Глава 3.2. Забезпечення безпеки праці при експлуатації посудин і апаратів, що працюють під тиском

3.2.1. Аварії, вибухи посудин і апаратів, що працюють під тиском. Причини виникнення вибухів

Посудиною, що працює під тиском, називають герметично закриту ємність, призначену для ведення хімічних і теплових процесів, а також для збереження і перевезення стиснутих зріджених чи розчинених газів і рідин під тиском (парові, водогрійні котли, компресори, газові балони, паро-газопроводи, автоклави).

Середовище таких посудин може бути високотемпературним, низькотемпературним, мати тиск, що вимірюється тисячами атмосфер, або низький, у межах до 10-12 Па.

Границею посудини, що працює під тиском, є вхідні й вихідні штуцери.

У ряді випадків розгерметизація посудин не тільки негативна в технічному плані, але й небезпечна для обслуговуючого персоналу, виробництва в цілому та навколишнього середовища, тому що може викликати фізичний або хімічний  вибух.

Застосування великого числа посудин з різними технологічними параметрами висуває завдання створення здорових і безпечних умов праці з одночасним вирішенням питань зниження рівня виробничого травматизму.

Котли водяні й парові

При атмосферному тиску вода кипить при to = 100 oС. У закритому котлі вода закипає при to = 100 oС, однак пара, що утворюється при цьому, давить на поверхню води і кипіння припиняється. Таким чином,  щоб вода продовжувала кипіти в котлі, її необхідно нагрівати до температури, яка відповідає тиску пари на її поверхню. Так, при тиску пари Р = 6·105 Па для кипіння води її потрібно нагріти до температури to = I69 oС; при Р = 8· 105 Па – до to = 171 oС і т. д.

Якщо після нагрівання води, наприклад, до to = 189 oС, припинити подачу тепла і повільно витрачати пару, то через зниження тиску на поверхню вода буде кипіти доти, доки її температура не стане нижчою за to = 100 °С. Таким чином, кипіння в котлі буде відбуватися за рахунок надлишку теплової енергії           води.

У випадку механічного розриву стінок котла, що працює під тиском, в ньому порушується внутрішня механічна рівновага через раптове падіння внутрішнього тиску до атмосферного. Це викликає утворення великої кількості пари (з 1 м3 води утворюється 1700 м3 пари), що призводить до руйнування котла за рахунок реактивної сили. Унаслідок цього небезпека котлів полягає не в парі, а у воді, нагрітій до температури to > 100 °С.

З цього випливає, що менш небезпечними за наслідками можливого вибуху, є котли з малим об’ємом води, що приходиться на одиницю поверхні такої посудини, працюючої під тиском. До таких котлів відносяться водотрубні й прямоточні котли.

Енергія, що утримується в 60 кГ перегрітої води в котлі під тиском 5 · 105 Па відповідає енергії вибуху 1 кГ пороху.

Фактори, що сприяють вибуху котла, який  працює під тиском:

1. Порушення технічних вимог експлуатації. Недотримання розрахункового тиску, наприклад, при псуванні запобіжних клапанів.
2. Зменшення кількості води в котлі до рівня, при якому стінки, що нагріваються полум’ям, перестають охолоджуватися водою і перегріваються. Це викликає їхню деформацію, зниження межі текучості матеріалу при підвищеній температурі.
3. Недоліки конструкції і порушення технології при виготовленні котла (невідповідність матеріалу, дефекти зварювання і т. п.).
4. Старіння матеріалу котла, місцеві ослаблення, корозія через багаторічну експлуатацію.
5. Порушення інструкцій котлонагляду при ремонті:

• заварювання тріщин без видалення дефектного шва;
• заварювання без засвердловки межі тріщин;
• заварювання тріщин і корозійних роз’їдань без врахування глибини і площі роз’їдань.

Ресивери, з’єднані з компресором

Процеси стиску газів підчиняються законові, який виражається рівнянням політропічного процесу:

.

