В настоящее время защита производств и объектов химической, нефтяной, газовой и теплоэнергетической отраслей промышленности, связанных с добычей, транспортировкой и переработкой, избыточное давление линейных трубопроводов, сосудов, аппаратов и технологических установок которых составляет свыше 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), обеспечивается установкой предохранительных устройств.
Причинами повышения давления в различном оборудовании могут быть:
• прекращение подачи одного из промежуточных орошений;
• закрытие автоматического регулирующего клапана;
• повышение уровня в емкости орошения;
• прекращение подачи электроэнергии;
• повышение тепла от паропроизводительности кипятильников;
• повышенное поступление тепла с сырьем или в кипятильник;
• закачка в сырье легкокипящих компонентов;
• закрытие выхода продукта в низу или в верху аппарата и подача в емкость продукта при закрытых выходах из нее;
• затопление аппарата;
• воздействие пожара;
• внешнее ударное, взрывное или техногенное воздействие;
• прекращение подачи питания в колонну при выходе из строя средств автоматики и блокировки;
• отключение теплообменника от холодного продукта;
• сообщение пространства низкого давления с пространством высокого давления при разрыве трубки (одной или нескольких) теплообменника;
• нештатная работа или неисправность теплообменного оборудования;
• тепловое расширение за счет нагрева окружающей средой, солнечной радиацией или обогревающим устройством;
• нагнетание компрессоров и насосов сверх расчетного при повышении давления в системе, куда подается продукт, а также при закрытии задвижки на нагнетательном трубопроводе;
• химическая реакция продукта, поступающего в аппарат с увеличением паров или газов, образующихся за счет реакции при условии перекрытия выхода из аппарата;
• образование пара (газа) при кипении рабочей среды;
• свойства холодильного агента;
• взрыв технологической среды внутри аппарата.
Перечисленные факторы могут влиять на повышение давления в оборудовании, оказывая как самостоятельное одиночное воздействие, так и их сочетание.
Согласно нормативной технической документации и теоретическим познаниям в данной области, которые имеются в науке на данный момент времени, все выглядит довольно логично и достаточно объяснимо. Однако на самом деле все обстоит значительно сложнее.
Фактор внешнего воздействия и химической реакции, вышедшей из-под контроля, не могут быть выражены однозначными показателями и просчитаны более или менее точно. Расчет количества продукта, влияющего на повышение давления от указанных факторов, берется по максимально возможному его увеличению, что может привести к неправильному подбору предохранительного устройства, которое в случае незначительного, но постоянного воздействия (периодический рост и сброс давления при стабильном, но малом расходе относительно параметров подбора для наиболее опасного случая срабатывания клапана) войдет в резонансный режим автоколебаний и приведет к аварийной ситуации. Учитывая, что данные факторы не приводят к мгновенному росту давления и расхода, теоретически можно все-таки предположить, что предохранительные устройства способны осуществить возложенную на них функцию защиты.
Таким образом, во многих случаях наиболее опасной аварийной ситуацией является взрыв технологической среды внутри аппарата. Аварийный приток в этом случае связан с соответствующей ему скоростью нарастания давления взрыва.
Для лучшего понимания проблемы вопроса предлагаю вспомнить физическую сущность процесса взрыва, а также рассмотреть различные виды взрывов применительно к технической стороне вопроса (за исключением вулканических, метеоритных, электрических и др., не относящихся к производственному процессу деятельности, а также точечных зарядов) и их определения. К сожалению, статья не предполагает рассмотрение физических или энциклопедических данных, но для полного понимания сути вопроса желательно самостоятельно вспомнить такие определения, как взрыв, взрывное превращение, объемный взрыв, разницу смыслового значения «взрыв» в физике и технике, хлопки, звуковой эффект волны давления, детонация, ударная волна, фронт взрывной волны, химический и ядерный взрывы, паровой взрыв, холодный взрыв, взрывное горение, скорость детонации, механическое воздействие взрыва.
Дополнительно стоит лишь упомянуть, что взрывы различаются по физической природе источника энергии и способам её освобождения. Типичными примерами являются химические взрывы.
Вещества, предрасположенные к взрыву, обладают способностью к быстрому химическому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты. Также возможен и иной процесс осуществления взрыва, при котором химическое превращение распространяется по взрывчатому веществу последовательно от слоя к слою в виде волны.
На сегодняшний день не существует единого мнения, какие именно химические процессы следует считать взрывом. Ввиду этого в большинстве случаев к химическим взрывам относят различные быстропротекающие процессы без уточнения их характера.
