Требования установкам с повышенным давлением

Авторы:
А.В. Балутов, Е.П. Денисенко, Д.А. Легостаев (ЗАО «НПО «Ленкор»),
А.Е. Шувалов (ООО «Балтморпроект»), А.Ф. Васецкий (НТЦ «ЭДО»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №11/2015

Эксплуатация любого опасного производственного объекта (ОПО) не обходится без использования сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Наряду со свойствами продуктов, обращающихся в технологическом цикле, на продолжительность эксплуатации оборудования значительное влияние оказывают и параметры, при которых осуществляется их работа. В рамках данной статьи оставим в стороне рассмотрение различных толкований, связанных с понятием «температура», а остановимся на уяснении такой характеристики, как «давления».

Анализируя содержание определений, приведенных в нормативных документах и технической литературе, можно выстроить некую структурную цепочку, сложенную из различных взаимосвязанных понятий. Так, первое определение понятия «технологическое давление» может быть найдено в РД 51-0220570-2–93 [1]. Технологическое давление рт – избыточное давление в сосуде, при котором осуществляется технологический процесс. Это давление принимается по верхнему значению заданного диапазона давлений проведения технологического процесса. Технологическое давление не должно превышать рабочее давление. Оно, как правило, ниже уровня, на который настроены предохранительные клапаны, с целью предотвращения частого их срабатывания.

Следующим в этой цепочке располагается «рабочее давление», определения которого приводятся уже в большем числе нормативных документов таких, как ГОСТ 356 [2], ГОСТ Р 52857.1 [3], Инструкция по выбору сосудов и аппаратов, работающих под давлением до 100 кг/см2 и защите их от превышения давления [4]. Остановимся на ныне используемом определении, приведенном в Техническом регламенте Таможенного союза ТР ТС 032/2013 [5], где сказано следующее: рабочее давление – максимальное избыточное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса. Иными словами, рабочее давление – это максимальное из ряда значений технологических давлений. Зачастую специалисты пытаются оспорить такой подход к выбору рабочего давления, мотивируя это тем, что в разных частях аппарата возможны разные значения давления (например, вверху колонны давление газовой фазы 5,4 кг/см2, а внизу 5,8 кг/см2, значит, в качестве рабочего давления следует указывать оба этих значения. Но зачем это делать, если ясно, что только максимальное значение должно учитываться при его определении. Другим примером возможного изменения рабочего давления может быть параметр ведения технологического процесса в начале использования нового катализатора и в момент перед его выгрузкой из системы. Ясно, что в начале использования свежего катализатора значение технологического давления будет ниже, чем при эксплуатации отработавшего катализатора. Но в обоих случаях за рабочее давление следует принимать самое большое его значение, которое действительно оказывает влияние на ведение безопасного технологического процесса. А все остальные, более низкие его значения, не оказывают влияния на безопасность системы.

Следующим по важности и значимости в цепочке понятий располагается «расчетное давление». Его мы также приведем из действующего Технического регламента ТР ТС 032/2013 [5]: давление расчетное – давление, на которое производится расчет на прочность стандартных сосудов (узлов, деталей, арматуры). Некоторые нормативные документы дают дополнительные разъяснения по значению расчетного давления. Так, в ГОСТ Р 52857.1. [3] указано, что расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях: если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более чем на 10% рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90% давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства; если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% расчетного, то расчетное давление для этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления.

Дополнительно следует обратить внимание на момент назначения расчетного давления аппарата при проектировании технологической схемы производства. Согласно требованиям Инструкции [4], расчетное давление должно быть назначено несколько выше рабочего давления, что в дальнейшем приведет к следующему:

• созданию дополнительной возможности продления срока эксплуатации аппаратов, отработавших расчетный ресурс;
• снижению количества срабатываний предохранительных клапанов;
• снижению количества продуктов выброшенных «на факел».

Вместе с тем без учета требований Инструкции [4] расчетное давление может быть назначено равным рабочему.

Отдельно в ряду определений стоит «пробное давление», так как оно определяет условия экстремальных испытаний аппарата при параметрах, превышающих и рабочие, и расчетные значения. Неслучайно в приказе №116 от 25.03.2014 г. ФСЭТАН [6] специально оговариваются условия выбора пробного давления. Положения этого приказа являются важнейшим условием испытания аппаратов как при изготовлении, так и при техническом освидетельствовании и экспертизе промышленной безопасности. В этом документе сказано, что «пробное давление рпр при гидравлическом испытании металлических сосудов (за исключением литых) определяется по формуле рпр = 1,25р([σ]20/[σ]), где р – расчетное давление в случае доизготовления на месте эксплуатации, в остальных случаях – рабочее давление, МПа; [σ]20, [σ] – допустимые напряжения для материала сосуда (или его элементов) соответственно при 20°С и расчетной температуре, МПа.