де V –  початковий об’єм газу; Р – ступінь стискання газу; –  показник політропи; СР,  СV  – теплоємність газу відповідно при деяких постійних значеннях тиску (Р) і об’єму (V).

Згідно з цим виходить, що зі збільшенням ступеня стискання (Р) початкового об’єму (V) газу його об’єм зменшується, а тиск зростає. При цьому відбувається підвищення температури газу, яке описується такою формулою:

Причини виникнення вибухів у компресорах обумовлюються такими факторами:

• наявністю горючого пилу, що осаджується у фільтрах;
• утворенням вибухонебезпечних сумішей з кисню повітря і продуктів розкладання мастил під впливом високих температур, що розвиваються в компресорах.

Фактори, що сприяють виникненню вибуху в компресорах:

До основних факторів, що сприяють виникненню вибуху в компресорах з ресиверами, відносяться:

1. Перегрів стінок компресора.
2. Загоряння і вибух пари мастил.
3. Засмоктування повітря, забрудненого пилом чи горючими газами.
4. Несправність приладів безпеки та контролю.
5. Порушення технічних правил експлуатації.

Автоклави

Автоклави – посудини, що працюють, в основному під тиском пари і при високій температурі.

Основна небезпека при обслуговуванні автоклавів полягає в маніпуляціях з кришками, що можуть закріплюватися різними способами: байонетним, напівкілъцевим затвором, клиновим або бугельним захватом. У конструкціях з швидкознімними кришками, як правило, не передбачені необхідні засоби для забезпечення безпеки обслуговування. Із-за цього бувають випадки відкривання кришки при наявності тиску в автоклаві, впуск пари в автоклав при незакритій або не повністю закритій кришці. Це може призвести до відриву кришки, аварії, травми обслуговуючого персоналу.

Фактори, що сприяють виникненню аварійних ситуацій при роботі з автоклавами

У більшості випадків причина таких аварійних ситуацій полягає в наступних технологічних і конструктивних похибках:

• впуск пари в автоклав при неповному закладанні зубів кришки у відповідні пази;
• несправність пристроїв блокування початку чи протікання технологічного процесу;
• несправність контрольних приладів.

Балони з киснем, ацетиленом для газового зварювання

Вибухи кисневих балонів можуть відбуватися з таких причин:

• Попадання масла чи інших жирових речовин у внутрішню область вентиля або балона, а також при накопиченні в них іржі. Для запобігання таких ситуацій необхідне промивання балону відповідними розчинниками.
• Удари чи падіння балонів як при підвищеній, так і при зниженій температурах. Особливо небезпечні удари чи падіння балонів при температурі, зниженій до to = – (30…40) оС, тому що при цьому значно понижується  ударна в’язкість сталі.
• Помилкове заповнення балонів іншим газом. Для виключення цього є чітке загальноприйняте маркірування, яке полягає у фарбуванні балонів у різні кольори: балони з киснем – у голубий з чорним надписом; ацетилен – у білий з червоним надписом і т. д.
• Через неправильну технологію чи використання невідповідних матеріалів при виготовленні балону.
• Корозійне руйнування матеріалу балону.
• Порушення правил експлуатації балону.

3.2.2. Технічний огляд і випробування посудин і апаратів, що працюють 

під тиском

Посудини, що працюють під тиском, у тому числі й ті, що не реєструються в органах Держгортехнагляду, піддають технічному огляду й випробуванням до пуску, періодично в процесі експлуатації й позапланово. Випробування призначені для встановлення можливості безаварійної роботи посудини чи апарата в наступний регламентний період.

Технічний огляд включає:

1. Внутрішній огляд. Він полягає в оцінці стану внутрішньої і зовнішньої поверхні, оцінки впливу середовища на стінки. Такий огляд проводять не рідше одного разу в 4 роки. При цьому виконують обмірювання товщини стінок, зсув крайок і т. п.
2. Механічні випробування. Цьому виду випробувань піддають стикові зварні з’єднання для перевірки відповідності їх властивостей технічним умовам щодо міцності й пластичності. Механічні випробування проводять на зразках, які беруть з кожного контрольного стикового з’єднання. При цьому беруть по 2 зразки на кожне з’єднання.

