Выход наружу горючих веществ при повреждениях и авариях аппаратов

Последствия повреждений и аварий аппаратов и трубопроводов определяются размерами аварии, пожаро- и взрывоопасностью выходящих наружу веществ, температурой и давлением в аппарате, характером рядом находящихся и смежно расположенных аппаратов, зданий и сооружений.

Если в поврежденном аппарате, трубопроводе горючие вещества нагреты до температуры самовоспламенения и выше, то при выходе их наружу они воспламенятся, образуется факел или возникает горение растекающегося вещества. Начальное воспламенение может сопровождаться хлопком. Если горючие вещества нагреты ниже температуры самовоспламенения, то при выходе

ix наружу могут образоваться взрывоопасные концент- gt;ации паров или газов с воздухом.
Повреждения аппаратов и трубопроводов. Для того [тобы решить, какой вид повреждения является наибо- iee специфичным для данного производства и какой из шпаратов будет являться наиболее опасным при разру- нении, необходимо исходить из результатов анализа юзможных причин повреждений и аварий, методика вы- [вления которых изложена ниже. При этом необходимо гчитывать имевшие место случаи повреждений и аварий ;ак на данном объекте, так и на других подобных объ- :ктах.
Все разнообразие воможных причин повреждений ап- [аратов и трубопроводов можно разделить на три груп- еы: повреждения, возникающие в результате механиче- ких, температурных и химических воздействий на мате- )иал аппаратов и трубопроводов.
а. Повреждения аппаратов и трубопроводов от меха- [ических воздействий. При проектировании и изготовле- [ии аппаратов принимают все меры к тому, чтобы пре- ;отвратить возможность повреждений в результате недо- таточной механической прочности. Вместе с тем случаи [овреждений по этой причине имеют место. Поврежде- [ия происходят в том случае, когда на корпус аппарата юздействуют непредусмотренные расчетом нагрузки, :огда в материале имеются скрытые внутренние дефек- ы, отсутствуют или неисправны средства защиты от пе- gt;егрузок и т. д.
Общим для всех этих причин является то, что в ре- ультате их действия в материале возникают чрезмерно ысокие внутренние напряжения, способные вызвать не- 'братимые деформации или разрушение материала. Вы- окие внутренние напряжения в материале аппаратов юявляются при завышенном против нормы давлении :родукта, температурных и динамических воздействиях, а которые аппарат не рассчитан. Рассмотрим некоторые [3 этих причин.
Нарушение материального баланса. установившемся процессе давление в аппаратах будет одерживаться в заданных значениях, если сумма мас- ы веществ, поступающих в аппарат, будет равна сумме iaccbi веществ, уходящих из аппарата, т. е. когда
? П V Cr
- пр — ^pac-
Если это равенство нарушится, давление будет повышаться или понижаться. Наиболее опасен случай, когда при увеличении прихода уменьшается расход веществ. Подобные причины могут иметь место при внезапном •увеличении производительности насосов или компрессоров, неправильном соединении между собой аппаратов с более высоким и низким давлением, при отсутствии на питающих линиях регуляторов расхода, увеличении сопротивления gt;в расходных линиях (ледяные, кристалло- гидратные или полимерные пробки, неполностью открытые задвижки и т. п.), отключение или увеличение сопротивления в дыхательных и стравливающих линиях, переполнение емкостей и аппаратов жидкостями, газами и т.-д.
Нарушение температурного режима нагрева веществ в аппаратах. При повышении температурного режима работы аппаратов внутреннее давление повышается за счет объемного расширения нагреваемых веществ, увеличения упругости паров и газов. Это имеет место при увеличенной подаче теплоносителя 'или уменьшении подачи холода, отсутствии или неисправности контрольно-измерительных и регулирующих приборов, при недосмотре обслуживающего персонала и от воздействия лучистой энергии при пожаре.
В аппаратах с наличием газов или перегретых паров жидкостей давление увеличивается пропорционально возрастанию температуры и его значение может быть определено по формуле (для идеальных газов)

где Tkон, TVaч — соответственно конечная и начальная температуры, °К; Аши, Люч — конечное и начальное давления в аппарате, ат.
В силу указанных обстоятельств отмечено немало случаев, когда под воздействием теплоты пожара разрывались баллоны со сжатыми газами, перекрытые участки газопроводов, газовые счетчики, резервуары и аппараты с парами и газами.
Наиболее чувствительными к повышению температуры являются аппараты, емкости, баллоны и трубопроводы, наглухо отключенные и полностью заполненные

