Файл: Брейман, М. И. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах.pdf

Поиск более работоспособных и надежных предохранительных

устройств привел к созданию предохранительных *мембран и ком­

бинированных систем с применением мембран. Предохранительные мембраны надежно работают при статиче­

ском или динамическом нагружении, самостоятельно и в сочетании с другими предохранительными устройствами, обеспечивая при этом эффективную защиту оборудования от недопустимого повы­ шения давления. Мембраны применяют для защиты предохрани­

тельных клапанов от воздействия коррозионных сред и повышения

их работоспособности при контакте с кристаллизующимися и поли­

меризующимися веществами, для увеличения срока службы кла­

панов при нормальном технологическом режиме и повышения сте­

пени герметичности систем.

Недостатками разрывных мембран являются необходимость за­

мены мембраны после каждого срабатывания и условность расче­

та разрушающего давления. Расчетным путем можно ориентиро­ вочно определить лишь усредненную величину разрушающего дав­ ления.

Классификация мембран

Официальная классификация предохранительных мембран от­

сутствует. Принято классифицировать мембраны исходя из ха­ рактера разрушения материала мембраны и технологии изготов­

ления. По этим признакам мембраны подразделяются на следую­ щие конструкции: разрывные, срезные, отрывные, ломающиеся,

**выщелкивающие и специального исполнения.

Разрывные мембраны характеризуются тем, что перед разру­ шением они претерпевают часто значительные пластические дефор­

мации. Мембраны этой конструкции могут быть плоскими, предва­

рительно выпученными, с канавками и рисками, с вакуумными опорами и многослойные.

На рис. 11.9 показано крепление предварительно выпученных и плоских мембран между фланцами. Давление технологической среды направлено снизу вверх.

Установка мембраны непосредственно между фланцами воз­

можна только для аппаратов, работающих при низких давлениях.

Такое крепление мембран не обеспечивает их равномерного зажи­

ма и достаточного удельного давления на мембрану, вследствие

чего разрывное давление мембраны значительно увеличивается. Поэтому применяются специальные конструкции для крепления

стр. 125).

* В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (п. 5—4—8), предохранительные мембраны называются предо­ хранительными пластинами.

** В настоящее время выщелкивающие мембраны часто называют хлюпаю­ щими.

121

Плоские мембраны наиболее просты в изготовлении, удобны в монтаже и могут с успехом применяться в тех случаях, когда не

требуются высокая точность срабатывания, большая чувствитель­

ность к росту давления и значительный срок службы.

Предварительно выпученные разрывные мембраны имеют фор­

му куполообразной оболочки и изготовляются из отожженного тонколистового проката. По сравнению с плоскими мембранами они имеют более стабильное разрывное давление и отличаются

большей чувствительностью к повышению нагрузки. Время сраба­

тывания у них меньше, так как перед разрывом они почти не претерпевают пластических деформаций.

Рис. ІІ.9. Крепление разрывных мембран:

а — между плоскими фланцами; б — между фланцами типа «выступ-впадина»; / — мембра­ на; 2, 5— прокладки; 3, 4 — фланцы.

Мембраны с гладкой поверхностью для получения требуемого

разрывного давления должны быть тонкими; следовательно, они недостаточно надежны, так как при небольшой толщине дефекты материала значительно увеличивают область рассеяния разрыв­

ного давления и мембраны подвергаются случайным повреждени­

ям еще до их установки. Поэтому находят применение разрывные мембраны увеличенной толщины с канавками и рисками.

Для защиты печей синтеза хлористого водорода и другого обо­

рудования в отечественной практике нашли применение мембраны

с перепекающимися канавками. На рис. 11.11, а показана такая

плоская мембрана, а на рис. Н.П, б предварительно выпученная мембрана с рисками. Разрывные мембраны с канавками и риска­ ми целесообразно применять для защиты оборудования, когда тре­

буется относительно низкое разрывное давление, не превышающее обычно 3 кгс/см2, если предохранительные мембраны других типов

по каким-либо причинам не могут быть использованы.

