Разрыв сосуда под давлением

Сосудами, работающими под давлением, называются герметически за-

крытые емкости, предназначенные для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением.

Основная опасность при эксплуатации таких сосудов заключается в возможности их разрушения при внезапном адиабатическом расширении газов

ипаров (т. е. при физическом взрыве). Причинами взрывов сосудов, работающих под давлением, могут быть ошибки, допущенные при их проектировании и изготовлении, дефекты материалов, потеря прочности в результате местных перегревов, ударов, превышение рабочего давления в результате отсутствия или неисправности контрольно-измерительных приборов, отсутствие или неисправность предохранительных клапанов, мембран, запорной

иотключающей арматуры.

Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров даже большой массы (до нескольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот метров и при падении на здания, технологическое оборудование, емкости вызывают разрушения, новые очаги пожара, гибель людей.

При взрывах сосудов развиваются большие мощности, приводящие к значительным разрушениям. Так, мощность, выделяемая при взрыве сосуда емкостью 1 м3, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа, при длительности взрыва в 0,1 с, составляет 28 МВт.

Деятельность нанимателей, связанная с проектированием, изготовлением, реконструкцией, наладкой, монтажом, ремонтом, техническим диагностированием и эксплуатацией сосудов, работающих под давлением, является

49

лицензируемой, регламентируется соответствующими правилами, которые распространяются:

на сосуды, работающие под давлением воды с температурой выше 115 °С или другой жидкости с температурой, превышающей температуру кипения при давлении 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), без учета гидростатического давления; сосуды, работающие под давлением пара или газа свыше 0,07 МПа

(0,7 кгс/см2);

баллоны, предназначенные для транспортирования и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением свыше 0,07 МПа

(0,7 кгс/см2);

цистерны и бочки для транспортирования и хранения сжатых и сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50 °С превышает давление 0,07 МПа (0,7 кгс/см2);

цистерны и сосуды для транспортирования или хранения сжатых, сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел, в которых давление выше 0,07 МПа (0,07 кгс/см2) создается периодически для их опорожнения;

барокамеры.

3.4.3.3. Взрывы технологических систем со сжатыми негорючими газами

При взрыве под давлением сосудов, имеющих форму шаровых газгольдеров и баллонов, могут возникать сильные УВ. В результате образуется большое число осколков, что приводит к серьезным разрушениям и травмам.

Общая энергия взрыва технологических систем со сжатым негорючим газом, кДж, определяется по формуле

E = Pk1r−−P10 V1,

где Р1 – начальное давление газа в сосуде, кПа; kr – показатель адиабаты

газа (kr = Cp ); V1 – объем сосуда, м3.

Cv

Для технологических объектов с высокими значениями параметров сжатых газов и энергетических потенциалов уровень опасности можно оценивать по энергетическим балансам как ударных волн (Еу. в = 0,6…0,4Е), так и

разлета осколков (Еоск = 0,4…0,6Е). В этом случае

= (0,4…0,6)Е

mТНТ QυТНТ ,

где QυТНТ – энергия взрыва тротила (QυТНТ = 4520 кДж/кг).

Изменение избыточного давления на фронте ударной волны при взрыве сосуда со сжатым газом можно определить по формулам

50

где k = 1,4 – показатель адиабаты для воздуха; α – скорость звука в воздухе, м/с:

Положительный импульс давления фазы сжатия составляет

I + = 0,01323k(k +1)P0 R .

α

3.4.3.4.Взрывы технологических систем

сперегретыми жидкостями

Вразличных отраслях промышленности приходится иметь дело с огромными массами как нейтральных, так и горючих перегретых жидкостей, к которым относятся сжиженные углеводородные газы – хлор, аммиак, фреоны

идр. Жидкость, имеющая температуру кипения ниже температуры окружающей среды, является перегретой при высоких температурах и давлениях, превышающих атмосферные (например, вода в паровых котлах). Уровень перегрева жидкости обычно характеризуется разностью между температурой, при которой она находится в технологической системе, и температурой ее кипения при атмосферном давлении. Если сосуд (система) с перегретой жидкостью внезапно разрушается, жидкость быстро испаряется, при этом образуется пар и формируются УВ.

Взависимости от давления и температуры вещество может находиться в различных агрегатных состояниях:

категория I – вещества с критической температурой ниже температуры окружающей среды (криогенные вещества – сжиженный природный газ, азот, кислород);

категория II – вещества с критической температурой выше и точкой кипения ниже, чем температура окружающей среды (сжиженный нефтяной газ, пропан, бутан в теплую погоду, аммиак, хлор); их особенностью является мгновенное испарение части жидкости при разгерметизации и охлаждение оставшейся доли до точки кипения при атмосферном давлении;

категория III – жидкости, у которых критическое давление выше атмосферного и температура кипения выше температуры окружающей среды (вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии, например

51

вода); также это некоторые вещества из предыдущей категории (например, бутан в холодную погоду);

категория IV – вещества, содержащиеся при повышенных температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости под давлением и температуре, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении).

Критические параметры и плотность некоторых сжиженных веществ приведены в табл. 5.

Таблица 5

Значения критических параметров и плотности некоторых веществ в сжиженном состоянии

Для энергетической оценки опасности взрыва перегретой жидкости необходимо знать долю жидкости, мгновенно испарившейся за счет внутренней энергии перегрева:

mТ = (НТ – Н0) / Lисп,

где mT – доля мгновенно испарившейся в адиабатическом режиме жидкости при температуре Т; НТ – удельная энтальпия жидкости при температуре Т; Н0 – удельная энтальпия жидкости при температуре кипения при атмосферном давлении; Lисп – удельная теплота испарения при температуре кипения и атмосферном давлении.

