

Для осматриваемых емкостей

Для неосматриваемых емкостей

1

3

0

12

3

106






Рис. 6.3. Кривая надежности емкостей под давлением.


Буш рассматривал возможность экстраполяции большого числа потенциальных отказов для получения более представительной статистики реальных отказов, однако сделал вывод о наличии серьезных сложностей в данном вопросе.

Он обращает внимание на работу [Kellerman,1968], в которой утверждается, что в течение всего срока эксплуатации из множества в 3 • 105 емкостей под давлением только 75% случаев отказов доступно для проверки.

В заключение Буш утверждает следующее:

1) С 99%-ной вероятностью можно говорить о том, что верхняя граница
частоты серьезных отказов паровых котлов, построенных в соответствии с
нормативами Американского общества инженеров-механиков, составляет 1 • 105
лет.

2) Для емкостей под давлением в ФРГ эта величина еще меньше.

3) Дефекты сварки являются основной причиной аварий емкостей.

Заметим, что значения вероятностей в позициях 1 и 2 на порядок больше тех, которые определены для Великобритании Смитом и Уориком.


^ 6.3. ВИДЫ ОТКАЗОВ

6.3.1. ОПЕРАЦИИ С ЕМКОСТЯМИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА

ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТЬ ЕМКОСТЕЙ

Изготовление и последующая эксплуатация емкостей под давлением в химической и нефтеперерабатывающей промышленности сопряжены с различными видами производственной деятельности: механикой, машиностроением, химической технологией. Частично сюда включается металлургия, а также и другие области деятельности. Это иллюстрирует табл. 6.2.
^ ТАБЛИЦА 6.2. Этапы изготовления и эксплуатации емкостей под давлением
Операции

Область деятельности

Механика

Химическая

технология

Металлургия

Составление спецификаций




+




Выбор материалов

+

+

+

Проектирование

+







Изготовление

+







Инспекция

+







Ввод в эксплуатацию

+

+




Эксплуатация




+




Периодический контроль

+




+

Техническое обслуживание

+




+

Реконструкция

+

+

+


Ошибка человека в любой из приведенных в таблице операций (под операцией понимается этап жизненного цикла в той или иной области деятельности), а каждая из них важна, может привести к аварии емкостей. Отказ емкости может быть "потенциальным", т. е. осмотр может указать на возможность выхода емкости из строя, если не будут приняты соответствующие меры. Отказ емкости может быть "катастрофическим", т. е. неожиданным, аварией "без предупреждения". Существуют, конечно, промежуточные стадии: от течи через крошечное отверстие до крупной аварии. Мы не собираемся вдаваться во всестороннее обсуждение всех приведенных в табл. 6.2 операций. Вместо этого мы обсудим некоторые аспекты, наиболее интересные для химической технологии с точки зрения их возможного влияния на отказы емкостей.

Привлекает внимание та роль, которую играют люди на различных стадиях. Например, хотя проектирование и техническое обслуживание отмечены в табл. 6.2 в графе "механика", в общем случае проектировщики емкостей - это не те же самые люди, которые отвечают за их техническое обслуживание. В связи с этим следует заметить, что табл. 6.2 содержит десять этапов, тогда как в работе [Hutchings,1978] при рассмотрении отказов в химической промышленности названы только шесть. Хатчингс не рассматривает "спецификации"* отдельно от "проектирования", хотя, как будет видно из дальнейшего, есть серьезные различия между этими двумя этапами. Хатчингс также объединяет "проверку" с "вводом в эксплуатацию" и упускает из рассмотрения "периодический контроль" и "реконструкцию". Эти десять этапов по порядку рассмотрены ниже.


