Пассивные способы защиты.

К пассивным способам взрывозащиты технологического оборудования относится один из самых распространённых способов – применение предохранительных устройств для сброса давления (УСД), т.е. предохранительных устройств и клапанов. Установка предохранительных конструкций, применяемых для взрывозащиты технологического оборудования и помещений, преследует своей целью ослабление разрушительного действия взрыва за счёт своевременного сброса из объекта защиты избыточного давления. Все эти устройства срабатывают при повышении давления сверх установленных пределов.

Классификация основных видов предохранительных устройств, используемых для взрывозащиты технологического оборудования, приведена на рис. 7.19.

Пружинного типа

Откидного типа

Взрывные клапаны

Предохранительные устройства для сброса давления взрыва из технологического оборудования УСД

Мембранные предохранительные устройства

с разрывными мембранами

с лопающими мембранами

с ломающимися мембранами

со срезными мембранами

с отрывными мембранами

Рис. 7.19. Классификация основных видов предохранительных устройств для сброса давления взрыва из технологического оборудования

Взрывные предохранительные клапаны являются весьма распространенными средствами защиты технологического оборудования от превышения давления. Среди них наиболее часто применяются клапаны пружинного и откидного типа.

Пружинные взрывные клапаны работают точно таким же образом, как и обычные общепромышленные предохранительные клапаны, срабатывающие при повышении рабочего давления в аппарате. Однако в отличие от последних, взрывные предохранительные клапаны имеют гораздо большую пропускную способность.

На рис. 7.20,а показана одна из наиболее простых конструкций пружинного клапана с внутренней центральной пружиной. Уплотнительное кольцо 6 из эластичного материала, например из резины, обеспечивает необходимую герметичность контакта крышки 3 с корпусом 7. Крышка 3 клапана не имеет жестких направляющих, однако центральное расположение пружин 1 и 2 обеспечивает равномерность прижатия крышки по всему периметру уплотнительного кольца. Ручка 4 служит для периодической контрольной проверки работоспособности клапана.

Рис. 7.20. Взрывные пружинные клапаны:

а – с внутренней центральной пружиной; 1, 2 – пружины; 3 – крыш­ка; 4 – ручка;

5 – шток; 6 – уплотнительное кольцо; 7 – корпус; б – литой клапан с внутренними периферийными пружинами; 1 – чу­гунный корпус; 2 – чугунная крышка; 3 – паронитовая прокладка; 4 – шпилька; 5 – пружина; 6 – гайка; в – клапан фирмы МАН; 1 – прокладка;

2 – крышка; 3 – пружина; 4 – отражатель; г – клапан с наружными периферийными пружинами; 1 – защищаемый аппарат; 2 – запорный диск; 3 – пружина; 4 – кольцо; 5 – штанга

Предохранительный клапан, конструкция которого приведена на рис. 7.20,б, используется для защиты судовых дизелей. Шпильки 4 ввернуты в крышку клапана и свободно проходят через отверстия в корпусе 1.

Регулировка затяжки пружин 5 осуществляется гайками 6. После регулировки клапанов на соответствующее избыточное давление, нижние концы шпилек расклепывают для предотвращения самоотвинчивания гаек.

Взрывной клапан западногерманской фирмы МАН (рис. 7.20, в) имеет простую и облегченную конструкцию со штампованными крышками 2 и отражателем 4. Клапан срабатывает при давлении в защищаемом пространстве 4 кПа.

Взрывной клапан, показанный на рис. 7.20,г отличается от описанных тем, что имеет ряд пружин 3, расположенных снаружи по всему периметру запорного диска 2, а сам диск движется по направляющим штангам 5, что исключает его перекосы во время работы и при обратной посадке. Испытания этого клапана диаметром 400 мм показали, что он надежно защищает сосуд объемом 1 м³ от взрыва паров бензола. При настройке клапана на давление срабатывания 0,01 МПа во время взрыва давление в емкости не превышало 0,03 МПа.

