ПОЖЕЖНА ПРОФІЛАКТИКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ТА АПАРАТІВ

9.1.Мембранні запобіжні пристрої

9.1.Мембранні запобіжні пристрої

Пристрої для випуску надлишкового тиску, що утворюється під час вибуху, принципово відрізняються від звичайних запобіжних клапанів, які призначені для захисту від підвищеного тиску, що утворюється при порушенні технологічного режиму без виникнення вибуху. В останньому випадку тиск зростає відносно повільно, запобіжний клапан встигає спрацювати і відвести надлишок газів із апарата. Більш докладно матеріал про запобіжні надано у главі 5 посібника.

Під час вибуху тиск зростає дуже швидко, відповідно таким швидким повинно бути відведення газів. Щоб тиск під час вибуху не перевищував величини, на які розраховані стінки апарата, застосовують запобіжні клапани мембранного типу (рис.9.1). Простота конструкції та висока швидкодія запобіжних мембран характеризують їх як найбільш надійні із усіх існуючих засобів вибухозахисту технологічного обладнання.

Мембрани встановлюють на апаратах і трубопроводах з урахуванням найбільш ймовірного напрямку поширення вибухової хвилі. Найбільш характерною ознакою, за якою класифікують мембрани, є характер їх руйнування. У зв’язку з цим мембрани розділяються за наступним видами: розривні, зрізні; що ламаються; що хлопають, та спеціальні запобіжні мембрани.

Найбільш простим і поширеним типом є розривні мембрани (рис. 9.1). Мембранний вузол, як правило, складається із мембрани і пари затискних кілець. Мембрана між кільцями затискається без будь-яких прокладок, тому до якості поверхні кілець пред’являються жорсткі вимоги (правильність геометричної форми та чистота обробки).

Рисунок 9.1- Розривні запобіжні мембрани

а- плоска мембрана; б- вигнута мембрана; 1- фланці патрубка; 2- розривна мембрана; 3- прокладки

При навантаженні робочим тиском мембрана зазнає значних пластичних деформацій, внаслідок чого одержує форму яскраво вираженого купола, близького до сферичного сегмента. Частіше за все куполоподібну форму мембрані надають заздалегідь. Попередньо вигнуті мембрани, у порівнянні з плоскими, більш чутливі (тобто мають найбільшу точність спрацьовування), зручні під час монтажу та експлуатації.

Розривні мембрани виготовляють із тонколистового прокату пластичних металів, таких як алюміній, нікель, латунь, мідь, титан тощо. Відомі випадки застосування неметалевих мембран із поліетиленової та фторопластової плівок, із паперу, картону, пароніту та азбесту. Виготовлення мембран із таких матеріалів для широкого використання не рекомендується, оскільки ці матеріали мають нестабільні механічні властивості.

Для зниження розривного тиску на мембранах роблять радіальні (рис. 9.2, а) та колові (рис. 9.2, б) риски. Радіальні риски більш прості у виготовленні, але така мембрана часто розривається по одній чи двом рискам під час спрацьовування, і не забезпечує повного розкриття прохідного перерізу. Мембрана з коловою рискою розкривається повністю. Для запобігання відривання риску наносять по незамкненому коловому контуру; з боку, протилежного джерелу тиску, на кінцях риски встановлюють сегментний упор, хорда якого стягує більшу дугу окружності, ніж хорда, яка з’єднує кінці риски (рис. 9.2, б). Мембрани з прорізями (рис. 9.2, в) двошарові, оскільки мають додатково корозійностійку підкладку 2 для герметизації.

Рисунок 9.2- Різновидності запобіжних мембран

1- упор; 2- герметизуюча підкладка; 3- мембрана; 4- вакуумна опора

Якщо апарат, який захищають, працює під вакуумом і куполоподібна розривна мембрана не витримує вакууму та мнеться, то для її нормальної роботи необхідно встановлювати вакуумну опору, яка показана на рис. 9.2, г.

Одним з найбільш перспективних засобів захисту апаратів, які періодично працюють під вакуумом, є мембрани, що хлопають (рис. 9.3). Основною відмінністю мембран 8, що хлопають від розривних є те, що вони своєю випуклою стороною повернені у сторону підвищеного тиску (усередину апарата, що захищається). При підвищенні тиску сферичний купол втрачає стійкість і дуже різко з ударом вивертається у зворотний бік. При цьому вона ударяється об хрестоподібний ніж і розривається на чотири пелюстки.

