Основные причины аварий при эксплуатации сосудов, работающих под
давлением:
1. Нарушение нормального режима эксплуатации и отсутствие или
неисправность предохранительных устройств сосудов с быстросъемными
крышками.
2. Дефекты при изготовлении, монтаже и ремонте сосудов.
3. Значительное превышение давления из-за неисправности
предохранительных клапанов, отсутствия регулирующих устройств, нарушения
технологического процесса или воспламенения паров масла в
воздухосборниках.
4. Износ стенок сосудов.
Аварии сосудов с быстросъемными крышками
Согласно Правилам устройства и безопасности эксплуатации сосудов,
работающих под давлением, все сосуды с быстросъемными крышками должны
иметь предохранительные устройства, не дающие
возможности включения сосуда под давление при
неполном закрытии крышки и открывания крышки при наличии в сосуде
давления.
При отсутствии или неисправности таких устройств ошибки, допускаемые
обслуживающим персоналом при выполнении операций по подготовке сосудов к
включению в работу (неполное закрытие крышек) или к выгрузке из сосуда
изделий (преждевременное открывание крышки при наличии давления в
сосуде), могут привести к авариям.
Более опасными по сравнению с другими сосудами с быстросъемными крышками
являются автоклавы, используемые в промышленности строительных
материалов для термовлажностной обработки силикатного кирпича.
Характерными особенностями этих автоклавов являются относительно большая
вместимость (до 200 м3 и более), работа при давлении 8—12 кгс/см2 при
переменных температурах, циклически изменяющихся нагрузках и
коррозионном воздействии среды на металл.
Помимо аварий, связанных с отрывом крышек, разрушение автоклавов
возможно в результате тепловой усталости и коррозионных повреждений
металла. В процессе эксплуатации в нижней части автоклава скапливается
определенное количество силикатной массы, которая омывается конденсатом
пара, в результате чего образуется щелочная среда. Химический анализ,
проведенный на ряде действующих автоклавов, подтвердил щелочной характер
конденсата.
По условиям работы корпус автоклава, представляющий собой цилиндрическую
тонкостенную оболочку, находится под действием циклических напряжений, в
том числе мембранных — от внутреннего давления, локальных—от весовых
нагрузок и температурных — главным образом из-за переменной
неравномерности температур между верхом и низом автоклава.
Все эти напряжения действуют при повышенной температуре (170—200°С),
которая тоже изменяется циклически. На отдельных участках происходит
концентрация напряжений. Например, по кон-туру приварки опорной подушки,
в зоне перехода от цилиндрической обечайки к фланцу, в местах
расположения коррозионных каверн, дефектов в сварном соединении
(подрезы, смещение кромок, непро-вары). Увеличение напряжения в металле
может быть вызвано защемлением опор, рельсов в их опорах, овальностью
корпуса и др. Тензометрированием установлено, что в отдельных местах
оболочки суммарные напряжения могут достигать предела текучести и даже
превышать его. Таким образом при определенных условиях возможно
постепенное развитие коррозионно-усталостных трещин, а также щелочной
хрупкости металла.
Обычно коррозионные каверны обнаруживаются после 4—5 лет эксплуатации
автоклава. Места преимущественного появления каверн — нижние участки
кольцевых швов и околошовных зон и участки внутренней поверхности
корпуса по контуру опорных подушек, Глубина каверн различна. После
длительного срока эксплуатации она достигает 7—8 мм.
При условии одновременного воздействия циклически изменяющихся
переменных напряжений и коррозионной среды усталостные явления могут
проявляться при напряжениях более низких, чем при условиях, когда
отсутствует коррозионное воздействие среды на металл.
Для предупреждения аварий при эксплуатации автоклавов с быстросъемными
крышками на заводах-изготовителях автоклавов введён 100%-ный контроль
сварных соединений неразрушающими методами дефектоскопии. Предусмотрен
также периодический контроль (не реже одного раза в четыре года) сварных
соединений автоклавов, находящихся в эксплуатации, методами цветной или
магнитопорошковой дефектоскопии. Осуществлены мероприятия по
совершенствованию технологии изготовления автоклавов и улучшению
конструкции предохранительных устройств.
На предприятиях проведена большая работа по оснащению находящихся в
эксплуатации автоклавов устройствами для непрерывного отвода конденсата,
индикаторами (реперами) для наблюдения за их тепловыми перемещениями и
устройствами для контроля ско* рости разогрева стенок автоклавов.