Наиболее распространенные конструкции взрывных клапанов откидного типапоказаны на рис. 7.21. В клапане, изображенном на рис. 7.21,а крышка 1 установлена на шарнире 2 и удерживается в закрытом положении пружиной 3 и защелкой 4 с двумя скосами. В клапане, изображенном на рис. 7.21,б крышка удерживается в закрытом положении либо под действием груза 5, либо только за счет собственного веса.

Рис.7.21. Взрывные клапаны откидного типа:

а – с защелкой; б – с грузом; 1 – откидной люк; 2 – шарнир; 3 – пружина; 4 – защелка;

5 – груз

Основным преимуществом взрывных предохранительных клапанов является то, что они после сброса необходимого количества газов вновь закрывают защищаемый аппарат. Это важно не только потому, что не требуется никаких работ по восстановлению клапанов, и технологический процесс может не прекращаться, но и потому, что при этом исключается возможность так называемых вторичных взрывов, которые могли бы происходить из-за подсоса воздуха через незакрытое сбросное отверстие.

Наряду с этим взрывные клапаны имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают область их применения. Такие клапаны, например, абсолютно ненадежны при работе в средах, склонных к кристаллизации, полимеризации и т.п. Кроме того, они дают существенные протечки в закрытом состоянии, что сопряжено с потерями ценных продуктов и загрязнением окружающей среды. Поэтому взрывные предохранительные клапаны устанавливают в основном на технологическом оборудовании, работающем при атмосферном давлении.

Мембранные предохранительные устройства являются наиболее надежными среди всех существующих средств взрывозащиты. Мембраны меньше других устройств подвержены влиянию кристаллизации и полимеризации среды, обеспечивают полную герметичность оборудования (до срабатывания) и не имеют ограничений по пропускной способности. В промышленности применяют большое число типов и конструктивных разновидностей предохранительных мембран. Наиболее характерным признаком, по которому обычно классифицируют мембраны, является характер их разрушения. В связи с этим все предохранительные мембраны подразделяются на разрывные, хлопающие, ломающиеся, срезные, выщелкивающиеся и отрывные.

Разрывные мембраныявляются наиболее простыми и распространенными среди всех применяемых на технологическом оборудовании типов мембран. Учитывая, что при взрыве такие мембраны должны мгновенно разрываться, их изготавливают из тонколистового проката пластичных металлов, таких как алюминий, никель, медь, латунь, титан, монель и т.п. При небольших рабочих давлениях в защищаемых аппаратах для изготовления мембран иногда используют неметаллические материалы – полиэтиленовые и фторопластовые пленки, бумагу, картон, паранит, асбест.

Номенклатура выпускаемого тонколистового металлопроката сильно ограничивает возможности изготовления разрывных мембран на низкое давление срабатывания. Поэтому в таких случаях для защиты аппаратов примененяют разрывные мембраны с радиальными (рис. 7.22,а) и с круговыми (рис. 7.22,б) рисками. Радиальные риски более просты в изготовлении, однако такая мембрана часто при срабатывании разрывается по одной – двум рискам и не обеспечивает полного раскрытия проходного сечения. Мембрана с окружной риской, как правило, раскрывается полностью. Для предотвращения отрыва мембраны риску наносят по незамкнутому круговому контуру, а со стороны, противоположной источнику давления, у концов риски устанавливают сегментный упор 1. Следует отметить, что технология нанесения рисок строго заданной глубины пока несовершенна, и поэтому такие мембраны часто имеют нестабильные характеристики. В этом отношении более предпочтительны мембраны с прорезями (рис. 7.22,в). Они всегда двухслойны, так как содержат дополнительно герметизирующую подложку 2 из коррозионностойкого и малопрочного материала.