Перевагою мембран, що хлопають, є великий термін служби у порівнянні з іншими мембранами за умов однакового співвідношення робочого тиску та тиску спрацьовування. Відомо, що ці мембрани витримують 100 тисяч циклів навантаження від 0 до 90% тиску спрацьовування, в той час як такі ж розривні мембрани руйнувались уже після 10 тисяч циклів від 0 до 85% тиску спрацьовування. В середньому строк служби мембран, що хлопають, в 10-15 разів більше, ніж розривних, при роботі в однакових умовах [10].

Рисунок 9.3- Запобіжні мембрани, що хлопають

а- з плоским затискачем і зубчастим ножем; б- з конічним затискачем і плоским ножем; в- з перемінною кривизною;

1, 6, 7- затискні кільця; 2- планка; 3- прокладка; 4- гвинт; 5- ніж; 8- мембрана; 9- плівка

Ламкі мембрани виготовляють із крихких матеріалів: чавуну, графіту, скла, ебоніту, полівінілхлориду тощо шляхом токарної обробки.

Найбільш поширеними є ламкі мембрани, що виготовлені із чавуну з виточкою (рис. 9.4, а). Кріплення таких мембран здійснюється у фланцях 2 з прокладками 3 без застосування спеціальних проміжних кілець. Ламкі мембрани із крихких матеріалів, таких як скло чи графіт, дуже чутливі до рівномірності затяжки фланцевого з’єднання. При недотриманні цієї умови мембрана може зруйнуватись під час монтажу або отримати настільки великі початкові напруження, що при навантаженні її робочим тиском відбудеться помилкове спрацьовування. Найбільш стабільною у цьому плані є не защемлена мембрана, яка показана на рис. 9.4, б. Мембрана 1 вільно вставлена у виточку кільця 4, а для герметичності вузла використовується м’яка плівка 5.

Основним недоліком ламких мембран є великий діапазон тиску спрацьовування, тому у багатьох випадках вони не забезпечують надійного захисту обладнання.

На практиці частіше використовують ламкі мембрани із спеціальних графітів, які просочені органічними смолами для забезпечення герметичності. Графітові мембрани стійкі до корозії, перемінних навантажень та мають велику термостійкість (понад 20000С).

Рисунок 9.4- Ламкі мембрани

а- з виточкою; б- стиснута мембрана

Зрізні мембрани при спрацьовуванні зрізуються по гострому краю затискного кільця, повністю звільнюючи прохідний переріз для виходу газів. Мембрана (рис. 9.5, а) виготовляється із м’яких матеріалів і має стовщення по всій робочій частині, щоб максимально знизити деформації вигину і тим самим створити умови роботи матеріалу на чисте зрізання. Мембрана, яка показана на рис. 9.5, б, виготовляється із м’якого листового прокату, а для збільшення жорсткості на вигин у робочій частині має накладні диски.

Рисунок 9.5. Зрізні мембрани:

1- мембрана; 2, 3- зрізні кільця; 4- диски

У промисловості застосовуються інші типи запобіжних пристроїв із використанням мембран. Пошук нових конструктивних рішень звичайно диктується необхідністю підвищити точність спрацьовування пристрою, створити можливість регулювання тиску спрацьовування, збільшити швидкодію, термін служби, стійкість до високих температур та іншими специфічними вимогами.

На практиці знайшли широке застосування мембрани, які руйнуються примусово від стороннього джерела енергії. Пристрій (рис. 9.6, а) складається з мембрани 4, виготовленої з загартованого скла (сталініту), і ударного механізму 5. Ударний механізм може являти собою електромагнітний пристрій, плунжер з піротехнічним зарядом або інший швидкодіючий механізм. При його спрацьовуванні бойок 6 завдає удару по крайці скла. Загартоване скло має велику швидкість утворення тріщин з появою джерела концентрації напруження і дробиться на безліч дрібних уламків, що дозволяє надійно розкривати увесь викидний отвір мембрани. Для фіксації скла при нанесенні удару бойком із протилежної сторони встановлений загострений упор 9, який також сприяє дробленню скла. Для розвантаження скляної мембрани від можливого вакууму в апараті, що захищається, передбачена опора 3 у виді ґрат. З боку опори встановлені пружини 2, які навіть за відсутності тиску в апараті у випадку спрацьовування мембрани забезпечать розкривання викидного отвору. Плівка 7 з еластичного матеріалу наклеєна на мембрану концентрично і защемлена між мембраною та затискним кільцем 8. При спрацьовуванні мембрани плівка разом з уламками, що на ній наклеєні, відвертається і зменшує винос уламків разом з викидними газами.

