Аварии и взрывы аппаратов, работающих под давлением, и причины их возникновения

В строительстве и промышленности строительных материалов, а также при изготовлении конструкций широко эксплуатируются аппараты, сосуды и коммуникации, работающие под давлением.

К установкам работающим под давлением, относят паровые и водо­грейные котлы, компрессоры, газовые баллоны, паропроводы, газо­проводы, автоклавы и др.

Сосудом, работающим под давлением, называют герметически закрытую емкость, предназначенную для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых сжиженных и раство­ренных газов и жидкостей под давлением. Границей сосуда являются входные и выходные штуцера.

Вместимость герметических аппаратов и установок ограничиваем среду, в которой протекают основные рабочие процессы, поэтому пара­метры ее состояния (как и сама среда) различны. Например, среда может быть сильно нагретой — иметь температуру несколько тысяч градусов или быть сильно охлажденной — иметь температуру, близкую к абсо­лютному нулю; давление внутри аппарата может измеряться тысячами атмосфер или иметь значение порядка 10 ^-12 Па.

Применение большого числа сосудов и аппаратов, работающих под давлением, выдвигает на первый" план задачу создания здоровых и безопасных условий труда с одновременным решением вопросов профилак­тики производственного травматизма.

В ряде случаев разгерметизация сосудов, работающих под давлением, не только нежелательна с чисто технической точки зрения, но и опасна для обслуживающего персонала и производства в целом.

При разгерметизации сосудов, работающих под давлением, появ­ляется опасность физического или химического взрыва.

При атмосферном давлении вода кипит при 100°С в открытом сосуде. В закрытом сосуде, в паровом котле, вода закипает при 100°С, но обра­зующийся при этом пар давит на поверхность воды и кипение прекраща­ется. Чтобы вода продолжала кипеть в котле, необходимо ее нагревать до температуры, соответствующей давлению пара. Например, давление 6-10⁵ Па соответствует t=l69^о; 8-10⁵ Па — t=171°; 12-10⁵ Па — t=180^о и т. д.

Если после нагревания воды, например до 189°, прекратить подачу тепла в топку котла и нормально расходовать пар, то вода будет кипеть до тех пор, пока температура не станет ниже 100°. При этом чем скорее будет убывать давление в котле, тем интенсивнее будет кипение и паро­образование за счет избытка тепловой энергии, содержащейся в воде. Этот избыток тепловой энергии при падении давления от максимального до атмосферного целиком расходуется на парообразование. В случае механического разрыва стенок котла нарушается внутреннее равновесие в котле и происходит внезапное падение давления до атмосферного.

При этом образуется большое количество пара (из 1 м³ воды — 1700 м³ пара при нормальном давлении), что приводит к разрушению барабана котла и его перемещению за счет возникающей реактивной силы, что и вызывает разрушения. Следовательно, независимо от вели­чины рабочего давления в котле опасность таится не в паре, заполняю­щем паровое пространство котла, а в нагретой выше 100° воде, обладаю­щей громадным запасом энергии и готовой в любое мгновение испарить­ся при резком снижении давления.

Очевидно, что чем больше воды в котле на единицу поверхности нагрева, тем больше аккумулированной теплоты в ней и тем более взры­воопасен котел. В этой связи, с точки зрения безопасной эксплуатации, выбор типа котла и его конструкции для конкретных условий его применения имеет большое значение.

Менее опасными по последствиям возможного взрыва являются котлы с малым объемом воды, приходящимся на 1 м² поверхности нагрева. К этой группе относят водотрубные и прямоточные котлы. К наиболее опасными являются котлы цилиндрические с жаровыми трубами и батарейные. Подсчитано, что энергия, содержащаяся в 60 кг перегретой воды, находящейся в котле под давлением 5'10⁵ Па, эквивалентна энергии 1 кг пороха. Тепловой энергии воды в цилиндрическом котле 7-10⁵ и температуре около 170° вполне достаточно, чтобы под-5росить котел на значительную высоту.

