Повреждения технологического оборудования в результате механических воздействий

Под механическими воздействиями обычно понимают такие воздействия, которые возникают в результате превышения расчетных нагрузок на оборудование при сохранении его расчетной прочности

Различают три вида механических воздействий на материал стенок аппаратов и трубопроводов: образование повышенного или пониженного давления; воздействие динамических нагрузок; эрозионный износ.

Изменение давления вызывается:

– нарушением материального баланса;

– нарушением теплового баланса;

– нарушением процессов конденсации;

– попаданием легкокипящих жидкостей в объем высоконагретых аппаратов;

– нарушением протекания экзотермических химических процессов.

Наиболее характерным механическим воздействием является чрезмерное внутреннее давление, возникающее в аппарате при переполнении технологического оборудования жидкостями или газами. Такое явление может иметь место на производстве при нарушении технологического режима, при недостаточном контроле за технологическим процессом, при неисправности контрольно-измерительных приборов и защитной автоматики.

В мерниках, резервуарах и других «дышащих» (связанных с атмосферой) емкостных аппаратах повышенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата жидкостью). Это чаще всего происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Те же причины могут привести и к образованию вакуума при опорожнении резервуара, вызвав смятие его корпуса. Пропускная способность дыхательных линий и установленных на них дыхательных клапанов должна соответствовать скорости закачки жидкости в резервуар. При этом следует учитывать выделение из жидкости растворенных газов, особенно при закачке нестабильных нефтей и бензинов.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) возникает в результате нарушения температурного режима работы. Температурный режим может быть нарушен из-за перегрева жидкостей и газов, находящихся в этих аппаратах. Перегрев же может произойти при отсутствии или неисправности контрольно-измерительных приборов, недосмотре обслуживающего персонала, воздействии высоконагретых соседних аппаратов, в результате повышения температуры окружающей среды. При этом давление в аппаратах возрастает за счет объемного расширения веществ и увеличения упругости их паров и газов.

В герметичном аппарате с газами или перегретыми парами давление увеличивается прямо пропорционально возрастанию их температуры. В аппаратах, баллонах и трубопроводах со сжатыми газами опасное повышение давления возможно лишь при значительном повышении температуры.

Особую опасность представляют герметичные емкости и трубопроводы, сплошь заполненные жидкостью или сжиженным газом без оставления парового пространства. Так как жидкости практически несжимаемы, нагревание их даже до невысоких температур вызывает очень большие внутренние давления, приводящие к повреждениям и разрыву стенок.

Повышение температуры на величину ∆t вызывает увеличение объема жидкости, находящейся в сосуде, и некоторое изменение объема самого сосуда, причем объем жидкости изменяется в значительно большей степени, чем объем сосуда. Стенки сосуда гасят стремление жидкости к расширению, как бы сжимают ее, за счет чего в сосуде возникает избыточное давление.

Приращение давления в герметичном аппарате или на участке трубопровода, полностью заполненном жидкостью, при повышении температуры определяют по формуле:

⁽²⁶⁾

где β – коэффициент объемного расширения жидкости, К ;

β_сж – коэффициент объемного сжатия жидкости, м /Н (Па );

α – коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата, 1/К;

– изменение температуры в аппарате, ⁰С.

При проведении технических расчетов можно пользоваться упрощенной формулой (погрешность расчета при этом не превышает 5-7%):

⁽²⁷⁾

Допустимую степень заполнения емкостных аппаратов жидкостью рассчитывают по формуле:

(28)

где ε – степень заполнения аппарата;

– предельный ожидаемый перепад температур, который может наблюдаться при эксплуатации аппарата.

Давление в аппарате может повыситься также в результате попадания в аппарат низкокипящей жидкости (через неплотности теплообменников, по ошибке, в виде конденсата).

Приращение давления Δ Р в аппарате при попадании в него жидкости и ее испарении определяется по формуле:

⁽²⁹⁾

где Р₀ – атмосферное давление, Па;

m – масса жидкости, попавшей и испарившейся в аппарате, кг;

V – объем паров, образующихся при испарении 1 кг жидкости (при температуре аппарата) м³/кг;

V_св – свободный объем аппарата, м³.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) создается при наличии в нем отложений и пробок. На стенках аппаратов (трубопроводов) могут иметь место отложения солей, кокса, полимеров, кристаллогидратов, грязи.

Потери давления в линиях можно определить по формуле Дарси - Вейсбаха:

⁽³⁰⁾

где λ – коэффициент трения при движении жидкости или газа по трубопроводу;

d – диаметр трубы, м;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

w – скорость потока, м/с;

L – длина трубопровода, м.

Повышение давления в газовых линиях может происходить из-за попадания в них жидкости (газового дистиллята, водяного конденсата), образующей пробки в коленах, изгибах и наиболее низких участках. Жидкие пробки в линии вызывают гидравлические удары и временное прекращение подачи газа к месту потребления.

Воздействие динамических нагрузок.

Динамические нагрузки вызывают образование внутренних напряжений в конструкциях аппарата значительно выше тех, которые могут возникнуть от статических нагрузок. При расчете аппаратов и трубопроводов необходимо учитывать возможность действия динамических нагрузок.

Динамические нагрузки проявляют себя:

– при резких изменениях величины давления в аппаратах,

– при гидравлических ударах,

– в результате вибраций,

– внешние воздействия.

Гидравлические удары образуются в результате резкого торможения движущегося потока жидкости или газа. Воздействию гидравлических ударов подвержены чаще всего трубопроводы и насосы. Гидравлические удары возникают обычно в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосами жидкости, при резком изменении давления на каком-либо из участков трубопровода.

Приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе определяют по формуле Н.Е.Жуковского:

(31)

где с – скорость распространения ударной волны, м/с,

⁽³²⁾

Е_ж – модуль упругости жидкости, Па, модуль упругости жидкости – величина, обратная коэффициенту сжимаемости жидкостей β_сж;

r_t – плотность жидкости при рабочей температуре, кг/м³;

d – внутренний диаметр трубы, м;

Е – модуль упругости материала трубы, Па;

δ – толщина стенки трубы, м;

Dw – уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе, м/с.

Эрозионный износ.

Опасные внутренние напряжения в конструкции могут возникнуть даже при нормальных рабочих нагрузках, если в результате механического воздействия обрабатываемой среды будет уменьшаться толщина материала стенки аппарата или трубопровода.

Различают эрозию газовую, абразивную, кавитационную, электрическую, ультразвуковую.