жидкостью или сжиженным газом. По этой причине имели место случаи разрыва шаровых резервуаров и баллонов со сжиженными газами.
Приращение давления, которое при этом образуется в сосуде, можно определить по формуле

где AP—'Приращение давления в сосуде, кГ/см2\ P — коэффициент объемного расширения жидкости, 1/°С; а — коэффициент линейного расширения материала стенки, 1/°С; рсж—коэффициент объемного сжатия жидкости, см2/кГ\ At — изменение температуры жидкости в сосуде, °С.

Опыт эксплуатации показал, что для обеспечения безопасности степень заполнения различных емкостей дол-
о ' жна быть не более:

^ для емкостей и
сосудов со сжиженными газами 0,85— 0,9 своего объема; для емкостей и сосудов с горючими жидкостями 0,9—0,95.
Для обеспечения установленной степени заполнения емкости и аппараты с жидкостями и сжиженными газами оборудуют измерителями уровня. Если уровень жидкости нельзя измерить (например, у баллонов со сжиженными газами), заполнение сосуда производится по весу. В этом случае на корпусе сосуда выбивается его собственный вес и вес наполненного баллона.
Нарушение нормального процесса конденсации паровой фазы. Значительное количество технологических процессов связано с образованием паровой фазы и последующей ее конденсацией (напри

мер, процессы перегонки, ректификации, выпаривания и т. п.). Когда весь объем паровой фазы (рис. 3.5), выходящий из аппарата, конденсируется, то в системе устанавливается требуемое регламентом давление Яраб- Если же конденсация паров прекратится или уменьшится, а образование пара будет продолжаться, то это неизбежно вызовет повышение давления в аппаратах.
Нарушение процесса конденсации пара может иметь место в результате прекращения или уменьшения подачи в конденсатор охладительной жидкости (например, воды, рассола, сжиженного газа и т. п.) или сильного загрязнения теплообменной поверхности малотеплопроводными отложениями (грязь, соли, полимеры, кокс и т. п.). Во избежание указанной опасности обеспечивают подачу необходимого количества охладительной жидкости в конденсаторы в зависимости от ее температуры и количества поступающего на конденсанию пара, а также в установленные технологической инструкцией сроки производят очистку теплообменной поверхности от накипи и загрязнения.
Попадание в высокотемпературные аппараты жидкостей ' с низкой температурой кипения. Если в аппарат с высокой рабочей температурой по какой-либо причине попадает жидкость, температура кипения которой значительно ^ ниже температуры в аппарате, то произойдет интенсивное вскипание жидкости, образование большого количества паров и резкое повышение давления. Так, имели место неоднократные случаи аварий от попадания водяного конденсата, воды, а также легких дистиллатных фракций в колонны нефтеперерабатывающих, нефтехимических и коксобензольных установок с температурой 250— 370° С.
Чтобы избежать попадания низкокипящих жидкостей в высокотемпературные аппараты, внимательно следят за переключением линий, перед подачей в аппарат высоконагретой жидкости испаряют оставшуюся в нем от промывки или испытания воду, осуществляют контроль за количеством воды в сырье, подлежащем нагреву и т.д.
Нарушение режима работы аппаратов с экзотермическими химическими процессами. Многие химические процессы протекают с выделением значительного количества тепла или побочных продуктов в виде паров и газов. Избыточное тепло, а также избыточное количество газообразных продуктов отводят из аппарата, за счет чего в нем поддерживается нормальное рабочее давление. Тепловой баланс такого аппарата в общем виде представлен формулой
Qp = Qh ”Ь Qh “Ь Qpa3n QnoT Qotb,
где Qp — количество тепла, выделяющееся в результате протекающей химической реакции; Qh — количество тепла, расходуемое на нагревание веществ; QH, Qpaan — количество тепла, расходуемое на испарение и разложение веществ; Qn0T — теплопотери в окружающую среду; Qotb — избыток тепла, который требуется отводить из аппарата.