Факторами нарушения целостности стенок котла, предшествующими механическому разрыву, а следовательно, и взрыву, являются такие, которые вызывают перенапряжение материала котла, а именно:

1) чрезмерное превышение расчетного давления при длительном

воздействии на котел вызывает перенапряжение стенок (рассчитанных с

определенным запасом прочности) и остаточные деформации растяжения, что увеличивает ползучесть материала. Это может произойти при порче предохранительных клапанов;

2) понижение уровня воды в котле до такого положения, когда на­греваемые пламенем стенки перестают охлаждаться водой и перегреваются. Это повышает их деформативность, что, в свою очередь, свя­зано со снижением предела текучести металла при нагреве его до высокой температуры;

3) недостатки конструкции и изготовления котла, например несоот­ветствие материала современным расчетным параметрам котлов, дефекты сварки или клепки при изготовлении и т. п.;

4) ветхость котла от долголетней эксплуатации и местные ослабления, в том числе в результате коррозии или накипи;

5) нарушение технических требований при эксплуатации и невнимательном обслуживании и содержании котельных установок, особенно при низкой квалификации обслуживающего персонала.

На стройках применяют водогрейные котлы для обогрева временных, бытовых и производственных помещений, а также при необходимости |подогрева таких строительных материалов, как песок, щебень, гравий, На водогрейные котлы распространяются те же требования безопас­ности, что и на паровые.

Наличие внутренней цилиндрической обечайки (жаровые трубы), соединений с наружным корпусом вертикального цилиндрического котла с помощью упорного кольца снижают надежность и безопасность эксплуатации. При деформациях внутренней обечайки вследствие упуска воды или отложений накипи возникает непосредственная опасность отрыва ее от упорного кольца, что приводит к авариям и взрывам.

Ремонт выявленных при эксплуатации дефектов паровых котлов иногда производится с нарушением инструкции котлонадзора: заварку трещин осуществляют без предварительного удаления дефектного сварного шва и без засверловки границ трещин, заварку коррозионных разъеданий элементов котлов производят без учета глубины и пло­щади разъеданий, в результате чего происходят аварии и взрывы, вызывающие большие разрушения, а главное — травмирование людей, причем часто со смертельными исходами.

По указанию Госгортехнадзора особое внимание должно уделяться обеспечению 100%-ного контроля качества сварных швов паровых кот­лов. На строительных объектах применяют преимущественно поршне­вые компрессоры, приводимые в действие двигателем внутреннего сгорания и смонтированные вместе с ресивером на раме-прицепе. Эти компрессоры имеют производительность от 1 до 15 м³ всасываемого воздуха в 1 мин, а иногда и более. При этом наружный воздух перед поступлением в рабочий цилиндр компрессора проходит через фильтр, где он очищается от пыли. Особую опасность (возможность взрыва) представляет горючая пыль.

Воздушные компрессоры представляют известную опасность в от­ношении взрыва, в первую очередь вследствие возможного образования взрывоопасных смесей из продуктов разложения смазочных масел и кислорода воздуха. Разложение смазочных масел происходит под воздействием высоких температур, развивающихся в компрессорах в процессе сжатия воздуха или другого i аза без охлаждения компрес­сора.

Процессы сжатия газов подчинены закону, выраженному уравне­нием политропыр рV^m= const, которое означает, что с увеличением степени сжатия первоначального объема газа этот объем уменьшается, а дав­ление соответственно возрастает. При этом температура сжимаемого газа повышается и может быть определена из соотношения:

Давлению воздушной среды при его сжатии соответствуют следую­щие температуры:

Давление, МПа 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,0 2,0 5,0

Температура, К 223 359 404 439 468 494 573 691 836

Таким образом, при эксплуатации воздушных поршневых компрес­соров и воздухосборников возможны их взрывы по следующим причи­нам: перегрев стенок компрессоров; загорание и взрыв паров смазочных масел; превышение допускаемого давления; засасывание загрязненного пылью или горючими газами воздуха; неисправные приборы безопас­ности.

На предприятиях промышленности строительных материалов в эксплуатации находится большое количество автоклавов со съемными крышками. Работают эти сосуды в основном под давлением пара и предназначены для различных технологических процессов, протекающих в различных средах с широким диапазоном рабочих параметров. Раз­личны также и емкости сосудов: от 20—30 до 70 м³ и более.

