Виды мембранных предохранительных устройств

Глава 9

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЖАРА

ПРИ РАЗРУШЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Опасность взрывного повышения давления среды

В технологическом оборудовании

Взрывное повышение давления технологической среды внутри оборудования – одна из наиболее опасных аварийных ситуаций, предшествующих или сопутствующих пожару. Под взрывом понимают широкий круг явлений, связанных с выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за очень короткий промежуток времени. Физическая сущность этого явления – образование в локальной области зоны повышенного давления с последующим распространением по окружающей среде со сверхзвуковой скоростью взрывной волны, представляющей собой скачок давления, плотности, температуры и скорости среды.

Наиболее опасным внешним проявлением взрывов горючих систем в замкнутом объеме является быстрое повышение давления, причем (не считая детонации) максимальное давление взрыва может превышать начальное в 8–10, реже в 12 раз. Высокая температура продуктов сгорания (до 2000 К и выше), как правило, не представляет серьезной опасности для оборудования, поскольку теплоемкость газов незначительна по сравнению с теплоемкостью материала оборудования, поэтому температура стенок повышается всего на несколько десятков градусов.

Для обеспечения требуемой прочности оборудования необходимо, прежде всего, определить максимальное давление взрыва по формуле

, (9.1)

где р _взр и р _р – конечное давление взрыва и начальное рабочее давление в аппарате перед взрывом; T _взр и T _нач – температура продуктов горения при взрыве и начальная температура горючей смеси; m, n – количество молей в продуктах горения и в исходной смеси (по уравнению реакции горения).

При разрушении аппаратов вследствие взрывного повышения давления создаются условия для быстрого распространения пожара в результате выброса горящего содержимого аппарата в производственном цехе или на открытой площадке, повреждения осколками соседнего технологического оборудования, разрушающего действия ударной волны. Разрушение
аппаратов при взрывном повышении давления технологической среды часто приводит к гибели людей, оказавшихся в зоне поражения опасными факторами пожара.

При отсутствии эффективных средств защиты взрывное разрушение аппаратов вызывает повреждение зданий, сооружений и оборудования, увеличивает размер ущерба, осложняет обстановку на пожаре, затрудняет действия по ликвидации аварии и пожара. Поэтому защита технологического оборудования от взрыва позволяет обеспечить взрывобезопасность всего производства.

Способы защиты технологического оборудования

От разрушения при взрыве

Разрушающим при взрыве является быстро нарастающее давление внутри аппарата. Скорость нарастания и величина давления при взрыве зависят от химических свойств горючей смеси, концентрации горючего компонента в смеси, суммарного количества сгоревшего вещества при взрыве, начальной температуры и давления исходной горючей смеси.

Сброс взрывного повышения давления для защиты технологического оборудования осуществляется через мембранные предохранительные устройства (взрывные мембраны) или взрывные клапаны. Чтобы такая взрывозащита была достаточно надежной, необходимо выполнить два условия: обеспечить срабатывание предохранительных устройств при заданном давлении и их достаточную пропускную способность. Поэтому выбор предохранительных устройств и расчет их основных характеристик являются очень ответственными этапами проектирования оборудования.

Предельная простота конструкции и исключительно высокое быстродействие предохранительных мембран характеризуют их как самые надежные из всех существующих средств взрывозащиты технологического оборудования. Мембраны меньше других устройств подвержены влиянию кристаллизации, полимеризации среды (в известных пределах), обеспечивают полную герметичность оборудования (до срабатывания), не имеют ограничений по пропускной способности. Пожалуй, единственный, но весьма существенный недостаток мембран заключается в том, что после их срабатывания оборудование остается открытым до замены сработавшей мембраны, а это, как правило, приводит к остановке технологического процесса и выбросу излишне большого количества вредных продуктов в атмосферу. Для отвода продуктов взрыва в безопасное место предохрани-тельные мембраны или взрывные клапаны обычно оборудуют сбросными трубопроводами. Трубопровод от предохранительного устройства отводят либо за крышу, либо за боковую стену здания.

Основное требование к сбросным трубопроводам заключается в обеспечении минимального гидравлического сопротивления потоку сбрасываемых газов. Для этого трубопровод должен иметь минимальную длину, минимальное число поворотов и других местных сопротивлений.

