14.Рабочие, расчетные, испытательные параметры. Аппараты, подведомственные Промтехнадзору, особенности их испытаний.

Основными расчетными параметрами для выбора конструкционного материала и расчета элементов аппарата на прочность являются температура, давление, состав рабочей среды

Давление. Различают рабочее, расчетное, условное (номинальное) и пробное давления.

Рабочее давление Рр — максимальное внутреннее избыточное или наружное давление среды в аппарате при нормальном протекании технологического процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительного устройства (клапана и др.).

Расчетное давление Р — максимальное допускаемое рабочее давление, на которое производится расчет на прочность и устойчивость элементов аппарата при максимальной их температуре. Расчетное давление принимают, как правило, равным рабочему давлению.

Расчетное давление может быть выше рабочего в следующих случаях:

если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате может повыситься более чем на 10% от рабочего, то расчетное давление должно быть равно 90% от давления в аппарате при полном открытии предохранительного устройства;

если на элемент действует гидростатическое давление от столба жидкости в аппарате, значение которого свыше 5% от расчетного, то расчетное давление этого элемента соответственно повышается на значение гидростатического давления. В этом случае:

где g – ускорение силы тяжести, м/с2;

ρж – плотность жжидкости, кг/м3;

H – высота столба жидкости, м.

Для литых аппаратов, работающих при Рр ≤ 0,2 МПа значение Р принимается равным 0,2 МПа.

Для элементов аппарата с раздельными пространствами, имеющими разные давления, за расчетное давление принимается каждое из них (без учета других). Допускается производить расчет на разность давлений, если при эксплуатации в любом случае надежно обеспечивается наличие давлений во всех пространствах.

Пробное давление Рпр — избыточное давление, на которое аппарат испытывается на прочность и плотность после его изготовления и периодически при эксплуатации.

Для арматуры деталей трубопроводов величина Рпр устанавливается в зависимости от величины Ру и выбирается согласно ГОСТ 356-80.

Для сварных аппаратов эта величина рассчитывается в зависимости от величины рабочего давления.

Таблица 1 ‑ Значения пробных давлений

Рабочее давление рр, МПа	Пробное давление рпр, МПа
0,07 ÷ 0,5	Рпр = 1,5∙ Рр∙[σ20]/[σ]
>0,5	Рпр = 1,25∙ Рр∙[σ20]/[σ]
<0,07	0,2
Под вакуумом	Рпр = 0,15∙[σ20]/[σ] но н/м 0,2
Примечание: ∙[σ20], [σ] ‑ допускаемые напряжения при температуре 20°С и при рабочей температуре соответственно

Условное (номинальное) давление ру — избыточное рабочее давление при температуре элемента 20°С (без учета гидростатического давления).

Условные давления применяются при стандартизации аппаратов и их отдельных элементов. Серийно изготавливаемые аппараты, эксплуатационные рабочие параметры которых заранее неизвестны, проектируются из расчета на определенный температурный интервал и условное давление. Так согласно ГОСТ 9493-80 установлено, что определение допустимых напряжений при расчете на прочность стальных сосудов проводят при Т=100оС. Поэтому для стальных сосудов, работающих при температуре до 100оС рр = ру. Если в рабочих условиях температура стенки стальных сосудов превышает 100оС то рр должно быть снижено по сравнению с ру. Например для теплообменников, работающих при =350оС ру = 6,4 МПа, а рР = 4,3 МПа.

Для стальных сосудов и аппаратов согласно ГОСТ 9493-80, а также для арматуры и трубопроводов согласно ГОСТ 356—80 «Давления условные, пробные и рабочие» значения ру должны соответствовать ряду условных давлений, МПа: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16…250.

Примеры условных обозначений давлений:

Ру40 – условное давление 40 кгс/см2 (4 МПа);

Рпр60;

Рр250t473(200) – рабочее давление 250 кгс/см2 при 200оС.

Температура. Различают рабочую и расчетную температуру.

Рабочая температура t — это температура содержащейся или перерабатываемой среды в аппарате при нормальном протекании в нем технологического процесса.

Расчетная температура tR — это температура стенки аппарата для определения физико-механических характеристик конструкционного материала и допускаемых напряжений.

При положительных температурах за расчетную температуру стенки аппарата принимают наибольшее значение рабочей температуры стенки. При отрицательной температуре стенки элемента сосуда или аппарата за расчетную температуру при определении допускаемых напряжений следует принимать температуру 20оС.

При невозможности произвести тепловые расчеты или измерения и в тех случаях, когда во время эксплуатации температура стенки повышается до температуры среды, соприкасающейся со стенкой, за расчетную температуру следует принимать наибольшую температуру среды.

Для выполнения прочностных расчетов аппаратов должны быть известны значения их базовых диаметров. Для стальных цилиндрических аппаратов, корпусы (обечайки) которых выполняются из листового проката, за базовый принимается внутренний диаметр (D), выбираемый из ряда, определяемого стандартом (ГОСТ 9617—76). Для стальных аппаратов, корпуса которых выполняются из готовых труб, за базовый принимается наружный диаметр (DВ), выбираемый из ряда, определяемого стандартом (ГОСТ 9617—76).

Для фланцев, труб, трубной арматуры введен диаметр условного прохода (Dу), т.е. внутренний номинальный диаметр присоединительных элементов изделий. В зависимости от способа изготовления трубопроводов, он может совпадать с фактическим внутренним диаметром (для чугунных труб) либо не совпадать (для стальных труб, которые изготавливают по внешнему диаметру, а внутренний диаметр зависит от толщины листа).

Значения диаметров регламентируются нормативной документаций на конкретные виды оборудования.

Стандартизация и унификация. Номативно-техническая документация для проектирования, расчетов и

эксплуатации оборудования.

Оборудование для химико-технологических производств чрезвычайно разнообразно по конструкции и габаритам. Одним из путей является проектирование и создание индивидуального оборудования для каждого конкретного производства, но это нерационально и фактически невозможно (с учетом разнообразия производимых химических продуктов). Наиболее рациональным является разработка унифицированных узлов, деталей и конструкции машин и аппаратов, которые могут быть использованы в различных производствах для проведения одинаковых процессов, а также при конструировании различных типов оборудования (например, фланцы, арматура и т.д.).

Унификация – процесс рационального сокращения числа типов, видов, размеров изделий и их элементов.

Стандартизация – сведение многочисленных видов изделий к ограниченному числу стандартных образцов. Для наиболее совершенных конструкций машин, аппаратов и отдельных элементов разработаны соответствующие стандарты (ГОСТы, ТУ), которые регламентируют их конструкцию, габаритные размеры (объем, диаметр, высоту, площадь), ряды давлений.

Например:

ГОСТ 9929-82 «Кожухотрубные стальные теплообменные аппараты» (с.195 Альперт);

ГОСТ 11875-79 Аппараты с вращающимися барабанами (стр. 201);

ГОСТ 9931-85 Сосуды и аппараты цилиндрические стальные сварные . Типы и основные размеры (стр. 184).

Машины и аппараты, различающиеся по своему назначению и конструкции, состоят, в основном, из типовых узлов и деталей (фланцы, штуцеры, крышки, обечайки). Это позволяет нормализовать или стандартизировать большую часть узлов и деталей. Стандартизированы фланцы, заглушки, опоры, тарелки колонных аппаратов.

ГОСТ 20680–75. Механические перемешивающие устройства для вертикальных аппаратов (стр. 157).

Таким образом, конструкция и качество оборудования должны соответствовать ряду требований так называемой единой нормативно-технической документации, к которой относятся:

– «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ранее правила Госгортехнадзора);

– ГОСТы – нормативные требования на размеры, конструкцию, методы расчета и испытаний и т. д. – единые для всех предприятий;

– ОСТы, действие которых распространяется на отрасль;

– СТП, действующие на конкретном предприятии;

– РТМ – руководящие технические материалы;

– ТУ – технические условия.

Правила Госгортехнадзора включают требования к проектированию, устройству, изготовлению, монтажу, ремонту и обслуживанию сосудов, работающих под давлением. Они распространяются на:

– сосуды и аппараты, работающие под давлением свыше 0,07 МПа;

– цистерны и бочки для перевозки сжиженных газов, если давление паров при температуре до 50°С превышает 0,07 МПа;

– баллоны для перевозки и хранения сжатых и сжиженных газов под давлением свыше 0,07 МПа.

Завод-изготовитель поставляет оборудование заказчику с паспортами и инструкциями по монтажу и безопасной эксплуатации. К корпусу аппарата крепится табличка с указанием паспортных данных: наименование завода-изготовителя, заводской номер, год изготовления, рабочее и пробное давление, допустимая температура стенок.

После монтажа до пуска в эксплуатацию все аппараты необходимо зарегистрировать в инспекции Госгортехнадзора. Аппараты, подлежащие контролю со стороны Госгортехнадзора, после установки до пуска в работу и в процессе эксплуатации должны подвергаться техническому освидетельствованию, включающему наружный и внутренний осмотры, и гидравлическим испытаниям. В конструкции аппарата должна быть предусмотрена возможность осмотра, промывки, ремонта и т. д. Аппараты, подведомственные Госгортехнадзору с внутренним диаметром более 800 мм должны иметь люк-лаз диаметром н/м 450 мм на открытом воздухе и 400 мм в отапливаемом помещении. При диаметре аппарата менее 800 мм – смотровые люки диаметром не менее 80 мм. Сосуды, предназначенные для работы с высокотоксичными средами, но не вызывающими коррозии можно изготавливать без люков не зависимо от диаметра, но крышки должны быть съемными.

Осмотр проводится не реже одного раза в 1–4 года. Его цель – исследование состояния наружной и внутренней поверхностей и влияния коррозионной активности среды.

Гидравлические испытания проводят не реже одного раза в 8 лет. В процессе испытаний сосуд или аппарат заполняют водой, герметизируют и увеличивают давление до пробного значения, при котором выдерживают определенное время τ (от 10 до 60 мин в зависимости от толщины стенки S:

при S ≤ 50 мм τ = 10 мин;

при S, равной 50–100 мм, – 30 мин;

для литых и многослойных сосудов – 60 мин).

Величину пробного давления в сварных аппаратах независимо от S принимают в зависимости от расчетного давления (стр. 15 Криворот). Аппарат считается выдержавшим испытания, если в нем нет течи.

Сосуды и аппараты, работающие под атмосферным давлением, испытывают, заливая водой доверху и выдерживая 4 ч.

Пневматические испытания воздухом или инертными газами проводят редко и по специальным инструкциям при невозможности гидравлических испытаний. Сосуд находится под пробным давлением 5 мин, затем давление снижают и проводят осмотр.