Наконец, выбирая из ряда существующих понятий, нельзя не остановиться на понятии «разрешенное давление». Это понятие претерпело некоторую модификацию за время своего существования и в настоящее время используется в виде определения, приведенного в том же Техническом регламенте Таможенного союза ТР ТС 032/2013 [5]. Давление разрешенное – максимальное избыточное допустимое давление для оборудования (элемента), установленное на основании оценки соответствия и (или) контрольного расчета на прочность.

Собственно за время своего существования оно изменилось незначительно, и первая формулировка, выявленная в нормативных документах 1993 г. отличается от действующей тем, что в РД 51-0220570-2–93 [1] указывалось, что для вновь проектируемых сосудов разрешенное давление принимается равным рабочему. Далее мы постараемся уделить этому понятию более пристальное внимание, так как разрешенное давление оказывает активное влияние на жизненный цикл оборудования.

Исходя из приведенных выше определений схема взаимной увязки различных определений давления (по возрастанию значения) выглядит следующим образом:

Технологическое давление → Рабочее давление (максимальное значение технологического давления) → Расчетное давление по ГОСТ Р 52857.1[3] → Разрешенное давление (в общем случае больше или равно рабочему давлению) → Пробное давление (в процессе эксплуатации составляет 1,25 рабочего давления).

Приступая к конструированию аппарата, специалист конструкторского бюро среди нескольких значений технологического давления, установленных технологом процесса, выбирает наибольшее значение, которое в дальнейшем называется рабочим. Исходя из значений рабочего давления и температуры с учетом характеристик рабочей среды (ее взрывопожароопасности, химической опасности и коррозионной активности), а также требований [4] назначается расчетное давление. Расчетное давление используется при определении толщины стенки аппарата и расчетного срока службы аппарата. Расчетный срок службы ложится в дальнейшем в основу определения назначенного срока эксплуатации. Таким образом, с использованием рабочего и расчетного давлений осуществляется расчет на прочность аппарата и определяется толщина стенки аппарата для его изготовления, а также устанавливается назначенный срок эксплуатации аппарата. Именно эти характеристики аппарата заносятся в паспорт технического устройства и соответствуют условиям безопасной эксплуатации аппарата в назначенный срок эксплуатации.

Готовый аппарат предприятием-изготовителем вместе с паспортом технического устройства передается владельцу ОПО, который осуществляет его монтаж на площадке строительства по рабочей документации, выполненной проектной организацией.

В процессе эксплуатации аппарата под воздействием коррозионно-активных сред и изменяющихся рабочих параметров технологического процесса происходит утонение стенок аппарата, при определенных условиях не исключена также вероятность изменения структуры металла корпуса аппарата.

Все эти процессы приводят к снижению показателя безопасности использования аппарата и требуют проведения технического освидетельствования и экспертизы промышленной безопасности, подтверждающих либо возможность дальнейшей эксплуатации аппарата при рабочем давлении, либо требующих снижения давления с целью сохранения показателей надежности аппарата в период, когда уже истек назначенный срок эксплуатации, установленный при его изготовлении.

И здесь встает вопрос о назначении по результатам экспертизы разрешенного давления и назначенного срока эксплуатации, позволяющего продлить срок эксплуатации по сравнению с назначенным при изготовлении сроком эксплуатации.

Выполнение освидетельствования, диагностирования и экспертизы промышленной безопасности сопровождается проведением гидравлических испытаний, выполнением поверочного расчета на прочность и комплексным освидетельствованием аппарата, включая замер толщины стенки сосуда. По нашему мнению, в качестве исходных данных для проведения поверочного расчета следует принимать рабочее давление в аппарате (т.е. максимальное из рабочих давлений в технологическом процессе). Это подтверждается и требованиями приказа №116 [6] и основными допущениями при расчете на прочность, изложенными в работе [7]. Почему необходимо заострить внимание именно на этом моменте? При выполнении поверочного расчета нельзя ограничиваться использованием только расчетного давления. Ведь это давление потому и называлось расчетным, что оно использовалось в момент подготовки к изготовлению аппарата, и на его основе был назначен срок безопасной эксплуатации аппарата. Мы не исключаем ситуацию, когда при выполнении поверочного расчета в качестве разрешенного давления может приниматься расчетное, и эта формула будет действующей до тех пор, пока результат расчета получается положительным. Но если аппарат уже отработал какой-то срок, и стенки аппарата стали тоньше, а металл, из которого аппарат изготовлен, стал иметь другую структуру, и запаса прочности не хватает для выполнения поверочного расчета на расчетное давление, то почему же проверку следует производить, основываясь именно на этом значении? Наши оппоненты пытаются сгладить ситуацию, ссылаясь на постоянное противоречие между технологами и механиками владельца ОПО.