Институтом ВНИИСТРОММАШ рекомендованы допустимые скорости повышения и
снижения температуры стенки автоклавов при их пуске и останове;
а) для автоклавов диаметром до 2 м — 2° С/мин при давлении до 2 кгс/см2
и 1,5° С/мин при давлении выше 2 кгс/см2;
6) для автоклавов диаметром до 2,6 м— 1,2° С/мин при давлении до 2
кгс/см2 и 0,8° С/мин при давлении выше 2 кгс/см2;
в) для автоклавов диаметром до 3,6 м независимо от давления — 1° С/мин.
Институтом ВНИИСТРОММАШ рассмотрен также вопрос о возможности дальнейшей
эксплуатации автоклавов, у которых обнаружена сверхнормативная
овальность. По заключению института такие автоклавы с расчетным
давлением 12 кгс/см2 могут быть допущены к эксплуатации при условии
снижения давления, компенсирующего дополнительные напряжения оболочки,
вызванные повышенной овальностью.
Эти указания о необходимом снижении давления
относятся к автоклавам строительной индустрии, изготовленным
отечественными заводами, с корпусами из Ст.Зсп или котельных сталей при
отношении толщины стенки к диаметру s/M = 0,0074-0,01.
Автоклавы, имеющие овальность более 3% до исправления их формы, к
эксплуатации не допускаются.
Согласно заключениям научно-исследовательских организаций ресурс работы
автоклавов с быстросъемными крышками составляет 9000 циклов нагружений.
В связи с этим Минстройматериалы СССР и Минстройдормаш СССР по
согласованию с Госгортехнадзором СССР утвердили и ввели в действие 7. II.
1974 г. «Временное положение о порядке обследования автоклавов,
отработавших 9000 циклов нагружений, и установления условий дальнейшей
их эксплуатации».
Указанным Положением предусматривается создание специальной комиссии для
проведения технического обследования автоклавов, отработавших 9000
циклов и более.
Техническое обследование автоклава включает:
а) внешний осмотр;
б) контроль овальности обечайки и байонетного затвора;
в) комплексное дефектоскопическое обследование;
г) гидравлическое испытание.
В Положении приведены объем и методика обследования и порядок оформления
разрешения на дальнейшую эксплуатацию автоклава при удовлетворительных
результатах обследования.
В результате осуществления перечисленных мер, а
также усиления контроля за безопасной эксплуатацией автоклавов со
стороны хозяйственных организаций и органов Госгортехнадзора СССР,
достигнуто значительное сокращение числа аварий. Однако полностью аварии
еще не исключены.
Ниже приведены описания некоторых аварий, которые произошли при
эксплуатации автоклавов.
1. На заводе стеновых материалов авария автоклава с байонетным затвором
произошла из-за небрежности, допущенной при закрывании крышки. В
автоклаве, имеющем внутренний диаметр 2000 мм, длину 17 200 мм,
вместимость 54 см3 и работающем под давлением 8 кгс/см2, проводилась
пропарка силикатного кирпича.
После выгрузки кирпича из автоклава при закрывании задней крышки рабочие
не полностью повернули ее, вследствие чего зубья крышки лишь частично
вошли в зацепление с зубьями корпуса. Загружала автоклав другая бригада
рабочих. Перед включением аппарата они закрыли переднюю крышку, не
проверив надежность соединения задней крышки с корпусом. Через некоторое
время, когда давление в автоклаве повысилось до 4 кгс/см2, задняя крышка
оторвалась, при этом корпус автоклава был сорван с фундамента и отброшен
на 20 м. В результате аварии разрушены две стены здания, обе крышки
автоклава деформированы, повреждены трубопроводы,
Как показало расследование, администрация завода недостаточно
контролировала работу обслуживающего персонала, производственная
дисциплина в цехе была ослаблена, обязанности между работниками цеха не
были четко распределены, в частности не было ответственного за
правильность выполнения таких операций, как включение автоклава.
Администрация не заботилась о создании безопасных условий труда в цехе.
Механизмы поворота крышек длительное время (шли не исправлены, поэтому
рабочие ломиками поворачивали тяжелые крышки.
2. На заводе сборного железобетона авария произошла из-за того, что
открыли крышку автоклава при наличии в нем давления.
В цехе завода установлено три горизонтальных цилиндрических автоклава с
байонетными затворами вместимостью 104 м3 каждый и рабочим давлением 12
кгс/см2. Передняя открывающаяся крышка автоклава соединяется с корпусом
при помощи поворотного байонетного кольца (при повороте его зубья входят
в зацепление с зубьями крышки). Подъем и опускание крышки и поворот
байонетного кольца осуществляют механизмами с гидравлическим приводом.