Мембраны с вакуумными опорами применяют для защиты ап­ паратов, в которых может образоваться вакуум. Вакуумные опоры имеют профиль мембраны, плотно прилегают к ней и предотвра­

щают смятие тонкого тела мембраны, если давление с выпуклой стороны мембраны превысит давление с вогнутой стороны. На рис. 11.12 показан один из видов постоянной вакуумной опоры.

Данные эксплуатации мембран с вакуумными опорами свиде­

тельствуют об удовлетворительной их работоспособности, хотя

122

опоры уменьшают пропускную способность мембранного устрой­ ства на 40—50%. Для сохранения пропускной способности прихо­ дится искусственно увеличивать рабочий диаметр мембраны и

соответственно и вакуумной опоры.

Многослойные мембраны применяются в тех случаях, когда

технологическая среда отличается коррозионной активностью и

противостоять ей могут лишь платина, золото, серебро, палладий, тантал и другие редкие и драгоценные металлы. Такие мембраны состоят из основной части, изготовляемой из обычного материала,

удовлетворительно работающего при заданных давлении и темпе­

ратуре без учета возможной коррозии, и очень тонкой диафрагмы

из фольги коррозионностойкого материала.

Срезные мембраны при срабатывании срезаются по кромке верхнего прижимного кольца и полностью освобождают проходное сечение для стравливания давления. По сравнению с разрывными

эти мембраны менее работоспособны, а результаты их испытаний

воспроизводятся труднее. На рис 11.13 показан узел срезной мем­ браны. Наиболее простые защитные устройства с использованием срезных мембран имеют ту же область применения, что и предо­

хранительные устройства с разрывными мембранами. Известны

многие разновидности срезных мембран.

Отрывные мембраны применяются на аппаратах с высоким дав­

лением (свыше 250 кгс/см2), когда сброс небольшого количества среды значительно снижает давление в защищаемом аппарате.

Наиболее простыми и распространенными являются отрывные

мембраны колпачковой формы (рис. II. 14).

При достижении критического давления мембрана отрывается по ослабленному месту и уносится потоком среды в сбросной тру­

бопровод. Отрывные мембраны успешно используют для защиты аппаратуры в производствах этилена, полиэтилена высокого давле­ ния и др.

123

Ломающиеся мембраны при достижении критического давле­

ния ломаются, полностью освобождая проходное сечение. Для их изготовления используют чугун, эбонит, поливинилхлорид, стекло,

графит и другие хрупкие материалы. Мембраны изготовляются

диаметром до 350 м'м на разрывное давление до 64 кгс/см2 и при­ меняются в различных технологических средах при температуре

до 375 0C.

Мембраны из чугуна с кольцевыми канавками используют для защиты от опасного повышения давления на полимеризаторах,

Рис. И.13 Узел срезной мембраны.

аппаратах с высокотемпературными органическими теплоносителя­

ми (ВОТ) и др.

По данным эксплуатации, продолжительность работы чугунных мембран не превышает значений порядка 2000—2100 ч.

Для получения воспроизводимых свойств мембран из чугуна

необходим тщательный технологический контроль за составом

металла и процессом литья, так как разброс разрушающего давле­

ния для таких мембран велик. Например, на одном заводе при контрольных испытаниях чугунных мембран, рассчитанных на

разрушение в пределах 3,5—3,75 кгс/см2, установлено, что факти­

ческое разрушающее давление колебалось от 0,5 до 9 кгс/см2. Графитовые ломающиеся мембраны удовлетворительно работа­

ют при знакопеременных нагрузках, в условиях длительного воз­

действия давления, температуры и коррозионных сред. Отклонение

разрушающего давления графитовых мембран от номинального не превышает обычно 10%. В отечественной практике графитовые мембраны получили наибольшее распространение для защиты хо­ лодильных фреоновых агрегатов. При правильно выбранных усло­

124

виях эксплуатации орок службы графитовых мембран может быть более 3 лет.

Выщелкивающие мембраны представляют собой тонкостенные

сферические купола, изготовленные из материала с высоким пре­ делом упругости. Под действием давления, распределенного по

выпуклой стороне и превышающего критическое значение, оболоч­

ка теряет устойчивость и начинает выпучиваться в другую сторо­

ну. Выпучивание быстро прогрессирует и приводит к полному про-

щелкиванию оболочки, которое сопровождается ударом (хлопком).