 

Виды мембранных предохранительных устройств

По характеру разрушения различают разрывные, срезные, ломающиеся, хлопающие, выщелкивающиеся и отрывные взрывные мембраны (рис. 9.1).

				Р

е

г

б

д

в

а

Р

Р

Р

1

2

1

1

2

3

1

1

Р

Р

2

1

 

Рис. 9.1. Мембранные предохранительные устройства с разрушающимися мембранами: а – с разрывной мембраной; б – со срезной мембраной; в – с ломающейся мембраной;

г – с хлопающей мембраной; д – с выщелкивающейся мембраной; е – с отрывной

мембраной; 1 – мембрана; 2 – прижимные кольца; 3 – разрезной нож

 

Разрывные мембраны при срабатывании разрываются, поэтому их чаще изготавливают в виде тонкой пластины, плоской или вогнутой, из пластичных металлов (алюминия, никеля, меди, латуни или других).

Срезные мембраны срезаются по периметру острой кромки прижимного кольца. Их также изготавливают из пластичных металлов.

Ломающиеся мембраны при срабатывании ломаются и поэтому они выполняются из хрупких материалов (чугуна, графита, стекла и т. п.). Они чувствительно реагируют на нагрузки динамического характера, являются малоинерционными.

Хлопающие мембраны имеют форму сферического купола, выпуклая сторона которого обращена к зоне повышенного давления (внутрь
защищаемого аппарата). При повышении давления сверх критического сферический купол мембраны теряет устойчивость и выворачивается в обратную сторону. При этом мембрана сталкивается с крестообразным ножом и разрезается. Хлопающие мембраны изготовляют из тонколистового проката пластичных металлов.

Выщелкивающиеся мембраны применяют в тех случаях, когда разрывные и срезные мембраны из-за малой их толщины допускают ложные срабатывания. Выщелкивающиеся мембраны чаще изготавливаютиз пластмасс, они имеют выпуклую форму и крепятся в специальном гнезде (кольцевой выточке) с помощью мягкого припоя или замазки. При срабатывании выщелкивающиеся мембраны выбиваются из гнезда, полностью освобождая «живое» сечение стравливающего патрубка. После срабатывания выщелкивающиеся мембраны вновь могут быть использованы (они многоразового действия).

Отрывные мембраны применяют для защиты аппаратов с высоким рабочим давлением.Ими, например, защищены змеевиковые реакторы производства полиэтилена методом высокого давления (р _р = 150–
200 МПа), колонны синтеза карбамида (р _р = 20 МПа) и т. п. Такая мембрана чаще всего имеет вид колпачка, отлитого вместе с фланцами для крепления, и имеет ослабленное сечение, по которому и происходит ее отрыв при срабатывании.

Взрывные клапаны с шарнирно-откидными дверцами (рис. 9.2) применяют для защиты трубчатых печей, топок котлов, газогенераторов и других аппаратов.

 

		Рис. 9.2. Предохранительный клапан с шарнирно-откидной дверцей: а – до взрыва; б – после взрыва; 1 – рама клапана; 2 – дверца (клапан); 3 – противовес; 4 – упор для фиксации клапана в исходном положении

 

В исходном положении дверца клапана закрыта. Герметичность ее обеспечивается прижатием под действием собственного веса и проти-вовеса. При нарастании взрывного давления в аппарате дверца клапана откидывается на шарнире и, выпустив избыточное давление, вновь закрывает выпускное отверстие.

Основные размеры взрывных мембран (диаметр и толщина), общуюих площадь и количество определяют расчетом.

Мембранные клапаны, как правило, размещают на аппаратах в верхней части, на трубопроводах и воздуховодах – на поворотах, в тупиках, с учетом безопасности людей и пожарной безопасности: стравливаемые высоконагретые продукты взрыва должны быть направлены в сторону от людей и горючих веществ. Материал мембран подбирают, учитывая не только характер изменения нагрузок на мембрану, но и химическую активность среды в защищаемом аппарате или трубопроводе. Аппарат после срабатывания взрывной мембраны немедленно останавливают, все трубопроводы перекрывают. Пуск его в работу разрешается только после выяснения и устранения причин, вызвавших срабатывание мембраны, и замены разрушенной мембраны.