В условиях эксплуатации ОПО механику важно обеспечить надежность и по этой причине ему выгодно иметь разрешенное давление на уровне рабочего давления.

Технологу же приходится думать о возможном увеличении границ рабочего давления, и поэтому он стремится застолбить расчетное давление в качестве максимального рабочего. При этом появляются ссылки на то, что давление в другом аппарате технологической цепочки может оказаться выше, чем рабочее давление в данном сосуде или что установочное давление предохранительного клапана принято по расчетному давлению системы.

Но все это отговорки и попытки в очередной раз запутать пользователей. Нам представляется, что при определении соотношений значений давлений должна выполняться следующая взаимозависимость: рраб ≤ рразр – Максимальное технологическое давление в технологическом процессе рразр ≤ ррасч – Давление, на которое выполнен расчет на прочность аппарата рраб ≤ рразр ≤ ррасч – Максимально избыточное допустимое внутреннее или наружное давление, установленное по результатам технического освидетельствования

Владельцы ОПО, которые действуют от расчетного давления, не учитывают один существенный момент: аппараты выбирались под конкретный базовый проект, в котором заложены рабочие параметры ведения технологического процесса. И, если у владельца возникает желание увеличить параметр по сравнению с ранее назначенным, то начинать эту процедуру следует с внесения изменений в проектную документацию; получения заключения Главгосэкспертизы и реализации технических решений путем выполнения необходимых строительно-монтажных работ. Самостоятельное изменение параметров процесса недопустимо и может привести к катастрофическим последствиям. Именно об этом сказано в действующем Градостроительном кодексе (Федеральный закон №191 от 29.12.2004 г.) [8]

Поводя итог, следует сказать, что при выполнении освидетельствования, технического диагностирования, предшествующего экспертизе промышленной безопасности сначала целесообразно на технологической установке выделить участки с одинаковыми значениями рабочего давления. Эти участки могут ограничиваться секционирующей арматурой, выделяющей технологические блоки, или ручной арматурой, выделяющей отдельный аппарат, защищенный предохранительным клапаном.

В дальнейшем для данной группы аппаратов все оценки следует производить, основываясь на значениях единого рабочего давления, включая проведение поверочного расчета и выполнение гидравлических испытаний. Если возникнет необходимость снизить разрешенное давление ниже ранее установленного для конкретного аппарата, то такое снижение следует производить для всей группы выделенных аппаратов, защищаемых единым предохранительным клапаном. Такая операция сопровождается перерасчетом установочных давлений и пропускной способности предохранительных клапанов из-за снижения разрешенного давления, при котором эксплуатация аппарата безопасна.

По результатам освидетельствования и технического диагностирования в заключении экспертизы промышленной безопасности устанавливается разрешенное давление дальнейшей эксплуатации сосуда, которое, как правило, равняется рабочему давлению в аппарате и безусловно ниже расчетного давления, принятого на стадии проектирования аппарата. Эти данные экспертом промышленной безопасности заносятся в паспорт сосуда и используются в качестве максимальных в течение всего срока, на который продлен период эксплуатации аппарата. Задача же специалистов владельца ОПО будет состоять в том, чтобы произвести перерасчет установочных давлений предохранительных клапанов таким образом, чтобы они согласовывались с новыми разрешенными давлениями.

На рисунке представлен пример развития событий при освидетельствовании и экспертизе промышленной безопасности сосудов технологической установки нефтеперерабатывающего завода в зависимости от результатов поверочных расчетов на прочность.

Список литературы

1. РД 51-0220570-2–93. Клапаны предохранительные. Выбор, установка и расчет.
2. ГОСТ 356–80. Арматура и детали трубопроводов. Давления номинальное, пробное и рабочее. Ряды.
3. ГОСТ Р 52857.1–2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
4. Инструкция по выбору сосудов и аппаратов, работающих под давлением до 100 кг/см2 и защите их от превышения давления.
5. ТР ТС 032/2013. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением», утверждено решением Евразийской экономической комиссии от 02.07.2013 г. №41.
6. ФНП Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением. Утверждены приказом ФСЭТАН №116 от 25.03.2014 г.
7. Зыков А.А. и др. Справочник по объектам котлонадзора. М. Энергия, 1974.
8. Федеральный закон №191-ФЗ от 29.12.2004 г. с изменениями от 13.07.2015 г. Градостроительный кодекс Российской Федерации.