Защита систем повышенного давления

Ни одно производство не обходится без использования систем повышенного давления (трубопроводов, баллонов и емкостей для хранения или перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов, газгольдеров и т.д.). Любые системы повышенного давления всегда представляют потенциальную опасность.

Взрывозащита систем повышенного давления достигается организационно-техническими мероприятиями; разработкой инструктивных материалов, регламентов, норм и правил ведения технологических процессов; организацией обучения и инструктажа обслуживающего персонала; осуществлением контроля и надзора за соблюдением норм технологического режима, правил и норм техники безопасности, пожарной безопасности и т.п. Кроме того, оборудование повышенного давления должно быть оснащено системами взрывозащиты, которые предполагают:

· применение гидрозатворов, огнепреградителей, инертных газов или паровых завес;

· защиту аппаратов от разрушения при взрыве с помощью устройств аварийного сброса давления (предохранительных мембран и клапанов, быстродействующих задвижек, обратных клапанов и т.д.).

Рассмотрим средства обеспечения безопасности основных элементов систем повышенного давления.

Чтобы внешний вид трубопровода указывал на свойства транспортируемого вещества, введена их опознавательная окраска (ГОСТ 14202 – 69):

Для выделения вида опасностей на трубопроводы наносят предупреждающие сигнальные кольца, количество которых определяет степень опасности. Так, наносят на трубопроводы:

· взрывоопасных, огнеопасных, легковоспламеняющихся веществ – красные кольца;

· безопасных или нейтральных веществ – зеленые;

· токсичных веществ – желтые.

Для обозначения глубокого вакуума, высокого давления, наличия радиации используют также желтый цвет.

Все трубопроводы подвергают гидравлическим испытаниям при пробном давлении на 25 % выше рабочего, но не менее 0,2 МПа.

Кроме испытаний водой на прочность газопроводы, а также трубопроводы для токсичных газов испытывают на герметичность воздухом при пробном давлении, равном рабочему. Отсутствие утечки воздуха из соединений проверяют мыльным раствором или погружением узлов в ванну с водой.

Во избежание возникновения напряжений от тепловых деформаций, особенно в наземных газопроводах, устраивают специальные компенсаторы в виде П-образного участка.

Трубопроводы со сжиженными газами прокладывают на расстоя­нии не менее 0,5 м от трубопроводов с горячим рабочим телом, при этом последние изолируют, а трубопроводы с легко замерзающими газами монтируют рядом с паропроводами и трубопроводами горячей воды. Для предотвращения ожогов кислотами и щелочами фланцевые соединения трубопроводов закрывают защитными кожухами. Трубоп­роводы для транспортирования жидкого и газообразного кислорода периодически, а также после каждого ремонта обезжиривают. Для обезжиривания используют тетрахлорид углерода, трихлорэтилен или тетрахлорэтилен.

Трубопроводы, по которым в зону реакции к аппарату или устройству подается горючее и окислитель, оборудуют специальными устройствами: автоматическими задвижками, обратными клапанами, гидравлическими затворами, огне- и взрывопреградителями. Обратные клапаны препятствуют обратному ходу потока рабочего тела в случае начала процесса горения и появления противодавления.

Стационарные сосуды, баллоны для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов: баллоны (ГОСТ 949 – 73) изготавливают малой (0,4 – 12 л), средней (20 – 50 л) и большой (80 – 500 л) вместимости. Баллоны малой и средней вместимости изготовляют из углеродистой стали на рабочее давление 10, 15 и 20 МПа, из легиро­ванной стали – на 15 и 20 МПа. У горловины каждого баллона на сферической части выбивают следующие данные: товарный знак предприятия-изготовителя, дату (месяц и год) изготовления (последнего испытания) и год следующего испытания; вид термообработки (нормализация, закалка с отпуском); рабочее и пробное гидравлическое давление в миллипаскалях; вместимость баллона в литрах ; массу баллона в килограммах; клеймо ОТК; обозначение действующего стандарта.

Наружная поверхность баллонов окрашивается в определенный цвет, на нее наносится соответствующая надпись и сигнальная полоса. Сигнальная окраска баллонов и цистерн позволяет исключить образование смеси «горючее-окислитель» вследствие заполнения емкостей рабочим телом, для которого они не предназначены.

Для предотвращения проникновения в опорожненный баллон посторонних газов, а также для определения (в необходимых случаях), какой газ находится в баллоне, или герметичности баллона и его арматуры заводы-наполнители принимают опорожненные баллоны с остаточным давлением не менее 0,05 МПа, а баллоны для растворен­ного ацетилена – не менее 0,05 и не более 0,1 МПа.