Возможны три сценария развития аварии сосуда с перегретой жидкостью. В случае полного разрушения сосуда теоретическое время испарения τисп несложно вычислить, принимая, что пары без перемешивания с воздухом образуют полусферическое облако радиусом Rполусф и мгновенно образующийся пар перемещается от поверхности жидкости до края облака со скоростью звука в паре αпар. Объем облака представляет собой сумму объемов

52

парового выброса Vпар и объема неиспарившейся жидкости Vж. Радиус полусферы можно найти, исходя из элементарных геометрических соотношений:

V =Vпар +Vж = 23 πRполусф3 ,

Rполусф = 0,78V 1/3.

Теоретическое время испарения составляет

τисп = 0,78(V – Vж)1/3 / αпар.

При взрыве сосуда с перегретой жидкостью 40 % энергии взрыва переходит в энергию осколков, а 60 % – в энергию УВ.

В случае перегретой горючей жидкости облако пара может воспламениться с образованием огненного шара.

При нарушении герметичности сосуда выше уровня жидкости (трещины, коррозия, усталость, механические повреждения и т. п.) даже в случае небольшого отверстия истечение пара будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся жидкость.

При повышении давления в сосуде со сжатым газом или перегретой жидкостью, а также при постороннем механическом воздействии в стенке сосуда возникают напряжения, которые при достижении определенной величины могут привести к его разрушению. Величина напряжения в стенке сосуда сферической формы радиусом r и толщиной δ определяется по формуле

σ = Рr / 2δ.

Если величина напряжения превышает значение временного сопротивления Rип материала стенки, имеет место разрушение последней. Это происходит при давлении

Р = 2δRип / r.

Образующиеся при взрыве сосуда осколки имеют среднюю начальную скорость разлета, м/с:

где Еоск – энергия взрыва, идущая на образование и разлет осколков, кДж/кг:

где Qv – энергия взрыва газа, Дж/кг; ρг – плотность газа при давлении Р1, кг/м3; Мг и Моб – массы газа и оболочки сосуда соответственно, кг.

Образовавшиеся осколки разлетаются со скоростью, м/с, определяемой по формуле Г. И. Покровского:

53

Источник

В целях профилактики и предотвращения аварий нужно помнить о том, что использование сосудов, работающих под давлением, требует соблюдения определенного комплекса мер для обеспечения их безопасной эксплуатации: конструкция сосудов должна быть надежной, обеспечивать безо­пасность при эксплуатации и предусматривать возможность ремонта сосудов; конструкция сосудов, обогреваемых горячими газами, должна обес­печивать надежное охлаждение стенок, находящихся под давлением, до расчетной температуры.

Основные причины аварий сосудов заключаются, как правило, в том, что при проведении экспертизы промышленной безопасности обнаруживаются дефекты изготовления сосудов, коррозийное разрушение устройств, а также другие виды повреждений, нарушение технологического режима и правил эксплуатации, неисправность арматуры и приборов.

Как показывает практика, в большинстве своем аварии сосудов, работающих под давлением, происходят из-за дефектов изготовления, в результате срыва болтов и крышек люков, разрыва и выпучивания днищ, а также коррозии и других видов разрушений.

Для того чтобы предупредить аварии сосудов, работающих под давлением, требуется, чтобы материалы, предназначенные для их изготовления и ремонта, имели сертификаты, подтверждающие их соответствие специальным техническим требованиям.

Так, например, конструкция сосудов должна быть надежной, она должна обеспечивать безопасность при эксплуатации, возможность внутреннего осмотра, очистки и ремонта. Сварные швы конструкций должны быть только стыковыми и доступными для контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации сосуда.

Для своевременного выявления дефектов сосудов в процессе эксплуатации и предупреждения аварий проводится техническое освидетельствование перед пуском в работу и при эксплуатации с периодичностью, указанной для котлов.

Кроме того, стационарные сосуды в зависимости от их конструкции и назначения обязательно снабжаются соответствующими контрольно-измерительными приборами, предохранительными устройствами, средствами автоматики, запорной и другой арматурой в целях предупреждения аварий из-за нарушений технологического режима и правил эксплуатации.

Если по каким-либо причинам нельзя применить предохранительные клапаны во избежание аварии, для предуп­реждения повышения давления в сосуде выше критического используются разрывные предохранительные мембраны. Подобного рода мембраны отличаются простотой конструкции и мгновенным действием. Разрывные предохранительные мембраны представляют собой диск из металла или другого материала, закрепленный в стенке сосуда, работающего под давлением. При давлении, превышающем рабочее не более чем на 25 %, мембрана разрывается, и давление в сосуде падает.

Стоит также помнить, что неисправность приборов контроля и автоматики, запорной и другой арматуры выявляется при проведении их внешних осмотров и контроле в регламентированные сроки. При этом кроме указанных выше приборов также контролируются состояние и работоспособность запорных органов, трехходовых кранов, устройств для выпуска воздуха при заполнении сосудов средой, спуска воды и другой арматуры.

Основные причины аварий сосудов заключаются, как правило, в том, что при проведении экспертизы промышленной безопасности обнаруживаются дефекты изготовления сосудов, коррозийное разрушение устройств, а также другие виды повреждений, нарушение технологического режима и правил эксплуатации, неисправность арматуры и приборов.

Источник

Источник