При этом мембраны скачкообразно меняют свой прогиб и выби­ ваются из гнезда, не образуя осколков, и проходное сечение для

стигать 90—95% от критического давления, и при этих условиях срок службы этих мембран превышает в 10—15 раз долговечность

мембран других типов. Выщелкивающие мембраны удовлетвори­ тельно работают при статическом и динамическом нагружении га­

зообразной средой. Преимущество данных мембран заключается

также в том, что при неизменном диаметре и толщине за счет раз­ ной высоты предварительного выпучивания можно значительно из­ менять критическое давление.

В работе H. Е. Ольховского [20] в числе других типов мембран

подробно описаны мембранные предохранительные устройства спе­ циального назначения.

Следует отметить, что при большом разнообразии конструкций предохранительных мембран отсутствуют четкие критерии, опре­

деляющие целесообразность применения того или иного вида и типа мембран в конкретных производственных условиях.

О расчете мембран

Всесоюзный научно-исследовательский институт техники без­ опасности в химической промышленности (ВНИИТБХП) разрабо­

тал в 1972 г. руководящий технический материал (PTM) «Пред­

охранительные устройства. Защита химического оборудования с по­

мощью разрывных предохранительных мембран». PTM утвержден

Министерством химической промышленности и согласован с Гос­

гортехнадзором СССР.

125

Это первый отечественный официальный нормативный доку­ мент, определяющий порядок расчета, изготовления и монтажа

предохранительных мембран.

Расчетными параметрами предохранительных мембран являют­

ся: минимальный рабочий диаметр, максимальное избыточное раз­

рывное давление, предельное значение разрушающего давления.

Минимальный рабочий диаметр мембраны должен определять­

ся пропускной способностью отверстия, образующегося после раз­ рыва. Площадь отверстия после разрыва мембраны должна быть

такой, чтобы исключить возможность дальнейшего повышения

давления в сосуде. В PTM приведены формулы, графики и табли­

цы для определения минимального рабочего диаметра предохрани-^ тельной мембраны.

Необходимое максимальное избыточное разрывное давление

предохранительной мембраны при рабочей температуре в аппара­

тах, работающих при избыточном давлении свыше 0,7 кгс/см2,

должно назначаться в соответствии с пунктом 5-4-8 «Правил

устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Необходимое максимальное избыточное разрывное давление предохранительной мембраны для аппаратов, работающих без

избыточного давления, но содержащих пожаро- и взрывоопасные

продукты, не должно превышать избыточного давления разгрузки,

которое в этом случае назначается не менее 0,1 кгс/см2 при емко­ сти аппарата до 30 м3 и 0,05 кгс/см2 при емкости аппарата 30 м3

и более.

Для аппаратов, работающих под избыточным давлением ниже 0,7 кгс/см2 и содержащих летучие и легковоспламеняющиеся про­

дукты, максимальное разрывное давление предохранительной мем­ браны не должно превышать избыточного давления разгрузки, ко­ торое принимают не менее чем на 0,3 кгс/см2 выше рабочего.

Для аппаратов, работающих под вакуумом, максимальное раз­

рывное давление предохранительной мембраны не должно превы­

шать избыточного давления разгрузки, которое должно быть не менее 1 кгс/см2.

Теоретические методы расчета мембран позволяют лишь ориен-'

тировочно определять среднее значение разрушающего давления

при нормальных условиях (без учета влияния характера и дли­ тельности воздействия нагрузки, рабочей температуры и других

факторов). Предельные значения разрушающего давления мем­ бран могут быть определены с заданной надежностью лишь экспе­

риментальным путем.

Метод определения этих величин для мембран из различных

материалов на основе результатов испытаний при нормальной тем­

пературе описан в работе H. Е. Ольховского [20]. Там же приве­

дены экспериментальные данные о разрушающем давлении мем­

бран из различных материалов при кратковременном статистиче­ ском нагружении в условиях нормальных температур.

126