|
|
Будь-яка зміна робочої температури або температури навколишнього середовища приводить до зміни температури матеріалу апаратів, трубопроводів, а отже, до зміни розмірів окремих елементів, вузлів або конструкції в цілому. Якщо конструктивне влаштування вузлів або конструкції в цілому не перешкоджає вільній зміні їх лінійних розмірів за змін температури, тоді додаткових внутрішніх напружень в матеріалі не виникає. За відсутності таких можливостей в матеріалі виникають додаткові температурні напруження, величина яких залежить від багатьох факторів, в тому числі і від властивостей матеріалу, розмірів конструкції та характеру закріплення її кінців, величини перепаду температури.
Якщо апарат (трубопровід) за зміни температури вільно змінює свої розміри, пошкодження не відбувається. Зміна довжини конструкції ∆lt при цьому буде дорівнювати:
 (5.23)
де α – коефіцієнт лінійного розширення матеріалу конструкції, 1/град;
∆t – зміна температури, 0С;
l – довжина конструкції, м.
За відсутності умов вільної зміни лінійних розмірів апарата (трубопроводу), тобто в жорстко закріпленій конструкції, за зміни температури виникають температурні напруження, величину яких можна визначити, склавши рівняння сумісних деформацій:
 (5.24)
де  – зміна довжини конструкції під впливом сили, що виникає за зміни температури, м.
Згідно закону Гука відомо, що
 (5.25)
де  – сила, яка виникає при дії температури на конструкцію;
F – площа перерізу конструкції, м2;
Е – модуль пружності матеріалу, Па;
 – температурні напруження, Па.
Підставляючи (5.23) та (5.25) в (5.24), одержимо:
 (5.26)
Температурні напруження виникають:
-
при жорсткому кріпленні трубопроводів;
-
за наявності в апаратах біметалевих конструкцій або конструктивних елементів, що знаходяться під впливом неоднакових температур;
-
в товстостінних конструкціях;
-
за місцевих змін температур в матеріалі.
Температурні напруження в трубопроводах. В процесі експлуатації температура в трубопроводах може змінюватися із зміною температури навколишнього середовища. Високе температурне напруження в матеріалі труб, якщо не вживати заходів до його усунення, може зруйнувати трубопровід, арматуру, опори та нанести пошкодження обладнанню (насосам, фільтрам тощо).
Максимальна величина зміни довжини трубопроводу за зміни температури та внутрішнє температурне напруження матеріалу труб визначається за формулами (5.23) і (5.26).
Захист трубопроводів від температурних напружень здійснюється:
-
установкою температурних компенсаторів. Компенсатори бувають лінзові, гнуті (П-подібні, ліроподібні тощо) (рис.5.13) та сальникові. Вигини та повороти трубопроводів можуть також виконувати роль температурних компенсаторів;
-
застосуванням рухомих опор, які в деяких випадках застосовуються для кріплення труб з можливістю їх деякого переміщення в подовжньому напрямку;
-
контроль за справністю теплової ізоляції, яка зменшує можливий перепад температур.
Рисунок 5. 13- Види компенсаторів
а- хвилясті; б-лінзові; в, г- гнуті
Температурні напруження в теплообмінних апаратах. В апаратах, де протікають процеси теплообміну, можуть виникати такі випадки, коли деякі конструктивні елементи, що жорстко закріплені на кінцях, в процесі експлуатації мають неоднакову температуру. Це відноситься до кожухотрубчастих теплообмінників, трубчастих реакторів, апаратів з оболонками для обігріву або охолодження.
В таких конструкціях виникають додаткові температурні напруження. Додаткові температурні напруження при дії навіть постійної за величиною температури виникають в конструкціях, виконаних з різних матеріалів та жорстко пов’язаних між собою (наприклад, в шаруватих стінках, трубках і стрижнях з матеріалів з різними коефіцієнтами лінійного розширення).
Силу, яка виникає між жорстко з’єднаним корпусом та трубами теплообмінника за рахунок температурних напружень, можна визначити за формулою:
 (5.27)
де та  – коефіцієнти лінійного розширення для матеріалу корпуса та труб за відповідних температур, 1/град;
 ,  - розрахункові температури корпуса та труб теплообмінника, град;
Температури корпуса і труб теплообмінних апаратів при розрахунках приймають виходячи з максимальної різниці між ними, яка можлива в процесі роботи, пуску та зупинки апарата.
Крім сили , на жорстко закріплені частини апарата діє і сила Р, викликана тиском середовища в міжтрубному та трубному просторах, тобто:
 (5.28)
де  - внутрішній діаметр корпуса теплообмінника, м;
z – число трубок;
 , – відповідно зовнішній та внутрішній діаметр труб, м;
 , – тиск середовища відповідно в міжтрубному та трубному просторах, Па.
Температурні напруження в теплообмінних апаратах з жорстким з’єднанням корпуса та трубок визначають за формулами:
 (5.29)
 (5.30)
де  ,  - максимальні напруження в матеріалі корпуса і труб теплообмінника, Па.
Небезпека руйнування теплообмінника виникає, якщо або будуть більшими за розрахункові допустимі напруження  .
Якщо робоча температура не перевищує для вуглецевих та низьколегованих сталей 3800С, а для високолегованих сталей 5250С, за нормативно допустиме напруження приймають найменше з двох значень:
 (5.31)
де - нормативно допустиме температурне напруження, Па;
 ,  - відповідно межа міцності та текучості матеріалу, Па;
 , – запаси міцності відповідно на межі міцності та межі текучості, наприклад, при розрахунках хімічного та нафтохімічного обладнання звичайно приймають =2,7-4,25 і = 1,2-1,9.