Види механічних випробувань:

а) статичні випробування на розтяг і вигин для визначення межі міцності й пластичності металу;

б) динамічні – на ударну в’язкість;

в) металографічні дослідження швів. У цьому разі досліджується мікро- та макроструктура металу, наявність мікротріщин, дефектів структури металу, шлакових включень і т. п.

1. Гідравлічні випробування. Ці випробування проводять після  обов’язкового попереднього огляду посудини чи апарату, що працюють під тиском. Періодичність випробування – не рідше одного разу на 8 років. При цьому перевіряють герметичність і міцність посудини чи апарату. Гідравлічні випробування виконують пробним тиском, величина якого встановлюється залежно від типу посудини та її робочого тиску (табл. 3.1).

Таблиця 3.1.  Дані для гідравлічних випробувань посудин, що працюють під  тиском

Тип посудини, що працює під тиском	Робочий тиск посудини Рр, МПа	Випробувальний тиск Рв, МПа
Всі посудини, крім литих	< 0,5	, але не менше 0,2 МПа
	≥ 0,5	, але не нижче Рр + 0,2 МПа
Литі	Незалежно від робочого тиску	, але не нижче 0,3 МПа

Примітка. В табл. 3.1 – допустимі напруження для матеріалу посудини, що відповідають температурі 20 оС і розрахованій робочій температурі стінки посудини. При                                  toр = 200…400 оС величина Рв ≤ Рр ∙ 1,5. При toр  > 400 оС величина Рв ≤ Рр ∙ 2.

Для гідравлічних випробувань, як правило, використовують воду потрібної температури. Час випробування посудини чи апарату, який працює під тиском, при випробувальному тиску (Рв)  складає 5 хв. Після зниження тиску проводять огляд посудини для виявлення течі, запотівання на стінках, у з’єднаннях, наявності деформації, ознак початку процесу розриву матеріалу посудини.

1. Пневматичні випробування.

В тому разі, коли гідравлічні випробування провести неможливо, наприклад через велику напруженість стінок посудини по причині великої маси води чи складності видалення води з посудини після випробування, дозволяється заміна такого випробування пневматичним. Таке випробування виконують з використанням повітря або інертного газу. При цьому величина випробувального тиску (Рв) встановлюється така ж, як і при  гідравлічних випробуваннях.

Пневматичні випробування посудин малого і середнього об’єму виконують після занурення їх у ванну з водою. Час випробування складає tв ≥ 1 хв.

Посудини великого об’єму випробують протягом tв ≥ 5 хв. При цьому манометри, вентилі для подачі газу виносять за межі приміщення, в якому знаходиться посудина, що випробується. Людей з цього приміщення видаляють.

Випробування запобіжних клапанів

Випробування запобіжних клапанів виконують у строки, які встановлюються залежно від умов експлуатації судини, що працює під тиском. На доповнення до цього їх працездатність перевіряють перед кожною робочою зміною. З цією метою в конструкції клапану передбачений пристрій примусового             відкривання.

Випробування розривних мембран

Розривні мембрани підбирають при їх установці чи заміні методом контрольної вибірної перевірки з однотипної партії. Випробування виконують на спеціальних установках.

3.2.3. Забезпечення безпеки праці при експлуатації посудин,

що працюють під тиском

Безпека експлуатації посудин, що працюють під тиском, досягається організаційними заходами та технічними засобами.

До організаційних заходів відносяться:

1. правильний розрахунок на статичні й динамічні навантаження;
2. застосуванням якісних матеріалів, передбачених розрахунком;
3. дотримання вказаної технології при виготовленні посудини;
4. своєчасне проходження випробувань;
5. відповідна кваліфікація персоналу, який працює та обслуговує посудини, що працюють під тиском;
6. забезпечення нормальних умов експлуатації.

