Промышленная безопасность

6.3. ВИДЫ ОТКАЗОВ

ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТЬ ЕМКОСТЕЙ

Изготовление и последующая эксплуатация емкостей под давлением в химической и нефтеперерабатывающей промышленности сопряжены с различными видами производственной деятельности: механикой, машиностроением, химической технологией. Частично сюда включается металлургия, а также и другие области деятельности. Это иллюстрирует табл. 6.2.
ТАБЛИЦА 6.2. Этапы изготовления и эксплуатации емкостей

под давлением

Ошибка человека в любой из приведенных в таблице операций (под операцией понимается этап жизненного цикла в той или иной области деятельности), а каждая из них важна, может привести к аварии емкостей. Отказ емкости может быть "потенциальным", т. е. осмотр может указать на возможность выхода емкости из строя, если не будут приняты соответствующие меры. Отказ емкости может быть "катастрофическим", т. е. неожиданным, аварией "без предупреждения". Существуют, конечно, промежуточные стадии: от течи через крошечное отверстие до крупной аварии. Мы не собираемся вдаваться во всестороннее обсуждение всех приведенных в табл. 6.2 операций. Вместо этого мы обсудим некоторые аспекты, наиболее интересные для химической технологии с точки зрения их возможного влияния на отказы емкостей.

Привлекает внимание та роль, которую играют люди на различных стадиях. Например, хотя проектирование и техническое обслуживание отмечены в табл. 6.2 в графе "механика", в общем случае проектировщики емкостей - это не те же самые люди, которые отвечают за их техническое обслуживание. В связи с этим следует заметить, что табл. 6.2 содержит десять этапов, тогда как в работе [Hutchings,1978] при рассмотрении отказов в химической промышленности названы только шесть. Хатчингс не рассматривает "спецификации"^* отдельно от "проектирования", хотя, как будет видно из дальнейшего, есть серьезные различия между этими двумя этапами. Хатчингс также объединяет "проверку" с "вводом в эксплуатацию" и упускает из рассмотрения "периодический контроль" и "реконструкцию". Эти десять этапов по порядку рассмотрены ниже.
6.3.2. СОСТАВЛЕНИЕ СПЕЦИФИКАЦИЙ

Спецификация емкости под давлением состоит из чертежа емкости, описания последовательности операций при изготовлении и описания самой емкости. Взятый в отдельности, чертеж не дает адекватного представления о емкости. В химической и нефтехимической промышленности спецификация емкостей берется из технологической схемы. Поэтому спецификация составляется проектировщиком, который, как правило, является химиком-технологом. Проектирование емкости, описанное в следующем подразделе, обычно выполняется инженером-механиком. Спецификация включает следующие параметры: 1) Общий внутренний объем. 2) Объемные и весовые характеристики содержимого. 3) Описание содержимого, включая возможные примеси в различных фазовых состояниях (жидкость или газ). 4) Рабочее давление. 5) Ориентировочные размеры и геометрия. 6) Ориентация (вертикальная или горизонтальная). 7) Диапазон температур при нормальной работе и при аварии. 8) Местоположение (в помещении или вне его). 9) Наличие термоизоляции.

Размеры и местонахождение трубопроводов, связанных с емкостью.

Оборудование, включая систему аварийного сброса давления, КИП,

Во многих случаях емкость под давлением употребляется не как резервуар для хранения, а как аппарат; например, это может быть ректификационная колонна, паровой котел, теплообменник или реактор, а также другие внутренние части, спецификации на которые даются отдельно.

Для большинства емкостей под давлением, работающих при повышенных температурах, используется углеродистая сталь различных марок, а в случае низких температур - сталь наряду с медью, бронзой и алюминием. При использовании углеродистой стали для работы с сжиженными газами температура фазового перехода стали имеет существенное значение (см. ниже).

Важно сделать все необходимое для того, чтобы предотвратить возможное разрушение по хрупкому механизму, так как такое разрушение в отличие от пластичного происходит неожиданно, резко. Однако, как отмечено в работе Тилша [Thielsch,1965], стали, пластичные при нормальных условиях, при низких температурах иногда оказываются хрупкими. Согласно Тилшу, большинство случаев разрушений сталей по хрупкому механизму происходит на кораблях и мостах; из 3000 кораблей, построенных в США в годы второй мировой войны, у 1200 были крупные повреждения корпуса, 250 из которых представляли серьезную опасность для целостности емкостей на судах; в двадцати случаях имел место распад емкости на две части.