За більш високих температур за нормативно допустиме напруження приймають:
 (5.32)
де , - відповідно межі текучості та повзучості за робочої температури, Па;
 – запас міцності на межі повзучості, = 1,15.
Якщо згідно розрахунків виявиться, що жорстке з’єднання корпуса і трубок теплообмінника недопустимо, тоді необхідно використовувати апарати, які мають температурні компенсатори. Частіше всього теплообмінні апарати обладнують лінзовими компенсаторами та компенсаторами типу „плаваюча голівка” (рис. 5. 14).
Температурні напруження будуть тим більшими, чим довші трубки теплообмінника та чим більше різниця температур між кожухом та пучком труб. Вважається, що кожухотрубчасті теплообмінні апарати повинні мати температурні компенсатори, якщо довжина трубок більше 2 м або різниця температур між кожухом та пучком труб буде більше 400С.
Зниження температурних напружень досягається також шляхом зменшення різниці температур між окремими конструктивними елементами та підбору відповідних матеріалів при конструюванні окремих вузлів апаратів з приблизно однаковими коефіцієнтами лінійного розширення.
Температурні напруження в товстостінних апаратах. Товстостінними вважають апарати, у яких відношення зовнішнього діаметра до внутрішнього діаметра дорівнює або більше 1,1. Тонкостінні апарати за всіх умов мають приблизно однакову температуру за товщиною стінки, і тому додаткові температурні напруження в матеріалі не виникають. В товстостінних апаратах, які працюють за підвищеної або зниженої температури, ступінь нагріву внутрішньої і зовнішньої поверхні стінки різний. Температурний перепад по товщині стінки як і неоднаковий нагрів окремих ділянок, і особливо за різкої зміни робочих температур, може викликати небезпечні за величиною температурні напруження. З цієї причини неодноразово виникали пошкодження апаратів та серйозні аварії.
Рисунок 5. 14- Компенсатори трубчастих теплообмінників
а – з плаваючою голівкою; б- з сальником; в- з вигнутими трубками; г – з лінзою на корпусі;
1 – корпус теплообмінника; 2 – плаваюча голівка; 3 – сальник; 4 – вигнуті трубки; 5 – лінза
Приклад аварії. Так, на одному з хімічних підприємств через місцеві температурні напруження виник розрив колони, призначеної для синтезу ізобутилового спирту. Колона працювала під тиском 32 МПа та за максимальної температури 4700С. Колона представляла собою сталеву трубу товщиною 30 мм, кругом якої була намотана чотирма рядами сталева стрічка. Сумарна товщина стінки становила 126 мм. Незадовго до аварії температура в зоні каталізатора різко підвищилася і протягом 5 хв. перевищувала 6000С.
Через деякий час стався розрив корпуса колони. Силою вибуху була зруйнована залізобетонна кабіна. Залізобетонні щитки масою 5 т, які закривали при роботі агрегату монтажний отвір в стіні кабіни, були відкинуті на 140 м. Причиною аварії став значний перепад температур між внутрішньою та зовнішньою стінками колони. За вимогами норм за такого температурного режиму даних колон нормальний температурний перепад не повинен перевищувати 15-200С, а в даному випадку він склав більше 450С. Було встановлено, що за такої товщини стінок різниця температур між внутрішньою та зовнішніми поверхнями стінки корпуса в один градус уже викликає напруження стиснення (на внутрішній поверхні) та розтягнення (на зовнішній поверхні) до 1,8-2,0 МПа. Очевидно, що напруження в матеріалі стінки перевищило небезпечну межу.
Температурні напруження на внутрішній та  зовнішній поверхнях товстостінного циліндричного апарата з врахуванням реальних умов його роботи можна розрахувати за формулами (при перепаді температур по товщині стінки більше 100С):
 ( 5.33)
 (5.34)
де ,  – температура на внутрішній та зовнішній поверхнях стінки апарата, 0С;
μ – коефіцієнт Пуассона (поперечної деформації). Коливається в межах для сталі 0,25-0,33; міді 0,31-0,34; чавуну 0,23-0,27; латуні 0,32-0,42; алюмінію 0,32-0,36;
 - відношення величини зовнішнього діаметра до внутрішнього діаметра.
За перевірочних розрахунків товстостінних конструкцій температуру зовнішньої та внутрішньої поверхні стінки приймають, виходячи з максимально можливого перепаду температур як в процесі роботи, так і в періоди пуску та зупинки апарата.
Для запобігання аварій товстостінних апаратів від температурних впливів необхідно:
-
додержуватись заданого температурного режиму роботи;
-
використовувати автоматичні регулятори температури;
-
влаштовувати реєстраційні прилади з сигнальними пристроями для заміру температури стінок корпуса;
-
проводити охолодження внутрішньої поверхні стінок апарата шляхом пропускання холодного циркуляційного газу;
-
автоматично контролювати зниження тиску, температурний режим апарата та зупинку всього технологічного процесу;
-
захищати зовнішні поверхні товстостінних апаратів та трубопроводів теплоізоляцією;
-
нагрівання та охолодження товстостінних апаратів в періоди їх пуску та зупинки проводити повільно;
-
не допускати порушення встановленого темпу зміни температури в часі.
|