^ 6.3.2. СОСТАВЛЕНИЕ СПЕЦИФИКАЦИЙ

Спецификация емкости под давлением состоит из чертежа емкости, описания последовательности операций при изготовлении и описания самой емкости. Взятый в отдельности, чертеж не дает адекватного представления о емкости. В химической и нефтехимической промышленности спецификация емкостей берется из технологической схемы. Поэтому спецификация составляется проектировщиком, который, как правило, является химиком-технологом. Проектирование емкости, описанное в следующем подразделе, обычно выполняется инженером-механиком. Спецификация включает следующие параметры: 1) Общий внутренний объем. 2) Объемные и весовые характеристики содержимого. 3) Описание содержимого, включая возможные примеси в различных фазовых состояниях (жидкость или газ). 4) Рабочее давление. 5) Ориентировочные размеры и геометрия. 6) Ориентация (вертикальная или горизонтальная). 7) Диапазон температур при нормальной работе и при аварии. 8) Местоположение (в помещении или вне его). 9) Наличие термоизоляции.

Размеры и местонахождение трубопроводов, связанных с емкостью.

Оборудование, включая систему аварийного сброса давления, КИП,
дренчерную систему и т. д.

Во многих случаях емкость под давлением употребляется не как резервуар для хранения, а как аппарат; например, это может быть ректификационная колонна, паровой котел, теплообменник или реактор, а также другие внутренние части, спецификации на которые даются отдельно.


^ 6.3.3. ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для большинства емкостей под давлением, работающих при повышенных температурах, используется углеродистая сталь различных марок, а в случае низких температур - сталь наряду с медью, бронзой и алюминием. При использовании углеродистой стали для работы с сжиженными газами температура фазового перехода стали имеет существенное значение (см. ниже).


^ 6.3.4. ТЕМПЕРАТУРА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА СТАЛИ

Важно сделать все необходимое для того, чтобы предотвратить возможное разрушение по хрупкому механизму, так как такое разрушение в отличие от пластичного происходит неожиданно, резко. Однако, как отмечено в работе Тилша [Thielsch,1965], стали, пластичные при нормальных условиях, при низких температурах иногда оказываются хрупкими. Согласно Тилшу, большинство случаев разрушений сталей по хрупкому механизму происходит на кораблях и мостах; из 3000 кораблей, построенных в США в годы второй мировой войны, у 1200 были крупные повреждения корпуса, 250 из которых представляли серьезную опасность для целостности емкостей на судах; в двадцати случаях имел место распад емкости на две части.

Некоторые емкости под давлением разрушались по хрупкому механизму, в других случаях отмечались разрушения трубопроводов. Разрушения, названные Тилшем "ударной хрупкостью", происходят в хрупких материалах, которые имеют трещины, царапины, зарубки. Такое разрушение может произойти из-за наличия дефекта сварки при приложении нагрузки ниже предела текучести. Тилш приводит девять конкретных случаев хрупкого разрушения емкостей в химической и нефтехимической промышленности. Температуру фазового перехода он определяет следующим образом: "Температура фазового перехода стали - это температура, выше которой сталь ведет себя как преимущественно пластичный материал, а ниже которой - как преимущественно хрупкий материал". Как отмечено тем же автором, температуру фазового перехода сталей трудно точно определить и различные методы ее определения дают разные результаты. Данный вывод отражен в табл. 6.3, в которой автором настоящей книги сделан перевод значений Тилша в единицы СИ.

Поведение конструкционных материалов, как металлических, так и неметаллических, детально обсуждается в книге [Wigley,1978] и в описании теста Шарли на ударное образование трещин, приведенном в [BS.1972]. Тест Шарли указывается также в обычных работах по сопротивлению материалов, например [Clark.1953]. Численные значения, получаемые по тесту Шарпи, очень близки к получаемым по методу Изода, описанному в той же работе.

В качестве иллюстрации поведения сталей при низких температурах, можно привести следующий пример. Самая низкая температура воздуха в Великобритании порядка -18 °С. Однако утечка жидкого пропана из емкости, изготовленной из мягкой стали, уже при обычной температуре может местами охлаждать стенки емкости до -40 °С, что ниже температуры фазового перехода для мягких сталей. Рисунок 6.4 иллюстрирует зависимость ударной вязкости от температуры для конструкционной стали.