Если увеличится тепловыделение химической реакции или нарушится процесс отвода избыточного тепла при том же количестве тепловыделений, будут возрастать все остальные члены правой части теплового баланса, а это приведет к повышению температуры в аппарате и увеличенному выходу побочных газо- и парообразных продуктов и, естественно, к повышению давления в системе. Повышение температуры в аппарате приведет к увеличению скорости химических реакций, а следовательно, и к увеличению тепловыделений в единицу времени и т. д Создаются условия для резкого нарастания давления, для перерастания химической реакции во взрыв. Подобные случаи имели место при получении перекисей и гидроперекисей, нитросоединений, алюминийорганиче- ских соединений и т. п. Во избежание указанной опасности строго дозируют соотношение подаваемых в реакторы химических веществ и катализаторов, используя для этого автоматические дозаторы; обеспечивают подачу необходимого количества охлаждающей среды для отвода тепла в зависимости от температуры или давления в аппарате, используя для этого автоматические регуляторы. Систематически в установленные сроки очищают теплообменную поверхность от загрязнений, наблюдают за нормальной работой мешалки, обеспечивают своевременное стравливание избыточного давления побочных продуктов.
Все аппараты, при работе которых может происходить повышение давления, помимо вышеуказанных мер, защищают предохранительными клапанами. Установка предохранительных клапанов, их количество, рабочее давление и пропускная способность должны полностью соответствовать требованиям Госгортехнадзора.
Если при срабатывании клапана вместе с газом или паром может быть выброшена горючая жидкость, на отводящей линии устанавливают сепаратор для ее улавливания.
Динамические воздействия на материал аппаратов. Динамические воздействия могут проявиться при резких изменениях величины внутреннего давления в аппаратах, гидравлических ударах при резком торможении движущегося потока жидкости или газа; вибрациях от действия внутренних и внешних возмущающих сил (в том числе от действия ветра); от случайных ударов движущегося транспорта, падения перемещаемых грузов, разлетающихся при аварии осколков конструкций и т. п. В соответствии с видом возможных нагрузок динамического характера принимают меры к предупреждению их появления или к локализации их вредного действия.
б. Повреждения от температурных воздействий на материал аппаратов.
Температурные перенапряжения появляются при изменениях температуру в жестко защемленных сооружениях и конструкциях, например, жестко закрепленных прямолинейных участках трубопроводов, конструкциях, выполненных из материалов с различными коэффициентами линейного расширения или выполненных из одинакового материала, но находящихся при различных температурныых воздействиях (кожух и трубки трубчатых теплообменников).
Для уменьшения вредного действия температурных напряжений устраивают температурные компенсаторы (лирообразные, П-образные, линзовые или сальниковые), устраивают промежуточные крепления таким образом, чтобы они не мешали изменению длины конструкции и т. д. Разогрев аппаратов при пуске и охлаждение их при остановке производятся медленно, плавно; для аппаратов с толстыми стенками устанавливают предельно допустимую интенсивность изменения температуры при остановке и пуске. Наличие исправной теплоизоляции нагретых * поверхностей предохраняет их от резких температурных колебаний в результате атмосферных воздействий и при пожаре.
Действие высоких температур. Условия для перегрева металла до высокой температуры создаются при окорГ- совании и загрязнении теплообменной поверхности аппаратов огневого действия, при снижении уровня жидкости

Рис. 3.6. Перегрев теплообменной поверхности при наличии отложений:
а —• при ококсовании или отложении накипи; б — при снижении уровня жидкости; I — кладка печи; 2 — дымовой канал; 3 — стенка аппарата с перегретым участком (залит черным)