Теперь вернемся к сущности нашего вопроса и рассмотрим несколько предлагаемых гипотез.
Существует мнение, что предохранительными клапанами невозможно предотвратить взрывы из-за инерционности их подвижных элементов, которые в свою очередь зависят от многих факторов (эти утверждения можно найти в литературе, а в данной статье они не рассматриваются ввиду того, что это отдельный вопрос конструктивных и технологических аспектов производства предохранительной арматуры).
Действительно, предохранительные клапаны с учетом такой их динамической характеристики, как быстродействие, рекомендуется применять в системах, где возможно резкое повышение давления, например, при сжигании твердых видов топлива в закрытых сосудах, а также при работе насосов большой производительности в составе гидросистем. Для систем с взрывным характером возрастания давления при времени достижения минимального давления в системах со скоростью возрастания давления по времени рекомендуется применение мембранных предохранительных устройств с учетом их динамической характеристики – времени срабатывания (разрыва).
Минимизация инерционности запорного элемента клапанов и времени срабатывания (разрыва) мембранных предохранительных устройств, к сожалению, не являются единственными условиями успешной борьбы за предотвращение взрывов оборудования. Здесь дело даже не в величинах dp/dt, предшествующих взрыву, а в направленности распространения повышения давления и, соответственно, усилий, особенно растущих за мгновенный промежуток времени. Таким образом, при сбросе определенного количества продукта, при резком возрастании давления в одном единичном месте объема продукта (точки зарождения взрыва) в замкнутом пространстве защищаемого оборудования с учетом (тем более) задержки открытия клапана и требуемого критического возрастания давления для его полного открытия не приведет к остановке или торможению нарастания давления и распространения усилия от источника зарождения с воздействием на другие внутренние поверхности системы.
Соответственно, установка предохранительных клапанов и мембранных предохранительных устройств (к которым есть свои вопросы по времени срабатывания) в местах возможного возникновения источника воздействия в общей системе может предохранить разрушение оборудования только в частном случае и с учетом остающейся опасности возникновения усилий разрушения до момента полного исключения опасности дальнейшего роста и распространения этих усилий. В основном это, конечно, рост давления и увеличение продукта за счет работы оборудования установки, а также пароводяные установки. При резких воздействиях на оборудование воспламенение и взрыв рабочей среды – как раз неуправляемые случаи, которые не дают гарантии спасения оборудования за счет работы предохранительных устройств, т. к. источник мгновенного роста энергии может находиться в отдалении от предохранительной арматуры, а рост энергии и распространение волны превысит критические параметры прочности оборудования, не достигнув точки сброса.
Иначе говоря, причины неэффективности защиты оборудования от взрыва – инерционность запорных элементов клапанов и время срабатывания (разрыва) мембранных предохранительных устройств, а также направление распространения взрыва, место его зарождения, усилия и время увеличения усилий, другие единичные факторы (физико-химические свойства среды, степень турбулизации взрывоопасной среды в аппарате). Кроме того, к данным факторам можно отнести и качество изготовления, конструктивные особенности (объем, форма, конструктивные элементы) и степень износа, качество материалов самого оборудования.
Давайте рассмотрим все факторы по отдельности на простых примерах и с физической точки зрения. При этом мы всегда рассматриваем физические явления и процессы с теоретически идеальной точки зрения со всевозможными допущениями, отступлениями и смягчениями граничных условий. На самом деле любой процесс или явление отличаются от идеала, иногда даже с большим единичным и неучтенным отклонением, которые при рассмотрении настоящего вопроса постараемся учесть, т. к. в реально протекающем процессе они могут возникнуть и повлиять на общий исход неблагоприятного события.
Из технической литературы, посвященной предохранительным устройствам, известно, что мембранные предохранительные устройства рекомендуется применять для систем с взрывным характером возрастания давления при времени достижения минимального давления в системах со скоростью возрастания давления по времени, с, согласно неравенству:
У импульсного предохранительного устройства давление срабатывания практически равно давлению начала открытия импульсного клапана, а у пружинных предохранительных клапанов прямого действия с высотой подъема золотника hз≥dс/4 (типа ППК и СППК) время подъема на значение хода (время открытия) tот равно 0,008-0,04 с.
Под временем срабатывания предохранительного клапана tср понимают время от начала открытия до момента выхода клапана на установившийся режим работы, в котором величина колебаний золотника ∆h не выходит за пределы допустимой зоны hmax±∆h.