Из вышесказанного очевидно, что мягкая сталь - совершенно непригодный материал для хранения криогенных жидкостей. Так, баки морского танкера "Methane Pioneer", который перевозит СПГ при температурах порядка -160 °С, выполнены из алюминия. Это, однако, не емкости под давлением, о которых говорилось выше. Разлитие СПГ на поверхности из мягкой стали, на палубе или по корпусу корабля приводит к разрыву емкости на танкере, поскольку переохлажденные стальные конструкции ведут себя как хрупкое стекло.

Один из моментов реализации опасности - загрузка или перезагрузка емкости под давлением, предназначенной для хранения сжиженных газов. При вводе жидкость испаряется, что приводит к понижению температуры нижней части емкости до температуры кипения жидкости при атмосферном давлении. Ситуация становится еще более опасной, если перед заполнением емкости из нее удаляется воздух. В этом случае низкие температуры достигаются еще до испарения жидкости. Методы загрузки, в которых емкость сначала заполняется парами загружаемой жидкости или продувается азотом, позволяют избежать этих опасностей.


^ ТАБЛИЦА 6.3. Нижний предел температуры перехода от пластичности к хрупкости для различных конструкционных материалов



Нижний предел

температуры, С

Материал и его

код по ASTM

Комментарий

-18

Мягкая сталь

А53, А120

Для специальных

применений не пригодна

-23

Мягкая сталь А53,

А106, А135

Тест Шарпи >20 Дж

-45

Раскисленная

углеродистая сталь

Тоже

-100

Сталь с 3,5%-ным

содержанием Ni

''

-195

Сталь с 9%-ным

содер­жанием Ni (A353)

''

-250

Аустенитная

нержа­веющая сталь

Ненормальная зависимость

ударной вязкости

Без ограничений

Медь, латунь,

алюминий

то же







Рис. 6.4. Зависимость ударной хрупкости конструкционной стали от температуры.


^ 6.3.5. ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ

В некоторых случаях изготавливают многослойные стенки. Реактор синтеза капролактама компании Nypro Works в Фликсборо, который работал при температурах выше окружающей среды примерно на 130°С, имел составную конструкцию и был сделан из листов 12-ти миллиметровой мягкой стали с внутренним покрытием из листов нержавеющей стали толщиной 3 мм [Flixborough,1975]. Целью такой комбинации было сочетание дорогой коррозионно-устойчивой нержавеющей стали с существенно более дешевой мягкой сталью.

Отказ реактора №5 на этом производстве будет обсуждаться в гл.9 и 13. Некоторые специальные вопросы сообщающихся емкостей рассматриваются в [IChemE,1978].

В качестве материала для емкостей под давлением применяется также алюминий, который не разрушается по хрупкому механизму разрушения. Нужно отметить, что алюминий несовместим с ртутью: контакт даже с малыми ее количествами, применяемыми в различных приборах, может совершенно разрушить алюминиевую емкость. Широко используются для изготовления емкостей легированные или нержавеющие стали, так как они способны противостоять коррозионным условиям значительно лучше, чем углеродистые стали. Проблемы, связанные с применением нержавеющих и других легированных сталей, рассматриваются в [IChemE,1978]. В частности, обсуждается "цинкоподобная хрупкость" нагруженной аустенитной стали при высоких температурах. Эта проблема возникла во Фликсборо, но еще за несколько лет до этой аварии данный вопрос рассматривался в литературе [IChemE,1978].


^ 6.3.6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С НЕКОТОРЫМИ

ВЕЩЕСТВАМИ

Хлор, если он используется в стальных конструкциях, должен быть сухим. Попадание воды (например, остатки воды после гидравлической проверки емкости) приводит к коррозии при работе с данной емкостью. Нашатырный спирт (гидроксид аммония) в контакте с определенными сталями вызывает хрупкость последних [CIA,1975].


6.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Емкости под давлением проектируются согласно спецификациям, и какие-либо отступления от них приводят к ошибкам проектирования, которые могут вызвать при определенных обстоятельствах отказ емкости. В Великобритании емкости под давлением должны проектироваться, вообще говоря, согласно [BS.1982]. Несоблюдение стандарта может привести к аварии емкости.