Для формування електричного командного імпульсу на спрацьовування даного пристрою можуть застосовуватись високочутливі датчики тиску або датчики, що реагують на світловий спалах в апараті, який супроводжує вибух технологічного середовища і може бути зареєстрованим значно раніше, ніж підвищення тиску.

Рисунок 9.6- Різновид мембранних запобіжних пристроїв

1- прокладка; 2- пружина; 3- опора; 4- мембрана; 5- ударний механізм; 6- бойок; 7- плівка; 8- кільце для затискання; 9- упор; 10- кришка; 11- кутовий важіль; 12- струна; 13- гайка; 14- манометр; 15- додаткова мембрана; 16- основна мембрана; 17- жорсткий центр; 18- апарат, що захищають; 19- дросель

Конструкція запобіжного пристрою, в якому поріг спрацьовування визначається міцністю спеціального ослабленого елементу (каліброваної струни), показана на рис. 9.6, б. Кришка 10 прижимається до корпусу за допомогою кутових важелів 11, що стягнуті струною 12. Натягування струни можна регулювати спеціальною гайкою 13. Плече прикладення сили регулюється шляхом переміщення струни уздовж важеля, тим самим змінюється поріг спрацьовування.

Конструкція запобіжного пристрою, в якому поріг спрацьовування визначається міцністю спеціального ослабленого елементу (каліброваної струни), показана на рис. 9.6, б. Кришка 10 прижимається до корпусу за допомогою кутових важелів 11, що стягнуті струною 12. Натягування струни можна регулювати спеціальною гайкою 13. Плече прикладення сили регулюється шляхом переміщення струни уздовж важеля, тим самим змінюється поріг спрацьовування.

Якщо в апараті, що захищається, обертаються сильнодіючі отруйні речовини, то у цьому випадку скидання газів запобіжних пристроїв необхідно здійснювати в спеціальні ємності, в яких інколи може бути деякий надлишковий тиск. І це необхідно враховувати при виборі запобіжних пристроїв. В цьому випадку рекомендують застосовувати пристрій (рис. 9.6, в), що включає дві мембрани: основну мембрану 16, яка сприймає робочий тиск в апараті, що захищається, і додаткову мембрану 15, яка сприймає протитиск. Для нормальної роботи пристрою необхідне виконання умови, коли величина протитиску значно менша за величину робочого тиску; у цьому випадку додаткова мембрана має значно меншу міцність на розривання, ніж основна, і при спрацьовуванні основної мембрани зразу руйнується і додаткова. Для контролю стану мембран є манометр.

На рис. 9.6, г показаний мембранний запобіжний пристрій, тиск спрацьовування якого залежить від швидкості зростання тиску в апараті, що захищається. Пристрій складається із основної мембрани 16, додаткової мембрани 15 із жорстким центром 17 та затискних кілець. Пристрій встановлюється на штуцері апарата 18, що захищається. Між мембранами утворюється площина, яка з’єднується з площиною апарата через дросель 19, що розташований у каналі.

При повільному підвищенні тиску, в площині і в апараті він однаковий. Тому додаткова мембрана у повністю розвантажена, і на основну мембрану від неї не передається ніяких додаткових зусиль. При її руйнуванні додаткова мембрана зразу виявляється навантаженою тиском у апараті, а оскільки її міцність менша, то вона також руйнується.

Тип і конструкція мембранного запобіжного пристрою у кожному окремому випадку повинні вибиратися з урахуванням конкретних умов роботи технологічного обладнання, а також вимог, які пред’являються до його вибухозахисту.

Розрахунок запобіжної мембрани. Розрахунок вибухових мембран виходить з допустимого тиску середовища в апараті та достатньої пропускної здатності запобіжного пристрою. Основними розрахунковими параметрами запобіжних мембран є площа перехідного перерізу скидного отвору апарата та товщина мембрани.

Нижче приводиться методика розрахунку запобіжної мембрани розривного типу для захисту апарата від руйнування під час вибуху горючої суміші.

