§ 4.3. Повреждения технологического оборудования в результате температурного воздействия

Повреждение технологического производственного оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.

Температурные перенапряжения в материале, из которого изготовлены аппараты и трубопроводы, наступают тогда, когда есть препятствия линейному изменению отдельных элементов (узлов) или конструкции в целом.

Если аппарат (трубопровод) при изменении температуры свободно меняет свои размеры, то повреждения не произойдет. Изменение длины конструкции при этом будет равно:

, (4.11)

где а — коэффициент линейного расширения материала конструкции; Δt — изменение температуры; l — длина конструкции.

При отсутствии условий свободного изменения линейных размеров аппарата (трубопровода), то есть в жестко защемленной конструкции, при изменении температуры возникнут температурные напряжения, величину которых можно определить, составив уравнение совместных деформаций:

, (4.12)

где Δ1_Р — изменение длины конструкции под воздействием фиктивной силы pt, вызывающей равнозначные и равновеликие температурные напряжения в конструкции. Согласно закону Гука,

Δl_p = p_tl/(FE)=σ_tl/E, (4.13)

где p_t — сила, возникающая при действии температуры на конструкцию; F — площадь сечения конструкции; Е — модуль упругости материала; σ_t— температурное напряжение. Подставляя (4.11) и (4.13) в (4.12), получим:

, (4.14)

Температурные напряжения наблюдаются при жестком креплении трубопроводов, наличии в аппаратах биметаллических конструкций или конструктивных элементов, находящихся под воздействием неодинаковых температур, в толстостенных конструкциях и: при местных изменениях температур в материале аппарата.

Высокое температурное напряжение в материале труб, если не принять мер к его устранению, может разрушить трубопровод, арматуру, опоры и нанести повреждение оборудованию (насосам, фильтрам и т. п.) и резервуарам.

Разгрузка трубопроводов от температурных напряжений осуществляется установкой температурных компенсаторов. Компенсаторы применяют линзовые, гнутые (П-образные, лирообразные и др.) (рис. 4.8) и сальниковые.

Рис. 4.8. Виды компенсаторов: а — волнистые; б — линзовые; в, г — гнутые

В толстостенных аппаратах, работающих при повышенной или: пониженной температурах, степень нагретости внутренней и на­ружной поверхностей стенки различна. Температурный перепад пo толщине стенки, как и неодинаковый нагрев отдельных участков, особенно при резком изменении рабочих температур, может вызвать опасные по величине температурные напряжения. По этой причине неоднократно происходили повреждения аппаратов и серьезные аварии.

Так, на химическом комбинате колонна синтеза изобутилового спирта работала под давлением 32 МПа при температуре в зоне ка­тализатора 470° С. Корпус колонны представлял собой стальную трубу толщиной 30 мм, усиленную четырьмя рядами намотанной на нее профилированной стальной ленты. Суммарная толщина стенки составляла 126 мм. Незадолго до аварии температура в зоне катализатора резко повысилась и в течение 5 мин превышала 600° С. Произошел разрыв корпуса колонны. Силой взрыва была разрушена железобетонная кабина. Съемные железобетонные щиты весом 5 т, закрывающие при работе агрегата монтажный проем в стене кабины, были отброшены на 140 м. Причиной аварии послужил увеличенный перепад температур между внутренней и наружной стенками колонны. По данным отраслевого научно-исследовательского института азотной промышленности при установившемся температурном режиме таких колонн нормальный температурный перепад не должен превышать 15...20° С, а в данном случае он составил более 45° С. Было установлено, что при такой толщине стенок разность температур между внутренней и наружной поверхностями стенки корпуса в один градус уже вызывает напряжение сжатия (на внутренней поверхности) и растяжения (на наружной) до 1,8...2,0 МПа. Естественно, что напряжение в материале стенки превысило опасный предел.