Посудини, що працюють під тиском, для неїдких, неотруйних і невибухонебезпечних середовищ, температура стінки яких в робочому стані становить          to ≤ 200 оС, добуток ємності (V) на робочий тиск (Pр)  є більшим, ніж                     1000 л∙МПа, а також посудини для їдких, отрутних і вибухонебезпечних середовищ при температурі стінки to ≥ 200 оС, величина добутку (V∙Pр) для яких становить більше 50 л∙МПа, підлягають реєстрації в органах Держгортехнагляду. Для реєстрації потрібні такі документи: заява, паспорт посудини, акт про монтаж і установку посудини, схеми включення з вказівкою джерела тиску, параметрів його робочого середовища, арматури.

Технічні засоби, що забезпечують безпеку посудин, працюючих під  тиском

Для запобігання аварій посудин, що працюють під тиском, при перевищенні тиску вище допустимого значення використовують такі основні технічні засоби:

1. Допоміжну захисну арматуру. Це запірно-захисні запобіжні, редукційні, зворотні чи самозапиральні клапани.

Запірна арматура повинна забезпечувати в закритому положенні щільність відключення, а у відкритому – мінімальний опір рухові речовини, яка виходить з посудини в аварійній ситуації.

Для регулювальної арматури основною вимогою є забезпечення рівномірної зміни кількості продукту, що протікає через неї з посудини.

Самозапиральні клапани встановлюють, в основному, на газопроводах. Вони перекривають прохід газу при недопустимих змінах його тиску.

1. Спеціальні запобіжні пристрої – розривні мембрани, відривні клапани, запобіжні чи блокувальні пристрої для байонетних затворів.

Так, наприклад за «Правилами» Держгортехнагляду паровий котел повинен бути обладнаний такими технічними запобіжними засобами захисту: запобіжними клапанами (робочим і контрольним); приладами  для вимірювання рівня води в котлі; запірним вентилем; зворотним клапаном нагнітальної лінії живлення водою; спускним вентилем.

Основне навантаження щодо відповідальності за безпеку праці при роботі посудин, працюючих під тиском, несуть запобіжні клапани, але вони мають істотний недолік – значну інерційність дії. Це може призвести до невідповідності часу, який необхідний для їхнього спрацьовування або для забезпечення поступової зміни тиску в посудині, нормативним вимогам безпеки.

У тому разі, якщо в посудині існує ймовірність швидкого (миттєвого) підвищення тиску вище номінального значення, то замість запобіжних клапанів використовують інші спеціальні захисні пристрої – запобіжні мембрани, що руйнуються при перевищенні тиску в посудині на Р ≤ 0,25 Рдоп (вище дозволеного).

Запобіжні мембрани встановлюють:

1. Як самостійні запобіжні пристрої.
2. Перед запобіжними клапанами.
3. Рівнобіжно з запобіжним клапаном.
4. Разом з іншими запобіжними пристроями (вибухові люки, вогнеперешкоджувачі, відсікателі та ін.

Основна умова, що ставиться до конструкції мембрани, – забезпечення достатньої пропускної здатності мембранного пристрою при спрацьовуванні. Це полягає у вивільненні прохідного перерізу мембрани для випуску середовища з посудини з швидкістю, яка не менша за швидкість збільшення тиску в апараті.

Вибір матеріалу, з якого виготовляється мембрана, залежить від умов експлуатації посудин і апаратів (тиску, швидкості його наростання, фазового складу, агресивності середовища та ін.). Як такі матеріали використовують чавун, скло, графіт, сталь, алюміній, бронзу.

У випадку скидання токсичних і вибухонебезпечних продуктів клапани, мембрани та інші захисні пристрої обладнують спеціальними відводами, які не допускають забруднення навколишнього середовища.