В результате температурных воздействий

Повреждение технологического 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 аппаратов наступают, когда есть препятствия линейному изменению отдельных элементов или конструкции в целом.

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

, (4.8)

где – коэффициент линейного расширения материала конструкции; – изменение температуры; l – длина конструкции.

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

, (4.9)

где – изменение длины конструкции под воздействием фиктивной силы , вызывающей равнозначные и равновеликие температурные напряжения в конструкции.

Согласно закону Гука,

, (4.10)

где – сила, возникающая при действии температуры на конструкцию; F – площадь сечения конструкции; Е – модуль упругости материала; – температурное напряжение.

Подставляя (4.8) и (4.10) в (4.9), получим:

. (4.11)

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.

Разгрузка трубопроводов от температурных напряжений осуществляется установкой температурных компенсаторов. Компенсаторы применяют линзовые, гнутые (П-образные, лирообразные и др.) и сальниковые (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Виды компенсаторов:

а –волнистые; б –линзовые; в, г –гнутые

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 от температурных воздействий:

- строго поддерживают заданный температурный режим работы;

- используют автоматические регуляторы температуры;

- устанавливают регистрирующие приборы с сигнальными устройствами для замера температуры стенок корпуса аппарата;

- производят охлаждение внутренней поверхности стенок аппарата;

- наружные аппараты защищают теплоизоляцией.

Длительное воздействие высоких температур на материал, из которого изготовлены 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, а легированные и жаропрочные свои механические свойства изменяют незначительно. Поэтому при конструировании аппаратов и трубопроводов необходимо использовать марки сталей, в зависимости от назначения материала, с учетом возможного повышения температуры при эксплуатации.

Повреждение технологического оборудования может наступить в результате воздействия не только высоких, но и низких температур. При низких температурах работают холодильные установки (аммиачные, пропановые и т.п.), установки газофрикционирования (при температуре -30 ^оС и ниже); установки по производству жидкого воздуха, кислорода, азота (при температуре -180 ^оС и ниже), а также технологические сооружения на открытых площадках в районах Урала, Сибири и Крайнего Севера. В этих условиях эксплуатации оборудования возникает опасное явление хладоломкости стали (охрупчивание), связанное с резким падением ударной вязкости при снижении температуры, что приводит к образованию трещин, а иногда и к полному разрушению сооружений. Так, в 1950 - 1970 годах наблюдалось большое количество разрушений вертикальных стальных резервуаров, эксплуатировавшихся в основном в районах Сибири, вызванное охрупчиванием металла. Все резервуары были выполнены из стали марки Ст3кп. По результатам работы комиссий, расследовавших аварии, было выяснено, что данная марка стали склонна к хрупкому излому при низких температурах.

На рис. 4.5 показана схема пожара в резервуарном парке, происшедшего на одной из нефтебаз в Восточной Сибири, причиной которого явилось полное разрушение одного из четырех резервуаров в группе типа РВС-5000 м³ с бензином. Авария произошла при резком снижении температуры окружающего воздуха от -20 до -43 ^оС, что привело к образованию в течение суток 18 трещин в стенках и сварных швах резервуаров и полному разрушению одного из них.

Таким образом, при сооружении аппаратов, емкостей и трубопроводов, работающих в условиях воздействия низких температур, необходимо применять стали с повышенной ударной вязкостью и имеющих низкую критическую температуру хладоломкости.

Рис. 4.5. Схема пожара в резервуарном парке:

1 –обвалование; 2, 3, 4 –развернутая стенка, днище и сброшенная крыша

разрушившегося резервуара; 5 –эстакада трубопроводов; 6 –узел задвижек;

7 –насосная с операторной; заштрихована площадь пожара 13000 м²

В качестве дополнительных мероприятий наружные емкости с СУГ защищают теплоизоляцией и оборудуют внутренними змеевиками для обогрева их в зимнее время циркулирующим керосином. Для резервуаров с ЛВЖ и ГЖ в зимний период устанавливают меньшую степень заполнения (до 70-80%), реже осуществляют операции слива и налива, утепляют наиболее нагруженные элементы конструкции резервуаров – узлы сопряжения стенки с днищем (уторный уголок).