ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЕМКОСТЕЙ

ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЕМКОСТЕЙ

С СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ

6.1. ВВЕДЕНИЕ

Цель настоящей главы - краткий обзор некоторых общих случаев отказов систем под давлением, включая емкости с сжиженными газами, находящимися под давлением.

Такой выбор обусловливается тем, что сжиженные газы являются главной компонентой опасностей на химических производствах. Системы под давлением включают в себя емкости под давлением, на которые обычно приходится большая часть системы, а также трубопроводы, клапаны, насосы и компрессоры, приборы и другие части. На рис. 6.1 показан диапазон давлений, характерный для химической и нефтехимической промышленности. Необходимо пояснить, почему в данной главе не рассматриваются более высокие значения давлений, чем показанные на рис. 6.1, хотя на первый взгляд они представляют большую опасность. Дело в том, что системы, которые работают при высоких давлениях, содержат значительно меньшее количество легковоспламеняющихся или токсичных веществ, чем системы, содержащие сжиженные газы. Частично это объясняется невозможностью сооружения емкостей диаметром в несколько метров, способных выдерживать необходимое давление. Разрыв емкостей под давлением может вызвать ряд серьезных последствий, которые, однако, могут быть быстро локализованы. Как отмечено в гл. 5 (см. табл. 5.1), критические давления многих углеводородов имеют порядок 4 МПа, и из-за ряда причин, обсуждаемых в гл. 5, эти вещества хранятся как сжиженные газы при давлениях порядка 1 МПа. Это относится также к хлору и аммиаку.

Разрушение оболочки систем, предназначенных для работы при давлениях порядка 1-2 МПа, послужило в прошлом причиной ряда серьезных катастроф, включая аварии в городах Людвигсхафен, Фликсборо, Сан-Карлос. В связи с этим особое внимание в главе обращено на причины аварий емкостей под давлением и систем, работающих под давлением порядка 1-2 МПа.

В работе [Nichols,1969] дано следующее определение: емкость под давлением - это "емкость, которая предназначена для хранения жидкости под давлением, большим чем атмосферное, которая проектируется и строится согласно требованиям, предъявляемым к емкостям под высоким давлением [BS,1982]".

Имеется обширная литература (обзоры, книги, статьи) по проектированию, изготовлению, проверке, контролю и эксплуатации емкостей под высоким давлением. Можно упомянуть обзоры [Perry,1973; HPTA.1975] и книги [Harvey, 1974; Bednar,1981; Chuse,1977]. Книга [Thielsch,1965] особенно важна для этой главы, так как посвящена дефектам и отказам.

Рис. 6.1. Диапазон давлений, используемый в химической промышленности.

Диапазон давлений, указанный в разд. 6.1.1, ограничивает предмет рассмотрения данной главы тонкостенными сосудами, у которых по определению [НРТАД975] отношение внешнего диаметра к внутреннему К>1, 2 . На рис. 6.2 представлена схема емкости под высоким давлением, которая может считаться типичной емкостью в соответствии с данным определением. Фактически это транспортная емкость с типичными размерами.

Нарушение целостности емкости под давлением происходит через образование и развитие трещины. Это общеизвестно, однако некоторые материалы разрушаются по механизму хрупкого разрушения, наилучшим примером которого служит стекло или чугун. Другие материалы деформируются пластично, как, например, перегретая банка с консервированными бобами. В случае хрупких материалов образуются множественные осколки различного размера. При пластичном разрыве крупных осколков относительно немного (иногда может быть только один обломок, сильно деформированный относительно первоначальной формы и имеющий пробоины).

Рис. 6.2. Схематическое изображение емкости под давлением.

Согласно теории разрушения, при приложении нагрузки к объекту напряжение в нем распределяется неравномерно, и в районе определенных точек, называемых "концентраторами напряжения", оно может быть в 2-100 раз больше среднего значения. Концентраторами напряжения служат острые углы, царапины и трещины.

Искусство проектирования емкостей под высоким давлением включает в себя не только конструирование прочных тонких стенок, способных противостоять давлению, но и умение избежать внутренних напряжений, "концентраторов напряжения", или, если это невозможно, умение обеспечить достаточный запас прочности. Проектирование также включает выбор подходящих конструкционных материалов, которые в рабочих условиях (при небольших отклонениях параметров) жестко противостоят воздействиям нагрузок. Кроме того, проектирование должно принимать в расчет такие явления, как ползучесть, усталость материала и коррозию, ослабляющие прочность емкостей.
6.1.4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ КРИТЕРИИ

Как указано выше, емкости под давлением классифицируются на "тонкостенные" и "толстостенные". Для первых

Для вторых

К1,2
(Некоторые нормативные документы, такие, как [BS.1982], в качестве критического значения принимают К1,3.)

Стандарт Американского общества инженеров-механиков является общепринятым (целиком или частично) в большинстве штатов США и целиком - в Канаде. Стандарт [BS.1982] не имеет столь официального статуса. Как было отмечено, в данной главе обсуждаются только тонкостенные емкости (для емкости, схема которой приведена на рис. 6.2, значение К = 2,316/2,300 = 1,007).