Анализ причин повреждения аппаратов, разработка необходимых средств защиты

Аппараты и трубопроводы могут повреждаться от образования повышенных против норм давлений; появления динамических воздействий; образования высоких температурных напряжений в материале стенок или от изменения прочностных свойств материала в результате воздействия высоких и низких температур; коррозии материала стенок или эрозии (механического истирания стенок).

Эту общую схему анализа причин повреждений слушатель должен применить к конкретным аппаратам своего варианта курсового проекта, причем можно идти двумя путями: либо все выявленные причины повреждений аппаратов рассматривать для каждого аппарата своего варианта задания, либо каждую причину повреждений рассматривать для всех аппаратов, а затем переходить к следующей причине.

Независимо от избранного пути должны предлагаться соответствующие меры защиты от выявленных повреждений. В качестве примера рассмотрим схему, когда названные причины повреждений рассматриваются применительно ко всем аппаратам варианта курсовой работы.

Образование повышенного давления в аппаратах. При исследовании возможности образования повышенного давления в аппаратах следует:

1. Установить, есть ли причины, приводящие к нарушению материального баланса (увеличение производительности насоса, неисправность редуктора, увеличение интенсивности закачки, образование пробок в расходной линии, увеличение сопротивления дыхательной линии, уменьшение расхода продукта потребителем при неизменном его поступлении, перекрытие расходных линий задвижками, переполнение емкостей при отсутствии переливных линий или автоматики и т. п.). Если какие-либо из этих причин могут иметь место, их надо указать в работе и пояснить, почему именно эти причины характерны для данного случая.

Приращение давления в аппарате при наличии в нем отложений или пробок определяется по формуле:

∆ р = (λ l/d)ρ u²/2, (13)

где λ – коэффициент трения при движении продукта по трубе;

d – диаметр трубы;

ρ – плотность вещества;

u – скорость потока;

l – длина трубопровода.

2. Установить, могут ли быть явления, вызывающие повышение температурного режима работы аппарата (повышение температуры поступающего в аппарат вещества, повышение температуры подогрева аппарата, ухудшение процесса охлаждения аппарата, увеличение скорости экзотермических реакций и т.п.). Если какие-либо из этих явлений реально могут, иметь место, их следует указать. При этом можно показать расчетом, на какую величину может повыситься давление в полностью заполненных аппаратах с жидкостями или сжиженными газами при повышении температуры на определенную величину:

(14)

где β – коэффициент объемного расширения жидкости, К^-1;

β _сж – коэффициент объемного сжатия жидкости, Па^-1;

α – коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата, К^-1;

Δ t – изменение температуры в аппарате, ^оС.

Общее давление в аппарате будет:

р_общ = р_раб + ∆ р, (15)

где р_раб − рабочее (начальное) давление жидкости в аппарате, МПа;

∆ р − приращение давления, МПа.

Установить, может ли быть явление, приводящее к нарушению нормального процесса конденсации паров (уменьшение или прекращение подачи охлаждающей среды, загрязнение теплообменной поверхности). Если это явление может иметь место, рассмотреть его и определить величину приращения давления по формуле:

(16)

где ∆ р – приращение давления в системе, Па:

α − степень полноты конденсации паров, %;

G_п − производительность по пару, кг/с;

τ − продолжительность нарушения процесса конденсации паров, с;

р₀ – давление окружающей среды, Па;

V_св – свободный объем аппарата или системы, м³;

ρ _t – плотность паров жидкости при температуре и давлении в аппарате, кг/м³.

3. Установить, могут ли быть причины, приводящие к попаданию в высоконагретые аппараты легкокипящих жидкостей. Если это возможно, объяснить и подтвердить расчетом, к каким последствиям это может привести. Приращение давления при попадании в высоконагретые аппараты легкокипящих жидкостей определяется по формуле:

(17)

где m – масса низкокипящей жидкости, попавшей и испарившейся в аппарате, кг;

t_р – рабочая температура в высоконагретом аппарате, ^оС;

М – молекулярная масса жидкости, попавшей в аппарат, кг/кмоль.

Если доказали, что возможно образование повышенного давления в аппарате, то следует проверить, защищен ли он предохранительным клапаном. Если клапана нет, определить необходимую площадь его сечения по формуле:

(18)

где F – необходимая площадь проходного сечения пружинного предохранительного клапана, м²;

G_max – максимальная производительность клапана по парогазовой среде, кг/с;

φ – коэффициент расхода среды через клапан;

р_ср – избыточное давление срабатывания клапана;

р_вх – избыточное давление за предохранительным клапаном;

ρ _t – плотность среды.

Или определить максимальную производительность пружинного предохранительного клапана по парогазовой среде по формуле:

(18а)

где α – коэффициент расхода;

Fк − фактическая площадь проходного сечения клапана:

F_к = 0, 785 × d_c², м²

где dc − диаметр сопла предохранительного клапана, м; В – коэффициент, принимаемый по таблице п.6 приложения 2; для жидкостей (если через клапан выходит жидкость) он принимается равным единице. Образование динамических воздействий в аппаратах. При исследовании возможности образования динамических воздействий в аппаратах необходимо выяснить:

– могут ли быть опасные вибрации;

– могут ли быть гидравлические удары и по каким причинам.

Приращение давления в трубопроводе при полном гидравлическом ударе определяется по формуле Н. Е. Жуковского:

∆ р = с × ∆ ω × ρ t (19)

где c – скорость распространения ударной волны,

(20)

где d – внутренний диаметр трубопровода;

s – толщина стенки трубопровода;

Е – модуль упругости материала трубопровода;

Е_ж – модуль упругости жидкости (величина, обратная коэффициенту объемного сжатия жидкостей β _сж).

Скорость распространения ударной волны может быть также определена (по выбору студента) по формуле:

(21)

где β _сж – коэффициент объемного сжатия жидкости плотность жидкости;

∆ ω − уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе, м/с,

Δ ω = ω _нач – ω _кон,

где ω _нач и ω _кон – начальная и конечная скорости движения продукта в трубопроводе, м/с; (часто ω _кон = 0).

Образование температурных напряжений или уменьшение прочностных свойств материала стенок аппаратов. При исследовании возможности образования температурных напряжений или уменьшения прочностных свойств материала стенок аппаратов следует установить:

− есть ли в аппаратах жестко соединенные конструкции (например, кожухотрубчатые теплообменники длиной более 2 м, жестко закрепленные, трубопроводы и т.п.);

− есть ли толстостенные аппараты;

− могут ли на материал стенок аппаратов (в данном случае) действовать высокие температуры (например, температуры пламени печей). Если такая угроза имеется, определить расчетом температуру стенки аппарата в месте возможного прогара):

− представляет ли опасность действие низких температур (минус 30 ^оС и ниже) на аппараты, размещенные на открытых площадках. Если аппараты выполнены из материала Ст. 3 кипящих мартеновских плавок и не имеют теплоизоляции, предложить соответствующую защиту.

При исследовании причин, приводящих к химическому износу материала (коррозии), следует установить:

− обладает ли коррозионными свойствами продукт, находящийся в аппарате;

− имеет ли продукт в своем составе коррозионные примеси: сернистые соединения, хлористые соли, кислоты и др.;

− может ли продукт, взаимодействуя с водой, разлагаться с образованием слабых кислот.

По всем выявленным характерным причинам повреждений следует проверить наличие средств защиты и при необходимости предложить дополнительные.