Рис. 7.22. Предохранительные разрывные мембраны:

а – с радиальными рисками; б – с круговыми рисками; в – с прорезями;

г – с вакуумной опорой; 1 – упор; 2 – герметизи­рующая подложка; 3 – мембрана;

4 – вакуумная опора

Если защищаемый аппарат подвергается периодическому вакуумированию, и круглообразная мембрана, не выдерживая вакуума, сжимается, то для ее нормальной работы необходимо устанавливать специальную вакуумную опору. Одна из таких опор показана на рис. 7.22,г.

Хлопающие мембраны используются в основном для защиты аппаратов, работающих на знакопеременном режиме давления. Такие мембраны (см. рис.7.23) имеют форму сферического купола, выпуклая сторона которого обращена к зоне повышенного давления, то есть внутрь аппарата. При повышении давления сверх критического сферический купол мембраны теряет устойчивость и выворачивается в обратную сторону. При этом хлопающая мембрана со свободной заделкой (рис. 7.23,в) за счет энергии прощелкивания вылетает из кольца, а хлопающая с защемленным контуром (рис. 7.23 а и б) ударяется о неподвижный крестообразный нож и разрезается.

Рис. 7.23. Хлопающие предохранительные мембраны:

а – с плоским зажимом и зубчатым ножом; 1 – нож; 2, 3, 5 – зажим­ные кольца;

4 – мембрана; 6 – пленка; 7 – прокладка; 8 – винт; б – с коническим зажимом и гладким ножом; в – хлопающая мембрана с переменной кривизной и свободной заделкой;

1 – мембрана; 2 – пленка; 3, 4 – кольца

Ломающиеся мембраны (рис. 7.24) используются для защиты аппаратов, работающих в условиях динамических и пульсирующих нагрузок. При срабатывании такие мембраны должны ломаться, поэтому их изготавливают из хрупких материалов: чугуна, графита, эбонита, поливинилхлорида и др. Срабатыванию ломающихся мембран не предшествуют заметные пластические деформации, поэтому они являются наименее инерционными. Однако, существенным недостатком таких мембран является большой разброс давления срабатывания, поэтому во многих случаях они не обеспечивают надежной защиты оборудования.

Рис.7.24. Ломающиеся мембраны:

а – с выточкой; б – со свободной заделкой; 1 – мембрана; 2 – фланцы;

3 – прокладки; 4 – кольцо; 5 – пленка

Срезные мембраны (рис. 7.25) при срабатывании срезаются по острой кромке прижимного кольца 3, полностью освобождая проходное сечение для выхода газов. Такие мембраны, также как и разрывные, изготавливают из мягкого листового проката. Мембрана, показанная на рис. 7.25,а, имеет утолщение по всей рабочей части, чтобы максимально снизить деформации изгиба и тем самым создать условия материала на чистый срез. Мембрана, представленная на рис. 7.25,б, для увеличения изгибной жесткости в рабочей части имеет накладные диски 4. Накладные диски и зажимные кольца делают калеными из качественных сталей с остро заточенными режущими кромками. Основной недостаток мембран этого типа состоит в большом разбросе давления срабатывания, так как оно определяется не только механическими свойствами мембраны, но и состоянием режущих кромок деталей узла.

Рис. 7.25. Срезные мембраны:

а – с утолщением; б – с накладными дисками; 1 – мембрана; 2, 3 – кольца; 4 – диски

Отрывные мембраныприменяются в основном для защиты аппаратов, работающих под большим рабочим давлением. Наиболее часто используемые виды отрывных мембран показаны на рис. 7.26. Под воздействием взрывного давления мембраны открываются по ослабленному сечению и открывают выход продуктам горения.

Рис. 7.26. Конструкции отрывных мембран:

1 – фланцы; 2 – мембрана; 3 – ослабленное сечение

Типы и конструкции мембранных предохранительных устройств должны выбираться в соответствие с расчетными и заданными давлениями срабатывания и с учетом конкретных условий работы оборудования, а также требований взрывозащиты. С расчетами различных типов мембранных предохранительных устройств можно познакомиться в специальной литературе. При защите мембранами конкретных аппаратов в соответствие с ГОСТ Р 12.3.047-98 расчетом определяют размеры мембраны, общую площадь, диаметр и толщину.