Некоторые емкости под давлением разрушались по хрупкому механизму, в других случаях отмечались разрушения трубопроводов. Разрушения, названные Тилшем "ударной хрупкостью", происходят в хрупких материалах, которые имеют трещины, царапины, зарубки. Такое разрушение может произойти из-за наличия дефекта сварки при приложении нагрузки ниже предела текучести. Тилш приводит девять конкретных случаев хрупкого разрушения емкостей в химической и нефтехимической промышленности. Температуру фазового перехода он определяет следующим образом: "Температура фазового перехода стали - это температура, выше которой сталь ведет себя как преимущественно пластичный материал, а ниже которой - как преимущественно хрупкий материал". Как отмечено тем же автором, температуру фазового перехода сталей трудно точно определить и различные методы ее определения дают разные результаты. Данный вывод отражен в табл. 6.3, в которой автором настоящей книги сделан перевод значений Тилша в единицы СИ.

Поведение конструкционных материалов, как металлических, так и неметаллических, детально обсуждается в книге [Wigley,1978] и в описании теста Шарли на ударное образование трещин, приведенном в [BS.1972]. Тест Шарли указывается также в обычных работах по сопротивлению материалов, например [Clark.1953]. Численные значения, получаемые по тесту Шарпи, очень близки к получаемым по методу Изода, описанному в той же работе.

В качестве иллюстрации поведения сталей при низких температурах, можно привести следующий пример. Самая низкая температура воздуха в Великобритании порядка -18 °С. Однако утечка жидкого пропана из емкости, изготовленной из мягкой стали, уже при обычной температуре может местами охлаждать стенки емкости до -40 °С, что ниже температуры фазового перехода для мягких сталей. Рисунок 6.4 иллюстрирует зависимость ударной вязкости от температуры для конструкционной стали.

Из вышесказанного очевидно, что мягкая сталь - совершенно непригодный материал для хранения криогенных жидкостей. Так, баки морского танкера "Methane Pioneer", который перевозит СПГ при температурах порядка -160 °С, выполнены из алюминия. Это, однако, не емкости под давлением, о которых говорилось выше. Разлитие СПГ на поверхности из мягкой стали, на палубе или по корпусу корабля приводит к разрыву емкости на танкере, поскольку переохлажденные стальные конструкции ведут себя как хрупкое стекло.

Один из моментов реализации опасности - загрузка или перезагрузка емкости под давлением, предназначенной для хранения сжиженных газов. При вводе жидкость испаряется, что приводит к понижению температуры нижней части емкости до температуры кипения жидкости при атмосферном давлении. Ситуация становится еще более опасной, если перед заполнением емкости из нее удаляется воздух. В этом случае низкие температуры достигаются еще до испарения жидкости. Методы загрузки, в которых емкость сначала заполняется парами загружаемой жидкости или продувается азотом, позволяют избежать этих опасностей.

ТАБЛИЦА 6.3. Нижний предел температуры перехода от пластичности к хрупкости для различных конструкционных материалов

Рис. 6.4. Зависимость ударной хрупкости конструкционной стали от температуры.

6.3.5. ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ

В некоторых случаях изготавливают многослойные стенки. Реактор синтеза капролактама компании Nypro Works в Фликсборо, который работал при температурах выше окружающей среды примерно на 130°С, имел составную конструкцию и был сделан из листов 12-ти миллиметровой мягкой стали с внутренним покрытием из листов нержавеющей стали толщиной 3 мм [Flixborough,1975]. Целью такой комбинации было сочетание дорогой коррозионно-устойчивой нержавеющей стали с существенно более дешевой мягкой сталью.

Отказ реактора №5 на этом производстве будет обсуждаться в гл.9 и 13. Некоторые специальные вопросы сообщающихся емкостей рассматриваются в [IChemE,1978].

В качестве материала для емкостей под давлением применяется также алюминий, который не разрушается по хрупкому механизму разрушения. Нужно отметить, что алюминий несовместим с ртутью: контакт даже с малыми ее количествами, применяемыми в различных приборах, может совершенно разрушить алюминиевую емкость. Широко используются для изготовления емкостей легированные или нержавеющие стали, так как они способны противостоять коррозионным условиям значительно лучше, чем углеродистые стали. Проблемы, связанные с применением нержавеющих и других легированных сталей, рассматриваются в [IChemE,1978]. В частности, обсуждается "цинкоподобная хрупкость" нагруженной аустенитной стали при высоких температурах. Эта проблема возникла во Фликсборо, но еще за несколько лет до этой аварии данный вопрос рассматривался в литературе [IChemE,1978].

ВЕЩЕСТВАМИ

Хлор, если он используется в стальных конструкциях, должен быть сухим. Попадание воды (например, остатки воды после гидравлической проверки емкости) приводит к коррозии при работе с данной емкостью. Нашатырный спирт (гидроксид аммония) в контакте с определенными сталями вызывает хрупкость последних [CIA,1975].