Температурные компенсаторы

Для компенсации температурных напряжений на технологических трубопроводах во избежание их деформации и разгерметизации применя­ют компенсаторы. Изменение длины Л L, м, жестко закрепленного («за­щемленного») участка трубопровода можно определить по формуле

∆L = αL(Т _кон - Т _нач ), (4.13)

где α - коэффициент линейного расширение материала трубопровода, К^-1; L - длина жестко закрепленного участка трубопровода, м; Т_нач и Т_кон - со­ответственно начальная и конечная температуры трубопровода, К.

Температурные напряжения б_t, МПа, возникающие при этом в мате­риале, определяют из выражения

σ_t = Е∆L/ L, (4.14)

где Е - модуль упругости материала, МПа.

Из этих двух выражений с учетом условия прочности находим допус­каемую разность температур [∆Т], град, при которой не требуется компен­сация:

, (4.15)

где [σ] - нормативное допускаемое напряжение для материала трубопро­вода, МПа.

Принимаем для стальных труб [σ]=110-120 МПа, Е=2,1·10⁵ МПа, α= 11,5·10^-6 К^-1 и определяем допускаемую разность температур, которая составляет 45-50 град. При больших значениях разности температур тре­буется компенсация возникающих температурных напряжений.

Трубопроводы, как правило, прокладываются с изгибами. При этом происходит самокомпенсация напряжений. При недостаточной величине само компенсации применяют температурные компенсаторы, которые бы­вают П-образные (W -образные), линзовые, волнистые и сальниковые.

П-образные компенсаторы представляют собой изогну­тые в виде букв «П» или «W»участки трубопроводов, изготовленные изги­бом труб или сваркой, с применением крутоизогнутых фитингов. Компен­саторы устанавливают на трубопроводах через 20-50 м с вертикальным компенсирующим элементом (рис. 4.52) или с горизонтальным компенси­рующим элементом. Они обладают большой компенсирующей способно­стью (до 700 мм) и применяются при любых давлениях. Недостатки П-образных компенсаторов: громоздкость, необходимость применения специальных опор и достаточно большое гидравлическое сопротивление.

Линзовые компенсаторы состоят из 1-4 последовательно соединенных линз (рис. 4.53) и применяются на условное давление до 1,6 МПа. Толщина стенок линз 2,5-4 мм. Во избежание изгиба трубопровода в месте установки линзового компенсатора в нем монтируется направляю­щая гильза, приваренная только с одной стороны, которая уменьшает так­же гидравлическое сопротивление компенсатора, т.к. предотвращает за­вихрение движущейся среды.

Более совершенны по конструкции волнистые компенсаторы (рис. 4.54). Гибкий элемент 4 в таких компенсаторах представляет со­бой эластичную тонкую гофрированную оболочку (наподобие шланга про­тивогаза), которая может сжиматься, растягиваться, изгибаться. Гибкий элемент изготовляют из высоколегированных

сталей, никеля, медноникелевых сплавов с лирообразным или (/-образным профилем волны. Концы гибкого элемента приварены к патрубкам 1. Ограничительные кольца 3 предотвращают выпучивание гибкого элемента под действием давления и ограничивают изгиб его стенки, а опорные кольца 7 прижимают его к пат­рубку. Для защиты гибкого элемента предусмотрен кожух 5. приваренный к стойкам 8. Для уменьшения завихрения среды предусмотрена внутренняя обечайка б, приваренная только одним концом к патрубку. Шпильки 2 служат для растяжения и сжатия компенсатора при монтаже; они удаляют­ся после установки компенсатора.

Универсальный компенсатор (рис. 4.54, б) воспринимает деформации не только в осевом направлении, но и позволяет оси трубопровода изо­гнуться на некоторый угол относительно осей шарниров 9, которыми он снабжен.