Действующие в настоящее время Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ-115-96), распространяются и на:

· сосуды, работающие под давлением пара или газа свыше 0,07 МПа;

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

· цистерны и бочки для транспортирования и хранения сжиженных газов, давление паров которых при температуре до 50 °С превышает давление 0,07 МПа;

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

Сосуды, на которые распространяется действие правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, до пуска их в эксплуатацию должны быть зарегистрированы в органах Госгортехнадзора России.

Для обеспечения безопасной и безаварийной эксплуатации сосуды и аппараты, работающие под давлением, должны подвергаться техническому освидетельствованию после монтажа и пуска в эксплуатацию, периодически в процессе эксплуатации, а в необходимых случаях и внеочередному освидетельствованию.

Объемы, методы и периодичность технического освидетельствова­ния оговариваются изготовителем и указываются в инструкциях по монтажу и эксплуатации. В случае отсутствия таких указаний техни­ческое освидетельствование проводится по указанию правил ПБ10 – 115 – 96. Так, для сосудов, не подлежащих регистрации в органах Госгортехнадзора России, установлена следующая периодичность:

· гид­равлические испытания пробным давлением один раз в восемь  лет;

· наружный и внутренний осмотр один раз в два года при работе со средой, вызывающей разрушение и физико-химическое превращение материала (коррозия и т.п.). Давление в испытываемом сосуде контролируется двумя маномет­рами одного типа, одинаковых пределов измерения, классов точности, цены деления. Время выдержки пробного давления устанавливается разработчиком в зависимости от толщины стенки сосуда. Так, при толщине стенки до 50 мм оно составляет 10 мин, при 50 – 100 мм – 20 мин, свыше 100 мм – 30 мин. Для литых неметаллических и многослойных сосудов независимо от толщины стенки время выдержки составляет 60 мин.

После выдержки под пробным давлением давление снижается до расчетного, при котором производят осмотр наружной поверхности сосуда, всех его разъемных и сварных соединений. Сосуд считается выдержавшим гидравлическое испытание, если не обнаружено:

· течи, трещин, слезок, потения в сварных соединениях и на основном металле;

· течи в разъемных соединениях;

· видимых остаточных деформаций, падения давления по мано­метру.

Сжиженные газы хранят и перевозят в стационарных и транспор­тных сосудах – цистернах (сосудах для сжиженных газов), которые в случае хранения криогенных жидкостей снабжены высокоэффективной тепловой изоляцией.

Транспортные сосуды (цистерны) обычно имеют объем до 35 тыс. л.  Низкие температуры, при которых эксплуатируются внутренние сосуды криогенных резервуаров и цистерн, накладывают ограничения на материалы, используемые при их изготовлении.

В промышленности в настоящее время используют газгольдеры низкого и высокого давления. Газгольдеры низкого давления – это сосуды переменного объема, давление газа в которых практически всегда остается постоянным. Из газгольдеров высокого давления рас­ходуемый газ подается сначала на редуктор, а затем к потребителю. Газгольдеры высокого давления обычно собирают из баллонов большого объема, изготовляемых на рабочее давление меньше 25 МПа по ГОСТ 9731 – 79 и на 32 и 40 МПа по ГОСТ 12247 – 80.

Для управления работой и обеспечения безопасных условий эксплуатации сосуды в зависимости от назначения должны быть оснаще­ны:

· запорной или запорно-регулирующей арматурой;

· приборами для измерения давления;

· приборами для измерения температуры;

· предохранительными устройствами;

· указателями уровня жидкости.

Арматура должна иметь следующую маркировку:

· наименование или товарный знак изготовителя;

· условный проход;

· условное давление, МПа (допускается указывать рабочее дав­ление и допустимую температуру);

· направление потока среды;

· марку материала корпуса.

Распространенным средством защиты технологического оборудования от разрушений при взрывах являются  предохранительные мембраны (разрывные, ломающиеся, срезные, хлопающие, специальные) и взрывные клапаны.

Достоинством предохранительных мембран является предельная простота их конструкций, что характеризует их как самые надежные из всех существующих средств взрывозащиты. Кроме того, мембраны практически не имеют ограничений по пропускной способности. Существенным недостатком предохранительных мембран является то, что после  срабатывания защищаемое оборудование остается открытым, это, как правило, приводит к остановке технологического процесса и к выбросу в атмосферу всего содержимого аппарата. При разгерметизации технологического оборудования нельзя исключить возможность вторичных взрывов, которые могут быть вызваны подсосом атмосферного воздуха внутрь аппарата через открытое отверстие мембраны.