Время срабатывания предохранительных клапанов двухпозиционного действия tср не превышает 0,06-0,16 с.
С учетом возможных колебаний запорного органа применение предохранительных клапанов с высотой подъема золотника hз≥dс/4 рекомендуется в системах с форсированной скоростью возрастания давления по времени, с, согласно неравенству:
Чем меньше время срабатывания tср, тем эффективнее работает клапан.
Время открытия клапанов tот обычно составляет 5-15 мс при средней скорости движения замыкающего органа от 10 до 30 см/с. Наибольшим быстродействием из всех клапанов прямого действия обладает шариковый, который срабатывает за 6 мс, конический клапан открывается за 8 мс. Время срабатывания tср не должно быть более 0,9 с.
Учитывая все вышесказанное, необходимо отметить, что указанные значения являются теоретическими, реальное оборудование может иметь индивидуальные особенности, полученные в процессе изготовления, что, несомненно, приведет к отклонениям от данных идеальных параметров, вызывающих определенную погрешность при срабатывании оборудования или к значительным задержкам открытия. Кроме того, при определенных обстоятельствах скорость взрыва и распространение его воздействия могут иметь меньшие значения от указанных временных значений срабатывания оборудования.
Данный фактор можно разбить на несколько самостоятельных факторов влияния. К ним можно отнести: нежелательные дефекты кристаллической решетки металла (в процессе первичной обработки); несовершенство методов очистки металла от вредных примесей, технологического процесса последующей обработки металла, технологического процесса изготовления оборудования и его конструктивных особенностей, методов контроля качества производства; коррозию и усталостный износ материалов, их механические и прочностные свойства. Эти факторы касаются как защищаемого и технологического оборудования, так и защищающего.
В процессе развития производств и технологий перечисленные методы постоянно совершенствуются, но достичь идеальных параметров при настоящем уровне производства и контроля не представляется возможным по экономическим соображениям или техническим возможностям. При имеющихся в настоящее время методах контроля (даже при их многоступенчатости) многие скрытые дефекты могут выявляться только на стадии эксплуатации. Например, скрытые дефекты металлургического происхождения, имеющиеся в металле, при высоком давлении выявляются в первые часы эксплуатации (примерно 4 000-8 000 часов), а это составляет время эксплуатации оборудования от полугода до года! В отдельных случаях выявление дефектов составляет от 10 000 до 25 000 часов. Иначе говоря, скрытый литейный дефект после проведения различных испытаний может быть выявлен только в процессе эксплуатации в течение трех лет!
В лучшем случае выявленное дефектное оборудование заменяется, а в худшем производится его ремонт. Это обстоятельство уже влияет на различные ухудшения.
Подробно рассматривать указанные факторы не имеет смысла, т. к. это отдельный вопрос, однако учтем их при дальнейшем рассмотрении проблемы безопасности. Единственное, что в данном случае можно вспомнить пословицу: «Где тонко – там и рвется».
Для более наглядного примера давайте рассмотрим простой опыт воспламенения спичек (рис. 1). В зависимости от формы головки спички она может воспламеняться с различным направлением распространения пламени.
При неплотной структуре или с примесями горючий состав может вообще не воспламениться и потухнуть с выделением большого количества дыма или загореться медленно и без большой вспышки. При идеальной головке с равномерным распределением состава – загореться ровно и равнообъёмно.54
Жидкость, а особенно газ, также неравномерно распределены по объему, т. к. идеальной концентрации добиться практически невозможно ввиду диффузионных процессов. Таким образом, можно предположить и различную направленность распространения взрыва при реальном процессе его протекания.
Предлагаю рассмотреть три возможных частных случая точек зарождения взрыва в емкостном оборудовании (рис. 2).
При этом стоит отметить, что какими бы ни были скорость распространения взрыва и минимальное время его развития, – это все-таки определенный период времени, и взрыв развивается за этот промежуток, а не возникает мгновенно по всему объему.
Наиболее благоприятный случай представлен на рисунке 2а у верхней части купола аппарата. В данном случае точка зарождения взрыва расположена в непосредственной близости от защищающего оборудования, и излишнее давление, возникающее от взрывного воздействия, будет гаситься за счет сброса продукта через предохранительный клапан. Взрывная волна и рост давления распространяются в низ емкости, однако дополнительно угасает за счет сброса.