1. Спираючись на дані технологічного регламенту, визначають склад горючої суміші, що знаходиться в апараті, який необхідно захистити. За відсутності даних вважають, що в апараті утворюється горюча суміш стехіометричного складу.

2. Визначають молекулярну масу компонентів горючої суміші та молекулярну масу М. За концентрації горючої речовини у вихідній суміші не менше 5% об’єму можна прийняти М=28,96 кг/моль (молекулярна маса повітря).

3. Знаходять нормальну швидкість поширення полум’я (за довідковими даними).

4. Приймають максимально допустимий тиск у апараті, при якому повинна спрацювати (зруйнуватися) мембрана за таблицею 9.1.

5. Далі необхідно визначити максимальну поверхню фронту полум’я

- для апарата циліндричної форми:

при (9.1)

при > (9.2)

де - діаметр апарата, ;

- висота апарата, ;

- для апарата прямокутної форми:

при , (9.3)

де - розміри сторін апарата, ;

- коефіцієнт скривлення фронту полум’я; - для апаратів з вільним простором та спокійним станом середовища; - для інших апаратів або за наявності в них лопаток, ребер та інших аналогічних пристроїв; - для апаратів із штучною інтенсивною турбулізацією середовища за допомогою вмонтованих вентиляторів або тангенційного уведення газу.

Таблиця 9.1 Максимально допустимий тиск спрацьовування мембран

Робочий (надлишковий) тиск ,

Тиск спрацьовування

,

Де - вільний об’єм апарата, ;

- атмосферний тиск.

6. Визначають максимальний тиск вибуху горючої суміші заданого складу і ступінь підвищення тиску під час вибуху у замкненому об’ємі:

, (9.4)

де

7. Визначають максимальні витрати газу через скидний отвір під час вибуху середовища в апараті:

, (9.5)

де - показник адіабати

8. Визначають відносний перепад тиску на скидному отворі та режим виходу газу через нього після руйнування мембрани під час вибуху середовища в апараті:

, (9.6)

де - максимальний тиск у скидному трубопроводі, . При виході продуктів вибуху в атмосферу ; при виході продуктів вибуху у закриту систему враховують вплив опору трубопроводу за визначеною методикою;

при > приймають докритичний режим виходу суміші із апарата через скидний отвір, а при - критичний режим витікання.

9. Розраховують площу скидних отворів :

-для докритичного режиму виходу

; (9.7)

-для критичного режиму виходу

, (9.8)

де - коефіцієнт витрати, для отворів круглої форми дорівнює ;

- універсальна газова стала;

- робоча температура середовища в апараті до вибуху,оС.

10. Визначають діаметр скидних отворів, ,:

, (9.9)

де - число однотипних мембранних пристроїв на апараті.

Знайдений діаметр скидного отвору округляють до найбільшого значення умовного проходу мембранного пристрою.

Стандартний ряд умовних проходів мембранних пристроїв становить: 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500 мм. Коли діаметр скидного отвору більше 500 мм, необхідно встановлювати на апараті два та більше мембранних пристрої.

11. Далі вибирають тип мембрани, за робочою температурою вибирають матеріал мембрани і знаходять його механічні властивості:

- межу стійкості , ;

- відносне подовження ;

- показник повзучості .

12. В залежності від матеріалу мембрани, знаходять температурний коефіцієнт (довідникові дані).

13. Визначають товщину розривної мембрани

∆= (9.10)

Знайдену товщину мембрани округляють до найближчого меншого значення товщини металопрокату (фольги), що випускається.

Стандартний ряд товщини металопрокату (фольги) ∆ф:0,005-0,012 (шаг 0,001); 0,014-0,02 (шаг 0,002); 0,025-0,1 (шаг 0,005); 0,11-0,25 (шаг 0,01); 0,3-1,0 (шаг 0,05); 1,1-2,0 (шаг 0,1) мм.

14. Визначають строк служби розривної мембрани, кількість років:

, (9.11)

де - швидкість корозії металу мембрани у робочому середовищі, ;

- гранично допустима температура,оС.
« ГЛАВА 9. ЗАХИСТ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ ВІД РУЙНУВАННЯ ПІД ЧАС ВИБУХУ9.2 Вибухові клапани »

© 2004 Академя гражданской защиты Украины