Как отмечено выше, невозможно дать полный обзор всех областей деятельности и нет необходимости в детальном рассмотрении всех этапов проектирования емкости под давлением. Наше общее обозрение будет касаться взаимозависимостей между спецификациями, выбором материалов и стадией проектирования. Операции на первой стадии должны происходить в заданном порядке, но во многих случаях деятельность может носить итеративный характер, т. е. стадии проектирования и выработки спецификаций могут чередоваться. Проектировщик может сделать вывод о том, что проект не удовлетворителен и его можно улучшить, если изменить спецификации, например, устройств эстакады для трубопроводов. Проектирование обычно должно учитывать необходимость внутреннего осмотра, особенно когда эти осмотры не выходят за рамки технологической схемы. Это, в частности, может быть причиной изменения спецификации.


6.5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ

Как и в случае проектирования, здесь возможно лишь краткое упоминание об этой очень специфической области. Стандарт [BS.1982] содержит руководство по изготовлению емкостей в разд. 4 (сталь) и разд. 4а (алюминий), включая такие вопросы, как обращение с раскаленной сталью при закаливании. Этот стандарт предписывает, чтобы изготовление емкостей находилось под непрерывным контролем со стороны инспекционных органов. Каждый из инспекторов является страховым агентом, или же инспекторы назначаются компанией-производителем, имеющей сертификат Бюро по страхованию сосудов под давлением (функционирует под эгидой Британского института инженеров-механиков).

6.6. ИНСПЕКЦИЯ

Стандарт [BS.1982] в разд. 5 указывает методы проверки емкостей под давлением. Они включают неразрушающий контроль, методы которого описаны в книге Берчона [Birchon,1975]; к ним относятся такие методы, как радиография и ультразвуковой контроль. Радиографический контроль весьма эффективен при определении объемных дефектов, т. е. каверн, образованных при сварке. Ультразвук, напротив, более эффективен для контроля трещин. Дефекты поверхности могут быть определены с помощью магнитного порошка или нанесения краски. По состоянию на 1975 г. Берчон приводит 12 методов диагностики.

Некоторые формы испытания на давление являются обязательными; Стандарт > [BS.1982] рекомендует гидравлическое испытание как альтернативу пневматическому, хотя последнее разрешено в тех случаях, когда при определенных условиях гидравлическое испытание невозможно. Для режима средних давлений, обсуждаемых в данной главе, это не вызывает возражений, поскольку гидравлическое испытание надежнее обеспечивает нагрузку в малом объеме, чем пневматическое.

Вопрос об испытаниях на давление обсуждался на материале статистики аварий в [LPB.1979], где отмечено, что для давлений, меньших 20 бар (диапазон, о котором идет речь в данной главе), упругая энергия воды на 3 порядка меньше, чем воздуха, при том же давлении.

В табл. 6.4 приведены значения отношения Wa /Ww, где Wa - работа воздуха на разрушение и Ww - работа воды на разрушение. Выше не была принята в расчет нагрузка, действующая на стенки емкости.

^ ТАБЛИЦА 6.4. Отношение работ разрушения при различных давлениях
Давление, бар

Wa/Ww,103




Давление, бар

Wa/Ww,103

2,4

0,6




26

2,25

5,8

6,4




67

1

13,6

4




135

0,55

19

2,8




400

0,2


Вода, как отмечено в упомянутой работе, более опасна при повышенных давлениях. В любом методе испытания на давление возможны разрушение и образование опасного разлета. Во избежание разрушения по хрупкому механизму рекомендуется проводить испытания при температурах выше 7 °С.

Стандарт [FBS,19821] устанавливает тестовое давление следующим

образом:



где Pt - тестовое давление; Р - проектное давление; fa - номинальная проектная нагрузка при температуре испытания; f b - номинальная проектная нагрузка при проектной температуре; t - номинальная толщина стенки; с - допуск на коррозию. Тест на давление следует проводить в течение 30 мин.

