Автор: В.К. Погодин (ОАО «Иркутскхиммаш»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2014
В современных технологических производствах высокое давление широко применяется в технологических процессах, которые подразделяют по агрегатному состоянию вещества в основном процессе (процессы в газовой, в жидкой фазах и т.д.), принятому давлению (процессы при низком, высоком и сверхвысоком давлениях), температуре, химическому процессу и исходному сырью или конечному продукту (синтез аммиака, полимеризация полиэтилена и др.), по характеру процесса (периодический, непрерывный, комбинированный).
Применение технологических процессов под избыточным давлением открывает широкие, подчас неожиданные перспективы для науки и техники.
Значительный вклад в развитие техники для проведения технологических процессов с использованием высоких давлений внесли российские ученые и инженеры. В результате были созданы установки для проведения промышленных процессов и лабораторных исследований под высоким давлением.
Такие установки включают:
- аппараты, в которых проводят основные химические реакции, – сосуды, автоклавы, реакторы, трубчатки и др.;
- вспомогательное оборудование – маслоотделители, сепараторы, фильтры, баллоны для хранения и транспортировки сжатых газов;
- машины для создания высоких давлений – компрессоры, насосы, мультипликаторы;
- трубопроводы и трубопроводную арматуру;
- контрольно-измерительные и регулирующие приборы.
При проектировании и эксплуатации перечисленного оборудования следует учитывать следующие особенности и требования:
- обеспечение герметичности, особенно при работе с ядовитыми или огнеопасными продуктами;
- применение для изготовления оборудования материалов с повышенными механическими свойствами;
- при выборе материалов для химических процессов под высоким давлением и при высоких температурах необходимо учитывать снижение их механических свойств и влияние на них коррозии;
- надежный контроль за температурой и давлением для управления процессом и безопасностью обслуживающего установку персонала;
- разрушение оборудования из-за конструктивных погрешностей, дефекта материала, эксплуатационных ошибок и т.д. может приводить к тяжелым экологическим последствиям;
- при проектировании следует учитывать срок службы и стоимость оборудования. Выбор материала определяется его стоимостью, дефицитностью, легкостью дальнейшей механической и термической обработок, а для крупного оборудования – еще и трудностью получения из этого материала тяжелых заготовок;
- конструкция оборудования должна быть простой, транспортабельной и удобной в эксплуатации;
- осуществление рентабельных непрерывных процессов с вводом в зону высокого давления и выводом из нее твердых веществ.
Несоблюдение и отсутствие учета указанных особенностей и перечисленных требований может являться причиной неработоспособности оборудования, работающего под давлением, а нарушение его герметичности может приводить к нежелательным воздействиям на окружающую среду и человека.
По данным зарубежных и российских исследователей, основную долю утечек из оборудования, работающего под высоким давлением, вносят неподвижные разъемные соединения (РС), несмотря на их высокий уровень герметичности по сравнению с подвижными РС. Так, в единичном агрегате получения синтетического аммиака производительностью 1360 т/сутки содержится около 15 000 единиц неподвижных РС, а число подвижных РС в насосах и компрессорах исчисляется единицами. Утечки из такого количества РС промышленного оборудования составляют 90% общего баланса всех утечек, что существенно снижает экономичность производства [1].
Процесс создания непроницаемости промышленного оборудования с целью не допустить распространение вредных или взрывопожароопасных веществ, образующихся в процессе их производства, называют герметизацией. Другой, не менее важной целью этого процесса является исключение утечек дорогостоящего продукта из оборудования, что обусловливает предприятиям не только безопасность, но и прибыль. В результате этого появилась отрасль науки, разрабатывающая научные основы и методы повышения герметизации промышленного оборудования – герметология. РС сосудов, аппаратов, насосов, компрессоров, трубопроводов, арматуры и другого оборудования химической, нефтехимической и энергетической промышленности представляют собой совокупность деталей и их элементов, обеспечивающих герметичность в местах стыка соединяемых деталей. Крепежные детали в РС устанавливают его детали в заданном положении, нагружают их необходимыми для обеспечения герметичности усилиями и удерживают в рабочем положении при действии давления. Детали и элементы, посредством которых обеспечивается герметичность РС, представляют собой уплотнительные соединения (УС) и включают в себя уплотнительные кольца и уплотнительные элементы соединяемых деталей оборудования высокого давления (ВД), а также затворные узлы в трубопроводной арматуре.
Наибольшее распространение в оборудовании ВД нашли фланцевые РС, конструкция и размеры которых стандартизованы. При применении разных типов РС, в том числе и стандартизованных, существует проблема обеспечения их герметичности. Эта проблема существовала всегда, особенно в связи с необходимостью защиты окружающей среды от утечек из РС токсичных, взрывопожароопасных жидкостей и газов.
Рассматривая эту проблему, необходимо учесть, что большое количество эксплуатируемого оборудования отработало более 20 лет, что оно разрабатывалось по уже устаревшим методикам и во многих случаях без учета особенностей его эксплуатации. Поэтому существующие технологии создания и эксплуатации РС, а также их техническое обеспечение не могут гарантировать экологической безопасности эксплуатации оборудования ВД.