Основным недостатком предохранительных мембран является то, что после их срабатывания сбросное отверстие остается открытым. Это приводит к утечке большого количества горючих продуктов в атмосферу, к проникновению воздуха в систему и образованию больших объемов взрывоопасных парогазовоздушных смесей в производственных помещениях, на территории предприятия и в аппаратуре.

Наличие недостатков, как у взрывных клапанов, так и у мембран привело к созданию комбинированных предохранительных устройств. Одна из конструкций таких устройств показана на рис. 7.27. Данное предохранительное устройство работает как мембрана до первого срабатывания и как предохранительный клапан до замены, сработавшей мембраны. Основное отличие такой модификации предохранительного клапана состоит в том, что в нормальном рабочем состоянии золотник клапана приподнят и удерживается в этом положении упорами 3, защемленными за выступ 2 на штоке.

Рис. 7.27. Предохранительный клапан с мембраной:

1 – пружина; 2 – выступ на штоке; 3 – упоры; 4 – мембрана

При взрыве в аппарате мембрана 4 разрывается, а золотник клапана под воздействием потока сбрасываемых газов приподнимается. В результате подъема золотника упоры 3 под действием пружины 1 расходятся в стороны и выходят из зацепления со штоком. Однако клапан при этом продолжает оставаться открытым до тех пор, пока давление в аппарате не снизится до значения, определяемого настройкой основной пружины взрывного клапана. Далее, до замены сработавшей мембраны, устройство работает как обычный предохранительный клапан, поскольку выведенные из зацепления упоры в дальнейшей работе не участвуют.

Эффективность работы всех рассмотренных выше предохранительных устройств зависит не только от их конструктивных особенностей, но и от места установки на технологическом оборудовании. Так, на аппаратах устройства для сброса давления взрыва должны устанавли­ваться преимущественно в верхней их части, а на трубопроводах – в тупиках и на поворотах. При этом необходимо также учитывать, чтобы продукты горения отводились в наиболее безопасную сторону, то есть в таком направлении, где нет людей, пожаровзрывоопасного оборудования, горючих веществ и материалов, сгораемых конструкций и т.п. В случае отсутствия таких возможностей от предохранительных устройств необходимо устраивать вертикальные отводные трубы для сброса продуктов горения за пределы помещения.

Срок службы предохранительных устройств в промышленных условиях следует определять исходя из коррозионной стойкости материала в среде защищаемого аппарата, с учетом рабочей температуры, степени нагружения, характера нагрузок и т.п. После истечения установленного срока службы устройства должны заменяться на новые. В процессе эксплуатации предохранительных устройств необходимо следить за их состоянием, предупреждать повреждения и не допускать их загрязнения пылью и другими отложениями.

Учитывая, что в условиях производств могут иметь место и взрывы в помещениях, последние также подлежат защите от разрушения. С целью локализации возможного взрыва, помещения со взрывоопасными технологическими процессами необходимо размещать у наружных стен здания, а в многоэтажных зданиях – на верхних этажах. Наряду с этим такие помещения должны защищаться специальными легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК). К ЛСК относятся стеновые и крышевые панели, окна, распашные двери и ворота, а также прочие ограждающие конструктивные элементы, разрушение или открывание которых в случае взрыва происходит при избыточном давлении, не превышающем допустимого для основных несущих и ограждающих конструкций здания. Требования к устройству легкосбрасываемых конструкций изложены в специальной литературе. Требуемая площадь ЛСК определяется расчетом в соответствие с Инструкцией по опреде­лению площади легкосбрасываемых конструкций. В случае отсутствия расчетных данных допускается принимать площадь ЛСК не менее 0,05 м² на 1 м³ объема помещений категории “А” и не менее 0,03 м² на 1 м³ помещений категории “Б”.