Использование на технологическом оборудовании взрывных клапанов дает возможность устранить эти негативные последствия, так как после их срабатывания отверстие вновь закрывается и, таким образом, не вызывает необходимости немедленной остановки оборудования и проведения восстановительных работ. К недостаткам взрывных клапанов следует отнести их большую инерционность по сравнению с мембранами, сложность конструкции, а также недостаточную герметичность, ограничивающую область их применения (они могут использоваться для взрывозащиты оборудования, работающего при нормальном давлении).

Порядок и сроки проверки исправности действия предохранительных устройств в зависимости от условий технологического процесса должны быть указаны в инструкции по эксплуатации предохранительных устройств, утвержденных владельцем сосуда в установленном порядке.

Система защиты от повышенного давления должна в автоматическом режиме обеспечивать защиту газопроводов и технических устройств от недопустимого повышения давления в случае неисправности системы редуцирования.

При проектировании систем защиты от повышенного давления следует применять технические устройства:

— без сброса газа — регулятор-монитор и ЗОК;

— со сбросом газа – ПК (ПСК).

Два технических устройства без сброса газа должны устанавливаться, если разница между значениями максимальных рабочих давлений на входе и выходе превышает 1,6 МПа, и при этом максимальное рабочее давление на входе превышает значение испытательного давления для выходного газопровода.

Одно техническое устройство без сброса газа должно устанавливаться, если максимальное рабочее давление на входе превышает максимальное пиковое давление на выходе.

Система защиты от повышенного давления не предусматривается, если соблюдается одно из условий:

— максимальное рабочее давление на входе не превышает максимального пикового давления на выходе;

— давление газа перед регулятором не более 0,01 МПа.

Регуляторы-мониторы следует применять в ПРГ, подающих газ на объекты, не допускающие перерыва в газоснабжении (ТЭС и аналогичные объекты, предприятия непрерывного цикла, головные ПРГ поселений).

ЗОК (отдельно или совместно с регулятором-монитором) следует применять в сетях газораспределения на конечных потребителей, когда ниже по потоку не предусмотрена установка защитной арматуры.

ПК (ПСК) следует применять вместе с техническим устройством без сброса газа в качестве дополнительной ступени системы защиты от повышенного давления.

ПК может не устанавливаться, если на линии редуцирования одновременно предусмотрено использование регулятора-монитора и ЗОК.

Параметры настройки технических устройств системы защиты от повышенного давления устанавливаются проектом с учетом того, что:

— максимальное рабочее давление (МОР) в выходном газопроводе не должно превышать проектного давления (МОР).

— значение МОР должно определяться с учетом наименьшего значения МОР, принятого для газоиспользующего оборудования в сети газопотребления;

— срабатывание должно осуществляться при превышении значения пикового уровня рабочего давления до значений МОР и TIP указанных в таблице 3.

Таблица 3 — Параметры настройки системы защиты линии редуцирования от повышенного давления

ЗОК должен соответствовать следующим требованиям:

— параметры срабатывания не должны превышать давления MIP , указанного в таблице 3;

— при установкев ГРУ значенийверхнего и нижнего пределов настройки следует принимать с учетом пределов устойчивой работы газогорелочного устройства, указанных в эксплуатационной документации заводом-изготовителем газоиспользующей установки;

— оставаться в закрытом положении в случае срабатывания до открытия его вручную работником эксплуатирующей организации;

— быть защищенным от повышенного давления, возникшего в другой линии редуцирования.

Отказ в работе основного регулятора не должен влиять на функционирование системы защиты от повышенного давления.

Регулятор-монитор должен:

— быть идентичным основному регулятору по конструкции, техническим характеристикам и типоразмеру;

— устанавливаться на линии редуцирования перед основным регулятором;

— быть настроенным на включение в работу при заданном значении давления, которое выше настройки основного регулятора и быть подобранным таким образом, чтобы это значение давления не превышало давления TOP , указанного в таблице 3;

— иметь минимальное время включения в работу;

— иметь минимальное время переходного процесса редуцирования, исключающего образование скачков давления перед основным регулятором.

Сброс газа через ПК(ПСК) должен быть кратковременным, не вызывающим резкого снижения давления в выходном газопроводе. Недопустимо снижение давления до значения меньшего, чем установлено в эксплуатационной документации газоиспользующего оборудования потребителя. При восстановлении рабочего давления ПК(ПСК) должен автоматически закрываться и возвращаться в свое рабочее состояние. При проектировании ПРГ следует предусматривать возможность настройки и проверки срабатывания ПК(ПСК) без остановки линии редуцирования. Выбор ПК(ПСК) должен определяться его пропускной способностью, полученной по результатам расчета.