Анализ причин аварий и загрязнения окружающей среды показывает, что значительное их количество происходит из-за неудовлетворительного технического состояния РС промышленного оборудования, работающего под давлением. Это происходит также из-за того, что РС зачастую применяют без учета условий эксплуатации оборудования, в которых они используются. Существующие нормативные документы и правила безопасной эксплуатации оборудования, а также используемая система планово-предупредительных ремонтов не регламентируют оценку технического состояния и порядок подготовки РС к эксплуатации. Вследствие этого на многих предприятиях отсутствует необходимая оснастка для эксплуатации РС, не производится оценка их состояния перед пуском в эксплуатацию оборудования ВД. В результате детали РС, уплотнительные, резьбовые и опорные поверхности накапливают значительные остаточные деформации и дефекты, теряют свою форму и размеры, что приводит к разгерметизации, авариям и несчастным случаям при эксплуатации оборудования.
Анализ применяемых технологий создания и эксплуатации РС показал, что они не могут в достаточной степени обеспечить необходимый уровень состояния оборудования ВД. Для разработки новых технологий потребовалось проведение исследований по следующим направлениям:
- разработка методических вопросов обеспечения герметичности;
- разработка методов расчета на прочность и герметичность;
- исследование перспективных, конкретных конструкций РС;
- исследование процессов затяжки крепежных деталей;
- разработка технологии изготовления деталей РС и их сборки;
- исследование работы соединений в эксплуатационных условиях.
По каждому из этих направлений ранее исследовались конструкции РС с позиций их создания либо эксплуатации, без учета взаимной связи друг с другом. Это не способствовало формированию общего системного подхода к разработке РС. Без взаимосвязи друг с другом многие отдельные методики, используемые ранее при исследованиях, несмотря на их актуальность и новизну, были, как правило, специальными и не могли быть применены для формирования общих технологий, позволяющих с единых позиций создавать новые работоспособные РС.
Такое состояние может быть объяснено отсутствием соответствующих технологий, применение которых обеспечивало бы герметичность РС при их создании и эксплуатации.
В связи с этим актуальным является создание и применение новых технологий для эксплуатации РС, удовлетворяющих современным требованиям, предъявляемым к оборудованию ВД (химических, нефтехимических, энергетических, атомных и других производств) и принимаемым в России техническим регламентам.
Актуальность решения этой проблемы в настоящее время обусловлена неуклонным ростом влияния состояния промышленного оборудования ВД на экономические, экологические и социальные условия жизни людей, исключительной тяжестью экономических последствий от крупномасштабной реализации несовершенных технологических решений, стремительным увеличением антропогенного воздействия на окружающую среду, и потому недопустимостью длительной отсрочки решения экологических проблем в промышленности.
Рассмотрение и обсуждение экологических проблем, накопившихся в России за многие годы, происходило в течение всего 2013 г. Традиционно при каждом таком рассмотрении в основном решаются проблемы, связанные с ликвидацией последствий от уже произошедших антропогенных воздействий.
Борьба с этими последствиями давно стала привычной формой решения экологических проблем. Однако наиболее эффективным методом решения этих проблем следует признать предупреждение антропогенных воздействий. Такие решения связаны с разработкой и применением специальных технологий для разработки и эксплуатации природоохранного оборудования.
В настоящее время наметился переход к созданию экологически безопасного промышленного оборудования на базе специальных технологий проектирования, исследования и эксплуатации РС, направленных на достижение экологической безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением.
Автором сделана попытка сформулировать принципы разработки новых технологий и техники для создания и эксплуатации РС [1, 2].
Согласно этим принципам конструкции РС должны удовлетворять требуемым для обеспечения безопасной эксплуатации показателям прочности, плотности и герметичности. В качестве основных положений для разработки новых технологий также использованы концепция устойчивого, т.е. гармоничного с Природой и Обществом, развития цивилизации; информационно-диагностическая система управления эксплуатацией и ремонтом промышленного оборудования (ИДСУЭР). При формировании этих технологий использовались результаты исследований, выполненных многими учеными и непосредственно автором.
К рассмотрению предлагаются технология, которая с единых позиций позволяет обеспечить герметичность РС на стадиях проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта природоохранного оборудования, работающего под избыточным давлением на предприятиях основополагающих отраслей промышленности [1, 2].
Для достижения работоспособности РС эта технология включает следующее:
- выбор конструкций и материалов;
- учет особенностей эксплуатации оборудования посредством расчетов по определению усилий или контактных давлений, действующих на детали и элементы, при действии давления или при предварительном нагружении;
- разработку критериев оценки качества изготовления и сборки;
- технологическое обеспечение изготовления и сборки;
- оценку фактического технического состояния деталей и элементов РС перед сборкой;
- разработку и создание нормативной базы для определения условий применения РС на всех этапах их жизненного цикла, в том числе для оценки работоспособности, остаточного ресурса, сертификации РС и оборудования в целом.
Показано [1, 2], что невыполнение этих принципов приводит к потере герметичности РС или недопустимой по условию прочности перегрузке его деталей. Также показана возможность применения предлагаемых технологий при проектировании [1] и эксплуатации, ремонте и модернизации [2].
Список литературы
- Погодин В.К. Разъемные соединения. Технология применения в оборудовании под избыточным давлением. В 2-х кн. Книга 1. Проектирование. Братск: Изд-во БрГУ, 2013. 366 с. 2. Погодин В.К. Разъемные соединения. Технология применения в оборудовании под избыточным давлением. В 2-х кн. Книга
- Эксплуатация. Ремонт. Модернизация. Братск: Изд-во БрГУ, 2013. 322 с.
