ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЕМКОСТЕЙ С СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

6.8. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЕМКОСТЕЙ С СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

6.8.1. ВЕРОЯТНОСТЬ ОТКАЗА ЕМКОСТИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ

На первый взгляд может показаться, что если емкость правильно специфицирована, спроектирована, построена и испытана, то она не должна отказывать в эксплуатации. Это положение, однако, представляется спорным. Когда материалы используются в десятках приложений, можно с легкостью найти новые применения, равно как и массу возможностей для эксплуатационных неполадок.

6.8.2. ПОПАДАНИЕ ПОСТОРОННИХ ВЕЩЕСТВ

Приведем пример эксплуатационного отказа при введении постороннего вещества в систему, для которой и вода, и воздух одинаково вредны. Попадание воды в емкость, содержащую метилизоцианат, стало виновником катастрофы 3 декабря 1984 г. в Бхопале (Индия). Вода также может внезапно понижать точку кипения в дистилляционных системах с последующим резким подъемом давления. Воздух может образовать взрывчатую смесь с содержимым емкости. Возможны и другие процессы. Например, известно, что серьезная авария 24 декабря 1939 г. в Зарнешти (Румыния) была вызвана попаданием водорода в емкость с хлором.

6.8.3. КОРРОЗИЯ

Коррозия - широко распространенное явление. Она может быть как внутренней, так и внешней. Доступ воздуха или воды к содержимому или наличие примесей в содержащейся жидкости может усилить коррозию. Вопрос о коррозии емкостей под давлением рассмотрен в работе [Hutchings,1978].

6.8.4. УДАР ПЛАМЕНИ

Поскольку практически проектирование ориентировано на низкие температуры окружающей среды, для емкостей под давлением, нагреваемых непрямым пламенем, сопротивление удару пламени (flame impingement) обусловлено лишь внутренней прочностью стенок. Однако если емкости под давлением нагреваются прямым пламенем (например, паровой котел), поддержание температуры стенок труб вблизи температуры кипения жидкости достигается путем охлаждения за счет высокого коэффициента теплопередачи, который имеет кипящая жидкость.

Когда при возникновении или развитии аварии пламя ударяет в стену емкости под давлением, в которой находится газ или жидкость, температура стенки вполне может достигать 700 - 800 °С. Как можно видеть из рис. 6.5, при таких температурах сталь разупрочняется и возможно ее разрушение, проявляющееся в "лепестковом" разрыве емкости.

Рис. 6.5. Прочность стали в зависимости от температуры.

Это явление получило название "взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости". Подробнее этот вопрос обсуждается в гл. 9 при разборе аварии 4 декабря 1966 г. в Фейзене (Франция). Учет опасностей разрушения вследствие удара пламени относится к этапу проектирования вспомогательного оборудования емкостей под давлением (системы пожаротушения, дренчерные системы).

6.8.5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАЗРЫВ

Возможным отказом при эксплуатации может быть гидравлический разрыв. Суть этого явления, как известно, заключается в том, что термическое расширение жидкости может привести к появлению больших давлений. Поскольку емкости под давлением сегодня оборудуются предохранительными клапанами, может показаться, что избыточное давление сбрасывается и не может служить причиной разрушения емкости. Однако транспортные средства не всегда оснащаются таким оборудованием. В табл. 6.S в общих чертах перечислены обстоятельства, при которых может происходить гидравлический разрыв. На этот феномен ссылаются как на инициирующее событие по меньшей мере в двух случаях: в аварии 28 июля 1948 г. в Людвигсхафене (Германия) и в аварии 11 июля 1978г. в Сан-Карлосе (Испания). В первой из них разорвалась железнодорожная цистерна, во второй - автомобильная цистерна; ни одна из них не была оборудована предохранительным клапаном. Разбор этих аварий дан в гл. 9. Гидравлический разрыв гораздо чаще встречается в трубопроводах, чем в емкостях. Это хорошо известно в хлорной промышленности; например, Ассоциация химической промышленности [С1А,1975а] привлекает внимание к тем мерам предосторожности, которые необходимы для избежания таких случаев.