При поверочных расчетах толстостенных конструкций температуру наружной и внутренней поверхностей стенки принимают исходя из максимально возможного перепада температур как в процессе работы, так и в периоды пуска и остановки аппарата.

Для предупреждения аварий толстостенных аппаратов от температурных воздействий строго поддерживают заданный температурный режим работы, используют автоматические регуляторы температуры, устанавливают регистрирующие приборы с сигнальными устройствами для замера температуры стенок корпуса, производят охлаждение внутренней поверхности стенок аппарата путем пропускания холодного циркуляционного газа. При повышении температуры наружной или внутренней поверхностей стенок аппа­рата сверх установленной величины автоматически снижают давление и температурный режим аппарата, принимают меры к остановке всего технологического, процесса.

Для уменьшения разности температур между внутренней и наружной поверхностями стенок аппарата и снижения влияния температуры внешней среды наружные поверхности толстостенных аппаратов и трубопроводов защищают теплоизоляцией. Во избежание температурных перенапряжений следует очень медленно нагревать и охлаждать толстостенные аппараты в период их пуска и остановки, не допускать нарушения установленного темпа изменения температуры во времени.

Длительное воздействие высоких температур на материал, из которого изготовлены технологические аппараты, приводит к появлению медленных пластических деформаций в этих аппаратах даже в тех случаях, когда напряжение от рабочих нагрузок не превышает предела текучести (при данной температуре). Такое явление носит название ползучести (крипа). Особенно существенные изменения в условиях длительной работы под нагрузкой при высокой температуре претерпевают углеродистые стали. Легированные и жаропрочные стали при действии высоких температур изменяют свои механические свойства незначительно. Поэтому при конструировании аппаратов и трубопроводов (в зависимости от величины температурного режима) рекомендуется использовать следующие стали: при температуре от минус 20° С до плюс 425° С и давлении до 5 МПа — углеродистые стали обыкновенного качества (ВСтЗсп); при температуре от минус 20° С до плюс 475° С — углеродистые стали для котлостроения (15К, 20К) и стали повышенной прочности — низколегированные (09Г2С, 12МХ); при температуре от минус 60° С до плюс 850° С — теплоустойчивые и жаростойкие легированные стали с присадками хрома, ванадия, вольфрама или никеля (20Х5МЛ, 08X13); при низких (до минус 250° С) и высоких температурах (до плюс 1200° С) — высоколегированные жаропрочные стали с большими добавками хрома, никеля и небольшим количеством вольфрама, кремния (ОХ18Н10Т, 30Х24Н12СЛ).

Воздействие высоких температур на материал аппаратов возни­кает при ококсовании и загрязнении их теплообменной поверхности, при снижении в них уровня жидкости, в результате повреждения защитной футеровки. Подобные явления называют прогаром стенок (см. главу 12 данного учебника).

Повреждение технологического оборудования может наступить в результате воздействия не только высоких, но и низких температур. При низких температурах работают холодильные установки (аммиачные, пропановые и др.), установки газофракционирования (при температуре минус 30° С и ниже); установки по производству жидкого воздуха, кислорода и азота (при температуре минус 180° С и ниже), а также установки, находящиеся на открытых площадках в районах Урала, Сибири и Крайнего Севера. В этих условиях эксплуатации оборудования возникает опасное явление хладоломкости стали, связанное с падением ударной вязкости.

Ударная вязкость углеродистых сталей резко (скачкообразно) падает при снижении температуры. Потеря ударной вязкости может привести к образованию трещин, а иногда к полному разрушению аппаратов из этих сталей даже при действии нормальных рабочих нагрузок.

С увеличением количества углерода и фосфора в стали хрупкость ее увеличивается. Анализ происшедших повреждений аппаратов показал, что почти во всех случаях имело место сочетание нескольких причин: хрупкость металла при низких температурах, жесткость конструкций (особенно сварных), значительные внутренние перенапряжения в отдельных узлах, появляющиеся под влиянием дополнительных факторов — перепада температуры, действия ветра, динамичности нагрузок и т. п.

При эксплуатации технологических аппаратов в условиях низких температур чаще всего наблюдаются случаи повреждения резервуаров и емкостей с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, а также со сжиженными газами, причем почти все случаи полного разрушения аппаратов происходят по одной и той же схеме: разрушается наиболее нагруженный конструктивный элемент — корпус резервуара, заполненный продуктом. Разрушается он по ломаной линии на полную высоту стенки, а затем в результате радиального усилия, связанного с выливанием большого количества жидкости, корпус отрывается от днища и отбрасывается в сторону. Одновременно крыша резервуара обрушивается на днище, которое обычно остается на месте или немного сдвигается в сторону. На рис. 4.9 показаны примерная схема разрушения резервуара и последствия разрушения. При аварии заполненного резервуара жидкость, выходя наружу, разрушает вал или перехлестывает через обвалование и разливается на значительной площади.

Кроме случаев полного разрушения стенок резервуара часто наблюдаются случаи образования трещин, нарушающих герметичность и создающих опасность дальнейшей; эксплуатации резервуаров. Трещины в резервуарах появляются, как правило, в наиболее

Рис. 4.9. Схема пожара в резервуарном парке: / — обвалование; 2, 3, 4 — развернутая стенка, днище и сброшенная крыша разрушившегося резервуа­ра (соответственно); 5 — эстакада трубопроводов; 6 — узел задвижек; 7 — насосная с операторной. Заштрихована зона горения (13 000 м²)

холодные месяцы года. В качестве примера можно привести случай, когда в Восточной Сибири при резком снижении температуры (до минус 43° С) у пяти резервуаров образовалось в течение суток 18 трещин в стенках и сварных швах. (Резервуары по 5000 м³ каждый.) Несомненно, здесь сказалось наличие температурных перенапряжений. При морозе даже в пустом резервуаре температура в центральной части днища на 20...25° С выше, чем температура наружной части корпуса.

Аппараты и трубопроводы, работающие в условиях низких температур, чувствительны к различного рода динамическим воздействиям (ударам, сотрясениям и т. п.).

Таким образом, при сооружении аппаратов, емкостей и трубопроводов, работающих в условиях воздействия низких температур, следует уделять серьезное внимание подбору материала. Как правило, должны применяться стали с повышенной ударной вязкостью, имеющие низкую критическую температуру хладоломкости, в частности при температуре до минус 20° С — углеродистые стали спокойных плавок (ВСтЗсп4); при температуре минус 30° С — углеродистые стали повышенного качества (стали 10 и 20); при температуре до минус 40...80° С — низколегированные стали (16ГС, 09Г2С); при температуре до минус 250° С — высоколегированные хромоникелевые стали. Цветные металлы и сплавы хладоломкости не подвержены.

Для аппаратов, резервуаров, трубопроводов, выполненных из сталей с пониженной ударной вязкостью и эксплуатирующихся в районах с низкой температурой воздуха, принимают ряд дополнительных мер защиты. Так, наружные емкости со сжиженными газами, выполненные из кипящей мартеновской стали, защищают теплоизоляцией и оборудуют внутренними змеевиками для обогрева их в зимнее время циркулирующим керосином. Температура стенки в самое холодное время не бывает в таких случаях ниже минус 5° С. Для резервуаров с ЛВЖ и ГЖ, выполненных из стали с пониженной ударной вязкостью, в зимний период устанавливают меньшую степень заполнения, реже осуществляют операции слива и налива, принимают меры к утеплению наиболее нагруженных нижних поясов (рис. 4.10 и 4.11).

Рис. 4.10. Допустимый уровень взлива резервуара РВС-5000 при различных температурах: / — сталь ВСтЗкп; 2— сталь ВСтЗсп

Рис. 4.11. Утепление нижнего узла резервуара землей, снегом или плитами