Для гидравлического испытания предпочтительнее вода в силу ее малой сжимаемости, правда, вода создает и трудности; в тех случаях, когда незначительные следы воды могут служить причиной коррозии, следует использовать другие жидкости, даже если их сжимаемость выше. Стандарт предупреждает об опасности при испытании емкостей из аустенитной нержавеющей стали, если вода содержит хлориды. Насколько известно автору, применение морской воды для гидравлического испытания, как это было недавно в Персидском заливе, приводит к аварии емкости из нержавеющей стали вследствие микробиологической коррозии.

Емкость, подвергаемая гидравлическому испытанию, должна быть открытой в течение начального заполнения, что гарантирует отсутствие воздушной подушки.

^ 6.7. ВВОД В ЭКСПЛУАТАЦИЮ

Процедура приема в эксплуатацию (запуска) для химических и нефтехимических производств не описана в монографиях. Однако в литературе имеется большое число статей, таких, как [Gans,1976; Whiston,1977; IChemE,1974], статья "Ввод в эксплуатацию" в [LPB.1977]. В статьях обсуждаются общие принципы того, как организовать ввод в эксплуатацию, включая опасности, связанные с этой операцией. Нам не удалось найти ни одной работы, посвященной специфике ввода в эксплуатацию систем под давлением. Хотя статья [Whiston,1977] посвящена процедуре ввода в эксплуатацию завода по производству этилена, она не рассматривает ряда частных проблем, касающихся систем под давлением.

Начальный этап обычно связан с передачей предприятия от подрядчика к заказчику, в ходе которой поставщик демонстрирует методы ввода: эксплуатацию установок предприятия. Этот этап, как правило, включав активные операции под управлением инженеров подрядчика, которые обычно остаются на площадке до тех пор, пока не завершатся приемо-сдаточные испытания.

Считается, что для химического предприятия вероятность отказа в период ввода в эксплуатацию выше, чем во время основного процесса и во врем: загрузок; причем момент начального пуска даже более "рискован". Эти проблемы "зубная боль" технологии, хорошо известны. Их можно обычно уменьшить проявляя повышенное внимание перед вводом в эксплуатацию, когда весь завод должен быть очищен от строительного мусора, ржавчины, пыли. Затем следует провести проверку на герметичность всех закрытых емкостей. Кроме того требуется механическая проверка опор, креплений и монтажа. Ни в коем случае не следует производить ввод в эксплуатацию без изучения инструкции, которой производитель снабжает установку. По нашему мнению, аспекты безопасности должны освещаться в разделах, посвященных этой проблеме. На одно обстоятельство следует обратить особое внимание: осуществление пуска иногда вызывает необходимость проведения модификаций и различных изменений Такие изменения, как правило, противоречат исходным спецификациям и не должны проводиться без тщательной оценки возможных последствий (см разд. 6.11).

6.8. ЭКСПЛУАТАЦИЯ

^ 6.8.1. ВЕРОЯТНОСТЬ ОТКАЗА ЕМКОСТИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ

На первый взгляд может показаться, что если емкость правильно специфицирована, спроектирована, построена и испытана, то она не должна отказывать в эксплуатации. Это положение, однако, представляется спорным. Когда материалы используются в десятках приложений, можно с легкостью найти новые применения, равно как и массу возможностей для эксплуатационных неполадок.

^ 6.8.2. ПОПАДАНИЕ ПОСТОРОННИХ ВЕЩЕСТВ

Приведем пример эксплуатационного отказа при введении постороннего вещества в систему, для которой и вода, и воздух одинаково вредны. Попадание воды в емкость, содержащую метилизоцианат, стало виновником катастрофы 3 декабря 1984 г. в Бхопале (Индия). Вода также может внезапно понижать точку кипения в дистилляционных системах с последующим резким подъемом давления. Воздух может образовать взрывчатую смесь с содержимым емкости. Возможны и другие процессы. Например, известно, что серьезная авария 24 декабря 1939 г. в Зарнешти (Румыния) была вызвана попаданием водорода в емкость с хлором.

6.8.3. КОРРОЗИЯ

Коррозия - широко распространенное явление. Она может быть как внутренней, так и внешней. Доступ воздуха или воды к содержимому или наличие примесей в содержащейся жидкости может усилить коррозию. Вопрос о коррозии емкостей под давлением рассмотрен в работе [Hutchings,1978].

^ 6.8.4. УДАР ПЛАМЕНИ

Поскольку практически проектирование ориентировано на низкие температуры окружающей среды, для емкостей под давлением, нагреваемых непрямым пламенем, сопротивление удару пламени (flame impingement) обусловлено лишь внутренней прочностью стенок. Однако если емкости под давлением нагреваются прямым пламенем (например, паровой котел), поддержание температуры стенок труб вблизи температуры кипения жидкости достигается путем охлаждения за счет высокого коэффициента теплопередачи, который имеет кипящая жидкость.

Когда при возникновении или развитии аварии пламя ударяет в стену емкости под давлением, в которой находится газ или жидкость, температура стенки вполне может достигать 700 - 800 °С. Как можно видеть из рис. 6.5, при таких температурах сталь разупрочняется и возможно ее разрушение, проявляющееся в "лепестковом" разрыве емкости.





Рис. 6.5. Прочность стали в зависимости от температуры.


Это явление получило название "взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости". Подробнее этот вопрос обсуждается в гл. 9 при разборе аварии 4 декабря 1966 г. в Фейзене (Франция). Учет опасностей разрушения вследствие удара пламени относится к этапу проектирования вспомогательного оборудования емкостей под давлением (системы пожаротушения, дренчерные системы).


^ 6.8.5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАЗРЫВ

Возможным отказом при эксплуатации может быть гидравлический разрыв. Суть этого явления, как известно, заключается в том, что термическое расширение жидкости может привести к появлению больших давлений. Поскольку емкости под давлением сегодня оборудуются предохранительными клапанами, может показаться, что избыточное давление сбрасывается и не может служить причиной разрушения емкости. Однако транспортные средства не всегда оснащаются таким оборудованием. В табл. 6.S в общих чертах перечислены обстоятельства, при которых может происходить гидравлический разрыв. На этот феномен ссылаются как на инициирующее событие по меньшей мере в двух случаях: в аварии 28 июля 1948 г. в Людвигсхафене (Германия) и в аварии 11 июля 1978г. в Сан-Карлосе (Испания). В первой из них разорвалась железнодорожная цистерна, во второй - автомобильная цистерна; ни одна из них не была оборудована предохранительным клапаном. Разбор этих аварий дан в гл. 9. Гидравлический разрыв гораздо чаще встречается в трубопроводах, чем в емкостях. Это хорошо известно в хлорной промышленности; например, Ассоциация химической промышленности [С1А,1975а] привлекает внимание к тем мерам предосторожности, которые необходимы для избежания таких случаев.


^ 6.8.6. РАЗРЫВЫ РЕАКТОРОВ ПРИ ПРОТЕКАНИИ

НЕКОНТРОЛИРУЕМЫХ РЕАКЦИЙ

6.8.6.1. ПРИРОДА НЕКОНТРОЛИРУЕМЫХ РЕАКЦИЙ

Большинство возможных механических нарушений реакторов, особенно тех из них, которые работают при повышенном давлении, связано с разрушением контрольных стекол или с образованием трещин. Однако гораздо серьезнее (хотя часто менее масштабно по сравнению с прочими основными химическими опасностями) вероятность разрыва реактора смешения, спроектированного как емкость под давлением, вследствие протекания неконтролируемых реакций. Такая ситуация может возникнуть при повышении по разным причинам температуры. Возрастание температуры приводит к увеличению скорости реакции и отсюда к повышенному выделению тепла. Если при этом не усиливается охлаждение, то увеличение скорости перемешивания с