6.8.6. РАЗРЫВЫ РЕАКТОРОВ ПРИ ПРОТЕКАНИИ

НЕКОНТРОЛИРУЕМЫХ РЕАКЦИЙ

6.8.6.1. ПРИРОДА НЕКОНТРОЛИРУЕМЫХ РЕАКЦИЙ

Большинство возможных механических нарушений реакторов, особенно тех из них, которые работают при повышенном давлении, связано с разрушением контрольных стекол или с образованием трещин. Однако гораздо серьезнее (хотя часто менее масштабно по сравнению с прочими основными химическими опасностями) вероятность разрыва реактора смешения, спроектированного как емкость под давлением, вследствие протекания неконтролируемых реакций. Такая ситуация может возникнуть при повышении по разным причинам температуры. Возрастание температуры приводит к увеличению скорости реакции и отсюда к повышенному выделению тепла. Если при этом не усиливается охлаждение, то увеличение скорости перемешивания сопровождается дальнейшим ростом температуры. Если скорость выделения тепла превысит пределы, в которых система охлаждения способна справиться с нагрузкой, реакция может выйти из-под контроля. Ситуация не является саморегулируемой, поскольку зависимость скорости реакции от температуры выражается в виде экспоненциальной функции, и в силу этого тепловой поток нарастает также экспоненциально, а скорость охлаждения является линейной функцией от разности температур.

Обсуждение неконтролируемых реакций уместно в этой главе постольку, поскольку в случае их развития давление выходит за проектные ограничения системы. Такая ситуация может реализоваться по двум механизмам. Один из них - это возрастание давления из-за увеличения температуры. Второй путь -термическое разложение, например, при производстве взрывчатки.

Данный вопрос представляет большой интерес для химиков и химиков-технологов. Обществом инженеров-химиков-технологов (IChemE) было организовано два симпозиума по данной теме [IChemE,1979;1984]. Доклады, представленные на эти симпозиумы, показывают, среди прочего, что проводится много других конференций, преимущественно в США, посвященных целиком или частично данной теме.

Бартон и Ноулан [Barton,1984] приводят список 263 случаев аварий реакторов смешения из-за неконтролируемых реакций. Перечень в основном охватывает случаи в Великобритании за период 1962 - 1982 гг. Авторы заключают, что из списка можно извлечь ряд полезных уроков, так как помимо набора событий в нем указываются причинно-следственные связи. Наибольшее количество аварий связано с недостаточным знанием химии и термохимии процесса. В некоторых случаях лабораторные разработки переносились на полномасштабное производство без адекватного учета масштабных факторов.

ТАБЛИЦА 6.5. Последовательность событий при нагреве жидкости, хранящейся в резервуаре бее предохранительного клапанаа

Стадия	Описание	Режим давления
1 2 3	В резервуар загружена жидкость Объем содержимого увеличивается по мере нагрева, но остается меньше внутреннего объема резервуара Объем нагретой жидкости в точности равен внутреннему объему резервуара	Давление паров жидкости растет с температурой. Отказ может произойти только вследствие давления паров, но не самой жидкости
4 5	Дальнейшее расширение жидкости происходит за счет растяжения стенок резервуара в пределах упругости. Существенна сжимаемость жидкости Дальнейшее расширение жидкости происходит за счет растяжения стенок резервуара за пределами упругости	К давлению паров добавляется гидравлическое давление
6 7	Появляется трещина, которая быстро развивается Упругая энергия жидкости и стенок резервуара рассеивается. Это может сопровождаться разлетом осколков	Быстрое падение давления, но на этой стадии давление в жидкости выше, чем давление паров жидкости
8 9	Внутренняя энергия жидкости рассеивается В случае сжиженного газа величина высвобождаемой энергии соответствует энергии, необходимой для его сжижения. Рассеяние энергии происходит в форме выброса Если произошел залповый выброс, резервуар и его части могут перемещаться под действием реактивных сил	Падение давления от давления паров жидкости до атмосферного давления
10	Образуется перенасыщенное паровое облако	Атмосферное давление

а Таблица описывает общий сценарий поведения резервуара с жидкостью, которая может быть и сжиженным газом. Очевидно, что большинство случаев ограничивается первыми двумя стадиями. В некоторых случаях аварийные события могут начаться на стадии 3, т. е. когда резервуар заполнен холодной жидкостью. Для нелетучих жидкостей последовательность событий останавливается на стадии 7.

6.8.6.2. ИНИЦИИРОВАНИЕ НЕКОНТРОЛИРУЕМЫХ РЕАКЦИЙ

Для многих процессов смешения скорость реакции на холоду очень низка, но если реагенты нагреть, например, с 80 до 120 °С, то начнется экзотермическая реакция. Конечно, такие емкости нужно охлаждать для отвода теплоты реакции. Это может создать определенные проблемы для контроля. Например, если один из реагентов добавляется непрерывно, а емкость временно не охлаждается, то возрастание концентрации реагента может привести к такому выделению тепла за счет реакции во всем объеме, что это количество тепла выйдет за пределы возможностей системы охлаждения. Подобным же образом прекращение перемешивания, или отказ водяного охлаждения, или что-либо еще может привести к выходу реакции из-под контроля.

содержание .. 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ..