5. Анализ причин повреждения аппаратов и трубопроводов, разработка необходимых средств защиты

Самую большую опасность для производства представляют повреждения и аварии технологического оборудования и трубопроводов, в результате которых значительное количество горючих веществ выходит наружу, вызывая опасное скопление паров жидкости, загазованность открытых территорий, разлив жидкости на большие площади.

Аварии при эксплуатации технологического оборудования возникает в результате механических, химических и электрических воздействий. К механическим воздействиям можно отнести: сверхрасчетные давления, возникающие при нарушении материального баланса и режима работы насоса, повышение сверхрасчетной температуры, накипи на отводящих трубопроводах, уменьшающих их сечение, гидравлические удары, вибрации, температурные перенапряжения.

Химическая коррозия происходит за счет воздействия кислорода воздуха и сероводорода, содержащегося в сырой нефти. От кислородной коррозии происходит образование ржавчины

4Fe + 3O₂2Fe₂O₃

Окисел Fe₂O₃ не обладает механической прочностью и легко отслаивается от металла. Сероводород при температуре310^оС и выше разлагается, в результате чего происходит процесс диссоциации сероводорода с образованием элементарной серы и взаимодействия ее с металлом, например:

H₂SH₂+S (термическая диссоциация)

2H₂S+O22H₂O+₂S (окисление)

Fe+SFeS (коррозия)

Сернистые соединения представляют собой пористые вещества, не обладающие большой механической прочностью, и легко отслаиваются от железа. Разрушение материала стенок трубопроводов и аппаратов образуется и за счет электрохимической коррозии, наиболее часто встречающийся. Одной из разновидности, которой является атмосферная коррозия. В присутствии влаги на поверхностях трубопроводов и аппаратов образуется тонкая пленка с растворенными в ней воздухом и примесями, присутствующими в атмосфере. Эта пленка влаги и является электролитом. В результате электрохимического воздействия электролита на металл происходит растворение последнего, что приводит к утоньшению металла и снижению его механической прочности. Проведем несколько проверочных расчетов на возможность разрушения аппаратов или трубопроводов.

5.1. Расчет на прочность трубопроводов при гидравлическом ударе

Определим силу гидроудара при закрытии задвижки в стальном трубопроводе d 400 мм и толщиной стенки 5 мм.

По трубопроводу протекает нефть со скоростью 1,2 м/с и объемным весом 860 кг/м³

Для определения приращения давления в трубопроводе воспользуемся формулой Н.Е. Жуковского 3:

,

где: – плотность жидкости, кг/м³;

– уменьшение скорости движения при торможении струи м/с;

v– скорость распространения ударной волны м/с/

,

где: Е_ж – модуль упругости жидкости, Па;

Е – модуль упругости материала трубопровода, Па;

d – внутренний диаметр трубопровода, м;

– толщина стенки трубы.

.

.

Приращение давления на 0,484 МПа сверх нормы может привести к повреждению трубопровода и истечению нефти.

Определим общее количество нефти, выходящей при полном разрушении резервуара, при подаче ее по двум трубопроводам, а также количество испарившейся нефти и объём, в котором при этом может образоваться горючая концентрация.

Объём резервуараV = 2000 м³, степень заполнения Е = 0,9, температура 25С, диаметр трубопроводов D_тр = 100 мм, расход насосов q₁=2,5 м^3. ч^-1, q₂ = 0,5 м^3. ч^-1. Время отключения трубопроводов принимается равным 120 с, время испарения разлившейся жидкости 1 ч, расстояние от аппарата до задвижек на трубопроводах 10 м; 1 л горючей жидкости разливается на 1 м². Нефть находится в аппарате при атмосферном давлении.

1. Количество горючих веществ, выходящих наружу при полном разрушении аппарата, определяют по формуле :

G_п = G_ап + G ^/_тр + G ^//_тр,

где G_п – количество веществ, выходящих из системы при полном разрушении аппарата, кг; G_ап – количество веществ, выходящих из разрушенного аппарата, кг; G ^/_тр, G ^//_тр – количество веществ, выходящих из трубопроводов (соответственно) до момента отключения и после закрытия задвижек или других запорных устройств, кг.

2. Для аппаратов с жидкостями определяется по формуле :

G_П,Ж = (V_АП^. Е + q_i,H + L_i,тр^.f_i,тр)_t,ж;

где V_ап – внутренний объём аппарата 2000 м³ (по условию); Е = 0,9 – степень заполнения аппарата (по условию); q_i,H – расходы насосов q₁ = 2,5 м^3. ч^-1, q₂ = 0,5 м^3. ч^-1 (по условию); L_i,тр, f_i,тр– соответственно длина 10 м (по условию) и сечение участков трубопровода (м²) (от аварийного аппарата до запорного устройства), из которого происходит истечение жидкости; _t,ж– плотность жидкости 840 кг ^. м^-3 ;  - время отключения трубопроводов 120 с = 0,033 ч (по условию).

G_П,Ж = (2000^. 0,9 + 2,5 ^. 0,033 + 0,5 ^. 0,033 + 10 ^. 0,00785) ^.840 = 1512149 кг.

Здесь (по условию).

3. Количество испарившейся жидкости определяется по формуле:

m = WF_И,

где W – интенсивность испарения кг ^. с^-1. м^-2; F_И – площадь испарения, принимается, что 1 л разливается на 1 м²;  = 1 ч =3600 с – время испарения .

Интенсивность испарения определяется по формуле :

где  = 1 коэффициент, принимаемый по табл. 3 в зависимости от скорости и температурывоздушного потока над поверхностью испарения; Р_н – давление насыщенного пара при расчетной температуре жидкости t_р определяемое по справочным данным в соответствии с требованиями п. 1.4.кПа; М = 57 кг/моль молярная масса.

Давление насыщенного пара определяем по формуле :

170,2 кПа.

Определяем интенсивность испарения:

W = 10^-6. 1 =187,2^. 10^-5 кг^. с^-1. м^-2.

Определяем объем вылившейся нефти:

= 1800000 л.

Тогда количество испарившейся жидкости равно:

m = 187,2^. 10^-5. 1800000^. 3600 = 12130560 кг.

Определяем объём взрывоопасной концентрации по формуле:

,

где _н,г,без – нижний концентрационный предел воспламенения кг ^. м^-3, определяется по формуле :

,

где V_t – молярный объём паров при рабочих условиях м^3. кмоль^-1; определяется по формуле

,

где V_O = 22,4135 м^3. кмоль^-1 – молярный объём паров при нормальных условиях; Т₀ = 273,15К – температура при нормальных физических условиях (t₀ = 0⁰C); Т_р = 25⁰С – рабочая температура (по условию); Р₀ = 101,325 кПа – давление при нормальных условиях; Р_общ – общее давление в системе (по условию нефть находится в аппарате при атмосферном давлении 101,325 кПа). Значит:

24,45м³;

Тогда:

кг^. м^-3,

Следовательно, объём взрывоопасной концентрации составит:

м³.