Случай на рисунке 2б возникает посередине емкости у одной из обечаек. В данном случае существует опасность мгновенного взрывного воздействия на обечайку в наиболее близкой от взрыва точке или на сварной шов соединения обечаек. Взрывная волна и рост давления распространяются равномерно в верх и в низ емкости, и при достаточной прочности оборудования существует вероятность своевременного срабатывания предохранительного устройства и защиты оборудования до достижения критических усилий разрушения материала и конструкции защищаемого оборудования.
Самый неблагоприятный из рассматриваемых – случай на рисунке 2в, возникающий в нижней части у днища емкостного аппарата. Взрывная волна и рост давления распространяются в верх емкости, а взрывное мгновенное воздействие осуществляется на днище или сварной шов нижней обечайки и днища. В данном случае существует вероятность несвоевременного срабатывания предохранительного устройства, что приведет к разрушению емкости при достижении критических усилий разрушения материала и конструкции.
Для начала давайте рассмотрим очень интересный опыт, который со стороны кажется удивительным, но довольно просто объясняется законами физики.
На двух бумажных кольцах подвешиваем длинную палку, которая опирается на них своими концами. Сами же кольца перекидываем через лезвия ножей (рис. 3). Другой палкой со всего размаха ударяем по висящей на бумажных кольцах палке, которая от резкого удара ломается, а бумажные кольца остаются неповрежденными.
Объяснение этого опыта заключается в краткости удара, в результате которого не только бумажные кольца, но и концы ударяемой палки не успевают получить никакого перемещения (сила удара от середины палочки к ее концам передается не сразу), т. к. движется только та часть палки, которая непосредственно подвергалась удару, и палка в этом месте переламывается прежде, чем сила воздействия удара дойдет до колец. Удар должен быть быстр и отрывист. Медленный и вялый удар не переломит палки, а только разорвет бумажные кольца.
Аналогичные опыты такого рода – это колка орехов, которые невозможно расколоть плавным, хотя и сильным давлением ладони (или даже молотка), но очень легко раздробить сильным ударом кулака, т. к. удар не успевает распространиться по мясистой части кулака, и наши мягкие мускулы, не уступая напору ореха, действуют на него, как твердое тело. По той же самой причине пуля пробивает в окне маленькую круглую дырочку, а брошенный рукой камешек, менее стремительно летящий, разбивает в осколки все стекло. Еще более медленный толчок сможет повернуть оконную раму в петлях, чего ни пуля, ни камень сделать не могут.
Наконец, еще один пример такого же явления – перерезывание стебля ударом прута. Напирая медленно прутом или палкой, хотя и с большой силой, вы стебля не перережете и только отклоните его в сторону, а ударив с размаха, вы перережете его наверняка. И здесь, также как и в предыдущих случаях, быстротой движения прута достигается то, что удар не успевает передаться всему стеблю и сосредоточивается только на небольшом, непосредственно затронутом участке, который и принимает на себя все последствия кратковременного удара.
То же и в описанных опытах (которых в природе можно привести достаточное количество) – чем больше скорость увеличения усилий взрывного воздействия (или чем меньше время развития взрыва), тем выше вероятность повреждений оборудования в ближайшей его области от точки зарождения взрыва при условии равной прочности всей поверхности данного оборудования.
В качестве резюме рассмотренных факторов можно обратиться к примерам последствий взрывов паровозных котлов, представляющих собой частный случай взрыва теплообменного аппарата. По своей природе данный взрыв более характерен для паровых взрывов. В XIX веке такие взрывы котлов были наиболее распространены для паровозов, т. к. их котлы выполнялись облегченной конструкции и при этом были высокофорсированы, а, кроме того, испытывали еще и переменные вибрационные и ударные нагрузки при движении по рельсам. В дополнение ко всему паровозный котёл жаротрубный – давление пара действует на внешнюю поверхность труб теплообменника, что также снижает прочность.
Рассмотрим фотографии последствий взрыва паровозных котлов (рис. 4). Не буду также приводить примеры, множество которых заинтересовавшиеся читатели могут легко найти в интернете. По характеру и последствиям разрушений легко можно сделать вывод о неоднородности процесса с учетом выше рассмотренных факторов, качественном, конструктивном и материальном исполнении паровых машин.
Последствия и характер разрушений нефтехимического и газового оборудования также различен в зависимости от совокупности рассмотренных факторов, сущности химического процесса и рабочей среды, материалов и конструктивного исполнения оборудования.
Изучением всего спектра физико-химических явлений, связанных с взрывами и механизмами их воздействия на окружающую среду, занимается раздел прикладной физики, который называется физикой взрыва. Она работает над созданием теоретического фундамента для инженерных методов расчёта количественных характеристик подрывных зарядов, выбором способов эффективного управления поражающими эффектами взрывных явлений, а также для решения ряда других технологических вопросов. Их качественные различия могут проявляться в зависимости от сферы применения взрывных методов и ожидаемых от них результатов. В настоящее время считается, что физика взрыва изучена в полной мере.
Появлению физики взрыва предшествовали многочисленные экспериментальные изыскания в области изучения воздействия взрывных превращений на горные породы. Оформление в самостоятельную дисциплину произошло во второй половине XIX столетия. Дальнейшее развитие во многом шло под влиянием потребностей военных ведомств. В связи с этим, основные расчеты защищаемого оборудования в рассматриваемой нами области построены на сравнительных характеристиках с экспериментальными бомбами определенного объема (обычно 10 литров) при идеальных условиях и допущениях, без рассмотрения и учета единичных возможных факторов и, соответственно, не удовлетворяют в полной мере рассмотрение вопроса безопасности и защиты оборудования от взрывов.
На самом деле влияние взрывного воздействия технологической среды внутри аппарата необходимо выделить в отдельную теорию и рассматривать ее аналогично ядерному взрыву, т. е. рассматривать взрыв в емкости как цепную взрывную реакцию мгновенной передачи и выделения энергии. При этом сравнение сходств и отличий химического и ядерного взрывов можно свести к таблице.
При этом при ядерном взрыве реакция протекает с более коротким промежутком времени и более равномерно ввиду большой плотности (концентрации вещества и внутренних связей) и однородности вещества, однако сам механизм процесса аналогичен.
Изучение данной теории необходимо для разработки самостоятельных методик специальных расчетов взрывов в аппаратах, бесконтрольных химических реакций, прорыва легкокипящих жидкостей, основанных именно на динамике этих процессов, а не на теоретических выкладках применяемости взрывов в промышленности (горная, строительство, сварка взрывом и др.) и военном искусстве, в которых процесс – целенаправленный и относительно управляемый, а в нашем случае – неуправляемый, случайный и бесконтрольный. Одинаковые подходы к различным процессам (первый – целенаправленно возбуждаемый, второй – самостоятельно возникающий), в принципе несовместимы между собой, т. к. имеют различные корни возникновения, а значит и направление поиска – иначе правильности конечных выводов и аспектов. Диффузионные и химические процессы в аппарате, а тем более паровые взрывные процессы нельзя равнять с относительно равномерно наполненным зарядом снаряда. Отсюда и ошибки проектирования взрывозащиты оборудования перерабатывающих производств.
Безусловно, какая-то часть процессов будет протекать в соответствии с общей теорией, однако какая-то их часть, а также частные случаи будут идти по видоизмененным или совершенно иным сценариям развития процесса, которые и необходимо выявить, затронув все аспекты решения задачи. Данная теория должна подтверждаться необходимыми и специальными самостоятельными экспериментами.
Резюмируя все вышесказанное, можно сделать неутешительный вывод об остроте стоящей проблемы обеспечения безопасности оборудования от взрывного воздействия.
1. Водяник, В. И. Предохранительные мембраны: справ. пособ. / В. И. Водяник, Н. Н. Малахов, И. П. Полтавский [и др.]. – М.: Химия, 1982. – 144 с.
2. Гуревич, Д. Ф. Трубопроводная арматура с автоматическим управлением: справочник / Д.Ф. Гуревич, О.Н. Заринский, С.И. Косых [и др.]; под общ. ред. С. И. Косых – Л. : Машиностроение, 1982. – 320 с.
3. Перельман, Я. И. Для юных физиков. Опыты и развлечения: сборник / Я. И. Перельман. – М.: РИМИС, 2015. – 40 с.
4. Чкаников, И. Н. 500 игр и развлечений / И. Н. Чкаников; под ред. Д. Сергеева. – 3-е изд., доп. – М.: Госкультпросвет, 1950. – 348 с.
5. Чкаников, И.Н. Игры и развлечения / И.Н. Чкаников. – М., Л.: Детгиз, 1953. – 512 с.
6. Письмо ООО «БАШЭНЕРГОПРОЕКТ» б/н б/д «Об изготовлении образцов» за подписью главного инженера Романовского И.Л., исполнитель: начальник металловедческой лаборатории Матвеева Г.Л.