в котлах с огневым обогревом, повреждении защитной футеровки в высокотемпературных реакторах, котлах- утилизаторах и т. п. Подобные явления называют прогаром стенки.
Сущность явления прогара можно понять, проследив изменение температуры чистой стенки и в местах, подвергшихся отложениям (ококсование). Температуру поверхности стенки аппарата (рис. 3.6) определяют по формуле/>
где t—'температура Пиосрлписш ^icnnn аппарата, °С; tT — температура теплоносителя, °С; К — коэффициент теплопередачи, ккал/м2Х Хч-град; Cii — коэффициент теплообмена от теплоносителя к стенке, ккал1м2'Ч-град\ tnр — температура нагреваемого продукта, °С.
Из приведенной формулы видно, что температура стенки в сечении I будет значительно выше, чем в сечении II.
Во избежание прогара теплообменной поверхности ведут контроль за температурами теплоносителя и нагреваемого продукта, не допуская их повышения сверх установленного предела; ведут контроль за скоростью дви-
жения нагреваемого вещества, не допуская ее снижения во избежание процессов разложения с ококсованием поверхности; очищают нагреваемый продукт, от механических примесей, а теплообменную поверхность — от отложений твердых веществ.
Снижения интенсивности процесса ококсования теплообменной поверхности достигают в некоторых случаях при нагреве продукта вместе с определенным количеством водяного пара или водорода. В реакторах огневого действия, регенераторах и других аппаратах с высокой рабочей температурой стенки защищают огнеупорной футеровкой и в процессе эксплуатации наблюдают за ее состоянием. При пожаре аппараты и трубопроводы защищают от действия высокой температуры путем охлаждения их распыленной водой, пеной и использования защитных экранов.
Действие низких температур. У некоторых сортов конструкционных сталей при температурах ниже нуля 0 С резко снижается ударная вязкость, металл делается хрупким, чувствительным к ударным нагрузкам, к местным температурным воздействиям. К таким материалам относятся Ст. 2, Ст. 3 кипящих мартеновских плавок.
Поэтому наружные аппараты, емкости, резервуары и другое оборудование, выполненное из Ст. 3 и работающее в зонах холодного климата, нередко выходит из строя из-за образования трещин даже при нормальных нагрузках, а при повышенных нагрузках и нагрузках динамического характера имели место случаи полной потери несущей способности наиболее нагруженных элементов. В связи с этим аппараты и трубопроводы, работающие при низкой температуре, а также наружные емкости, резервуары и другое оборудование с горючими газами и жидкостями выполняют из сталей с повышенной ударной вязкостью, электрогазосварочные работы проводят при температуре воздуха не ниже —20° С и т. д.
в. Повреждение аппаратов и трубопроводов в результате химических воздействий. Находящиеся в аппаратах и трубопроводах вещества, имеющиеся в них химические примеси, используемые катализаторы, инициаторы или ингибиторы, а также окружающая аппараты среда могут химически взаимодействовать с материалом корпуса, вызывая его коррозию.
Коррозия приводит к уменьшению толщины стенки, способной воспринимать рабочие нагрузки, или к изменению механических свойств металла. Интенсивность коррозии зависит от качества металла, химической активности обрабатываемых веществ, количества агрессивных примесей, режима работы аппарата и т. п.
Наибольшая коррозия металла наблюдается в тех местах аппаратов и трубопроводов, где имеют место изменение направления движения, сильная турбулентность или ударное действие потока жидкости, газа.
Снижения вредного действия коррозии на материал аппаратов и трубопроводов достигают:
выбором для конструктивных элементов таких сортов материалов, в том числе и пластических масс, которые хорошо противостоят агрессивному действию обрабатываемых веществ или внешней среды;
защитой основных несущих конструкций от действия агрессивного продукта путем футеровки (камень, плитка, кирпич, бетон и т. п.), гомогенной защиты (свинец, медь и т. д.), гуммированием, пластмассами, металлическими пленками (серебрение, хромирование, никелирование и т. д.), окраской и т. п.;
очисткой обрабатываемых веществ от находящихся в них коррозирующих примесей;
применением пассиваторов процессов коррозии; применением специальных методов защиты от коррозии (катодная или протекторная защита) и т. д.
В установленные сроки аппараты останавливают на планово-предупредительный и капитальный ремонты. В процессе очистки и осмотра при необходимости производят замер толщины стенок аппаратов и трубопроводов и ликвидируют все выявленные дефекты. Перед пуском аппаратов после ремонта, а также в сроки, установленные Госгортехнадзором, производят испытание аппаратов и трубопроводов на прочность и герметичность.

<< | >>

↑

Источник: М. В. Алексеев, П. Г. Демидов, М. Я. Ронтман, II. А. Тарасов-Агалаков. Основы пожарной безопасности. Учеб. пособие для высших учебных заведений. 1971

Еще по теме Выход наружу горючих веществ при повреждениях и авариях аппаратов:

- Основы БЖД - Пожарная безопасность - Чрезвычайные ситуации - Школа выживания -