В настоящее время разработаны различные конструкции автоклавов с быстросъемными крышками. В одних конструкциях крышки крепят к корпусам автоклавов при помощи байонетных и полукольцевых затворов, в других — при помощи клиновых и бугельных захватов. Для открывания и закрывания на корпусе автоклава установлена поворотная консоль. Крышка крепится к консоли при помощи специальной подвески и может поворачиваться вокруг горизонтальной оси.

Для крепления крышки к корпусу автоклава ее зубья заводят в пазы зубчатого венца, расположенного на корпусе. Крышка или байонетное кольцо вращаются при помощи ручного редуктора, гидравлического или пневматического приводов. Однако в конструкциях автоклавов с быстросъемными крышками не предусмотрены необходимые меры по обеспечению безопасности обслуживания. Рабочие при обслуживании сосудов по каким-либо причинам (неисправность контрольно-измерительных приборов, запорных органов, перепускной или дренажной линий, невнимательность и несогласованность и др.) в нарушение производственной инструкции открывают крышку при наличии в сосуде явления или выпускают пар из автоклава при незакрытой или незакрепленной крышке. Это приводит к отрыву крышек и авариям с тяжелыми последствиями и травмированием обслуживающего персонала.

Расследование аварий показывает, что в большинстве случаев они происходят от пуска пара в атоклав при неполном заведении (на 10 —15 мм) зубьев крышек в пазы венца корпуса автоклавов и при неисправ­ной блокировке.

На строительных объектах широко применяют баллоны с кислородом ацетиленом для газовой сварки узлов соединений.

Взрывы баллонов во всех случаях представляют опасность независимо от того, какой газ в них содержится. Причинами взрывов могут быть удары (падение) как в условиях повышения температур от нагрева солнечными лучами или отопительными приборами, так и при низких температурах и переполнении баллонов сжиженными газами. Взрывы кислородных баллонов происходят при попадании масел и других жировых веществ во внутреннюю область вентиля и баллона, а также при накоплении в них ржавчины (окалины). В связи с этим кислородные баллоны перед их наполнением промывают растворителями (дихлорэтаном, трихлорэтаном).

Взрывы баллонов могут происходить и при ошибочном заполнении баллонов другим газом, например кислородного баллона горючим азом. Поэтому введена четкая маркировка, при которой все баллоны окрашивают в цвета, присвоенные каждому газу, а надписи на них делают другим цветом, также определенным для каждого газа. Так, кислородные баллоны окрашивают голубой краской, а надпись «Кислород» пишут черной краской. Ацетиленовые баллоны окрашивают белой краской, а надпись пишут красной и т. п.

Особую опасность для баллонов представляют падение или удар в условиях низких температур 30—40°С, так как в этих условиях сильно

снижается ударная вязкость углеродистых сталей.

Основными причинами аварий стационарных сосудов, работающих под давлением, являются неправильное изготовление сосудов, нарушение технологического режима и правил их эксплуатации, неисправность араматуры и приборов, коррозионное разрушение и прочие виды повреждений.

В тех случаях, когда нарушения нормального режима эксплуатации сосудов и установок, находящихся под давлением, превышают опре­деленные пределы, могут произойти взрывы. Эти взрывы сопровожда­ются разрушением зданий, отдельных конструкций и оборудования и могут быть непосредственной причиной производственных травм в виде ожогов паром, горячими газами или жидкостями, а также в виде механических повреждений взрывной волной, осколками разру­шающихся при взрыве сосудов и т. п., в большинстве случаев с тяжелыми исходами.

Мощность взрыва (в кВт) зависит от величины работы взрыва и времени его действия:

р = W / t ∙ 102,

где t — время действия взрыва, с; 102 — коэффициент перевода кг-м/с в кВт (1 кВт = 102 кг-м/с).

При взрыве сосуда происходит адиабатическое расширение сжатого газа, работа которого количественно может быть подсчитана из урав­нения, Дж.

Безопасность работы сосудов под давлением достигается правиль­ным их расчетом на статические и динамические нагрузки, применением доброкачественных материалов для их изготовления, правильной обра­боткой материалов и надлежащим конструктивным оформлением сосу­дов и, наконец, созданием нормальных условий эксплуатации.

Анализ статистических данных о взрывах паровых котлов, воздухо­сборников, компрессорных установок, автоклавов и баллонов пока­зывает, что большая их часть произошла из-за превышения допускаемых расчетных давлений.