Деформацию компенсатора, б_Л, м, состоящего из z линз или волн, оп­ределяют из выражения

, (4.16)

где m - параметр компенсатора, характеризующий его податливость;

; (4.17)

z - количество линз или волн в компенсаторе; β - отношение внутреннего диаметра D₁ линзы к наружному диаметру D ₂ (β = D₁ /D₂); α - коэффици­ент, определяемый по табл. 4.6;

Таблица 4.6

β	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75	0,8	0,85	0,9	0,92
α	6,03	3,95	2,5	1,6	0,99	0,58	0,32	0,145	0,06	0,036

S - толщина стенки линзы (волны) компенсатора, м; ∆Т = Т_нач - Т_кон - мак­симальная разность температур, К.

Компенсатор надежно защищает трубопровод, если выполняется со­отношение:

δ_Л ≥ ∆L (4.18)

где ∆L - изменение длины трубопровода при максимально возможном пе­репаде температур.

В сальниковом компенсаторе, приведенном на рис. 4.55, компенсация теплового удлинения происходит не в ре­зультате упругой деформации, а путем перемещения конца тру­бы в сальнике. Сальниковые компенсаторы на трубопрово­дах с пожаровзрывоопасными средами применяются очень редко, т.к. они недостаточно на­дежны, сложны в эксплуатации, а рабочее давление среды при их использовании не должно превышать 0,5 МПа (изб.).

Контрольные вопросы

1.Какие смеси называются дисперсными и какие виды дисперсных сис­тем Вы знаете?

2.Чем отличается суспензия от эмульсии или пены?

3.Чем отличается пыль от дыма или тумана?

4.Для каких целей производят перемешивание жидкостей и какими спо­собами это можно сделать?

5.Как работает барботажный смеситель, его достоинства и недостатки?

6.Как работает смеситель с циркуляционным насосом, его достоинства и
недостатки?

7.Как работает ленточный мешатель, его достоинства и недостатки?

8.Для каких целей производят отстаивание жидкостей и газов?

9.Как работает гребковый отстойник, его достоинства и недостатки?

10.Как работает непрерывно действующий отстойник эмульсий, его дос­
тоинства и недостатки?

11.Как устроен и работает электродегидратор?

12.Как устроена и работает пылеосадительная камера, ее достоинства и
недостатки?

13.Как устроены и работают циклоны и гидроциклоны, их достоинства и
недостатки?

14.Как устроен и работает жалюзийный пылеуловитель, его достоинства и
недостатки?

15.Как устроен и работает электрофильтр, его достоинства и недостатки?

16.Для каких целей производят фильтрование жидкостей и газов?

17.Какие материалы используются в качестве фильтров?

18.Как устроен и работает нутч-фильтр, его достоинства и недостатки?

19.Как устроен и работает патронный фильтр, его достоинства и недостат­ки?

20.Как устроена и работает фильтрующая центрифуга, ее достоинства и
недостатки?

21.Как устроен и работает рукавный фильтр, его достоинства и недостат­ки?

22.Каким образом осуществляют перемещение газов по трубопроводам?

23.Как классифицируются машины для сжатия и перемещения газов?

24.Какие типы компрессоров Вы знаете?

25.Как устроен и работает поршневой компрессор, его достоинства и не­достатки?

26.Как устроен и работает ротационный компрессор, его достоинства и
недостатки?

27.Какие достоинства и недостатки по сравнению с поршневым компрес­сором имеет турбокомпрессор?

28.Как устроен и работает пароструйный компрессор?

29.Какие аппараты используются для хранения газов?

30.Как устроен и работает мокрый газгольдер, его достоинства и недос­татки?

31.Как устроены и работают сухие газохранилища?

32.Какие конструктивные отличия имеют баллоны для хранения различ­ных газов?

33.Какие внешние отличия имеют баллоны для хранения различных га­зов?

34.Какими способами можно транспортировать жидкости по трубопрово­дам?

35.Какие устройства для перемещения жидкостей Вы знаете?

36.Как устроен и работает диафрагмовый насос, его достоинства и недос­татки?

37.Как устроен и работает шестеренный насос?

38.Для чего предназначен и как работает газлифт?

39.Для чего предназначен и как работает монтежю?

40.Для чего предназначен и как работает сифон?

41.Какое оборудование используется для хранения жидкостей?

42.Как устроен и работает вертикальный стальной резервуар с плавающей
крышей?

43.Как устроено и работает изотермическое хранилище сжиженного газа?

44.Какими способами можно транспортировать твердые и волокнистые
материалы?

45.Как устроен и работает ленточный транспортер?

46.Как устроен и работает ковшовый элеватор?

47.Как устроена и работает комбинированная система пневмотранспорта?

48.Как устроено и работает зернохранилище?

49.Для чего предназначены технологические трубопроводы и как они уст­роены?

50.Как классифицируют трубопроводы?

51.Для чего трубопроводы оборудуют теплоизоляцией?

52.Какие конструкции фланцевых соединений обладают повышенной герметичностью в условиях пожара?

53. Какие виды трубопроводной арматуры Вы знаете?

54. Для чего предназначена запорная арматура, и какие устройства к ней относятся?

55. Для чего предназначена предохранительная арматура и какие устрой­ства к ней относятся?

56.Для чего предназначена регулирующая арматура?

57.Какие требования предъявляются к трубопроводной арматуре?

58.Как устроена и работает клиновая задвижка, ее достоинства и недос­татки?

59.Как устроен и работает запорный вентиль, его достоинства и недостат­ки?

60.Как устроен и работает пробковый кран, его достоинства и недостатки?

61.Для чего предназначены обратные клапаны, и какие их виды Вы знаете?

62.Как устроен и работает пружинный обратный клапан?

63. Для чего предназначены скоростные клапаны, и какие их виды Вы знае­те?

64. Как устроен и работает пружинный скоростной клапан?

65. Как устроен и работает поплавковый скоростной клапан?

66.Для чего служат предохранительные клапаны?

67.Какие виды предохранительных клапанов Вы знаете?

68.Как устроен и работает рычажно-грузовой предохранительный клапан, его достоинства и недостатки?

69.Как устроен и работает пружинный предохранительный клапан, его достоинства и недостатки?

70.Как устроен и работает гидравлический предохранительный клапан?

71.Где и каким образом размещают предохранительные клапаны?

72.Куда направляют сбросы с предохранительных клапанов?

73.От чего зависит пропускная способность предохранительного клапана?

74.Что определяет максимальную пропускную способность предохрани­тельного клапана, установленного в верхней части ректификационной колонны?

75.Что определяет максимальную пропускную способность предохрани­тельного клапана, установленного на аппарате, полностью заполнен­ном жидкостью?

76.Что определяет максимальную пропускную способность предохрани­тельного клапана, установленного на нагнетательном трубопроводе по­сле насоса или компрессора?

77.Что определяет максимальную пропускную способность предохрани­тельного клапана, установленного на складской емкости для сжижен­ного газа?

78.Каким образом предотвращают коррозию деталей предохранительного
клапана от воздействия находящейся в защищаемом аппарате среды?

79.Каким образом предотвращают утечку взрывопожароопасной или ток­сичной среды через предохранительный клапан?

80.Каким образом предотвращают вредное воздействие среды со стороны
сбросной системы на точность срабатывания предохранительного кла­пана?

81.Для чего предназначены температурные компенсаторы?

82.Как обосновать необходимость применения температурного компенса­тора?

83.Как устроен и работает П-образный компенсатор, его достоинства и недостатки?

84.Как устроен и работает линзовый компенсатор?

85.Как устроен и работает волнистый компенсатор и чем он отличается от
линзового?

86.Как устроен и работает сальниковый компенсатор, его достоинства и
недостатки?

Литература

Основная

1.Рабочая программа курса пожарная профилактика технологических процессов
(5 лет обучения). -М.: ВИПТШ МВД России, 1995.

2.Алексеев М. В., В о л к о в О. М., Ш а т р о в Н. Ф. Пожарная профилак­
тика технологических процессов производств. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985.

3.Основы пожарной безопасности: Учебное пособие / Под ред. канд. техн. наук
В.А. Копылова. -М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990.

Дополнительная

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.
-М.: Изд-во «Химия», 1975.

2. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под дав­лением (ПБ 10-115-96). -М.: Госгортехнадзор России, 1996.

3.В и х м а н Г. Л., Круглое С. А. Основы конструирования аппаратов и ма­шин нефтеперерабатывающих заводов: Учебник для студентов вузов. 2-е изд., перераб.
и доп. -М.: Изд-во «Машиностроение», 1978.

4.Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопрово­дов (ПБ 03-108-96). -М.: Госгортехнадзор России, 1996.

5.ГОСТ 12.2.085-82. Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохрани­
тельные. Требования безопасности. -М.: Госстандарт России, 1983.

В результате разрушения линзового уплотнения и раскрытия тела линзы образовалось отверстие площадью 16 см². Разрушение уплотнительной линзы произошло от гидравлического удара на указанном участке трубопровода при разогреве замороженного участка напорного трубопровода. Полагают, что источником инициирования взрыва образовавшейся газовоздушной смеси в помещении могли быть разряды статического электричества и искры, образующиеся при ударах твердых частиц, выносимых с газовым потоком из системы трубопроводов с большой скоростью. Установлено, что общая масса поступившего в помещение газа составила примерно 1,5 т. Тротиловый эквивалент взрыва составил примерно 3 т. Разрушение фланца было обусловлено дефектами микроструктуры и неудовлетворительными механическими свойствами стали, из которой он был изготовлен

В 1989 г. под Уфой произошло разрушение трубопровода с выбросом сжиженного нефтяного газа (СНГ). В месте разрушения была замечена наружная вмятина круглой формы диаметром 10-12 мм. Полагают, что первоначально в месте вмятины произошло повреждение трубы с выбросом продукта в атмосферу. В результате интенсивного испарения легких углеводородов произошло переохлаждение металла, что повлекло за собой обширное разрушение трубопровода: длина раскрытой полости вдоль трубы составляла почти 2 м, максимальная ширина – 1м, и интенсивное истечение продукта. Из-за отсутствия дистанционных средств управления и сигнализации о снижении давления в системе не удалось оперативно блокировать аварийный участок трубопровода. Вместо того, чтобы найти место утечки и предпринять какие-то меры, на нагнетательной станции лишь увеличили давление в трубопроводе, так как решили, что оно упало, отклонилось от нормы. А тем временем пары углеводородов распространялись над поверхностью земли и могли достичь железной дороги. Идущие навстречу поезда, по-видимому, вызвали турбулизацию газовоздушной смеси, ее воспламенение и взрыв огромной силы. По оценкам специалистов энергия взрыва углеводородовоздушной смеси оценивается тротиловым эквивалентом 200-300т. За 6 мин. через разрушенный участок трубопровода было выброшено 900-1200 т сжиженного газа.

Произошедшая катастрофа помимо всего перечисленного выше была обусловлена необоснованно завышенными диаметрами трубопроводов, большой протяженностью секций (расстояний между отключающей арматурой), длительным временем обнаружения мест разгерметизации и локализации аварийных участков. Продуктопровод был пущен в эксплуатацию с громаднейшими отступлениями от проекта, норм и правил. Кроме того, на 90 % был смонтирован из стальных труб, не обладающих достаточной хладостойкостью – сталь была непригодна для эксплуатации в условиях Сибири и Урала в зимний период. При монтаже трубопровода образуются царапины, а затем микротрещины и при истечении через них сжиженного газа происходит охлаждение стенки трубопровода, приводящее к ее разрушению, количество выходящего продукта составляет 300-1200 т и представляет опасность на расстоянии примерно 2 км от места истечения.