Загружаемые в автоклавы изделия подвергают термической обработке паром
под давлением до 8 кгс/см2.
Аппаратчик, руководствуясь показаниями манометра, сообщил начальнику
цеха, что давление в автоклаве снижено до нуля и можно приступать к
разгрузке. Получив разрешение начальника, он включил механизм поворота
байонетного кольца. Через несколько секунд раздался сильный хлопок,
крышка открылась, и бетонные изделия силой пара были выброшены из
автоклава. В результате аварии повреждено оборудование цеха. При
расследовании выяснилось, что автоклав начали разгружать, когда в нем
было остаточное давление.
Авария явилась следствием грубейших нарушений Правил безопасности,
допущенных администрацией завода при эксплуатации автоклавов. Из двух
манометров, установленных на автоклаве, один был отключен, а второй —
давал неверные показания. На аппарате
отсутствовала контрольная трубка с вентилем для
проверки наличия в нем давления (по указанию администрации за несколько
месяцев до аварии она была снята и отверстие заглушено). Часть
трубопровода для выпуска пара, находившаяся вне здания, оказалась
забитой льдом. В цехе отсутствовала производственная инструкция, к
обслуживанию автоклавов допускались необученные рабочие.
Следует отметить, что в обоих случаях не были выполнены тре-Оования
Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением об обязательном оснащении автоклавов с байонетными затворами
предохранительными устройствами, исключающими пуск пара в аппарат при
неполном закрывании крышки и открывание ее при оставшемся давлении.
3. На деревообделочном комбинате авария с автоклавом произошла из-за
дефектов предохранительного блокировочного устройства. Администрация
этого комбината для ускорения технологического процесса пропарки
древесины установила на автоклаве реле давления, позволяющее открывать
крышку автоклава при давлении до
0,5 кгс/см2, полагая, что при столь «небольшом давлении» возможность
аварии исключается. Однако открытие крышки при этом давлении привело к
ее отрыву от корпуса автоклава.
4. Аналогичная авария автоклава произошла на комбинате силикатных
изделий. В день аварии закрепщики приступили к выгрузке кирпича из
автоклава, не проверив предварительно наличие давления в автоклаве с
помощью контрольного крана. Так как открытие крышки потребовало больших
усилий, закрепщики использовали в качестве рычага отрезок трубы. В
момент, когда крышка частично вышла из зацепления, ее резко отбросило и
один из рабочих получил ожог.
Предохранительное блокировочное устройство не сработало из-за
неисправности реле давления. Механик паросилового цеха, ответственный за
безопасную эксплуатацию автоклавов, не обеспечил периодическую проверку
блокировки и арматуры и допускал работу автоклава с грубыми нарушениями
правил безопасности.
5. В феврале 1971 г. на комбинате строительных материалов и конструкций
при техническом освидетельствовании трех автоклавов, используемых для
пропарки силикатного кирпича, были обнаружены трещины в околошовной зоне
кольцевых швов. Трещины расположены на внутренней поверхности нижней
части корпуса автоклава в местах обычного скопления конденсата.
Аналогичные повреждения обнаружены на автоклавах другого предприятия. По
заключению МВТУ им. Баумана образование трещин явилось следствием
воздействия на металл щелочной среды (конденсата) и повышенных
напряжений в металле, близких к пределу текучести, обусловленных
условиями работы автоклава. Своевременное выявление повреждений в
автоклавах позволило предупредить возможную аварию.
6. В сентябре 1975 г. на мясокомбинате в отделении технических
фабрикатов мясожирового цеха произошла авария с вакуумным горизонтальным
котлом вместимостью 4,6 м3, изготовленным в 1961 г. Внутри корпуса
котла, обогреваемого паровой рубашкой, установлена лопастная мешалка. Во
время работы котла давление в обогреваемой и обогревающей частях
составляет 4 кгс/см2.
Сырье (производственные отходы) загружают через верхний загрузочный люк,
оборудованный быстросъемной крышкой с бугель-ным затвором, управляемым
вручную. Готовую продукцию (корма и вытопки жира) выгружают через нижний
люк, оборудованный
крышкой с механическим приводом и дистанционным
управлением с пульта, а также сигнализацией и электроблокировкой,
исключающей возможность открытия крышки при наличии давления в корпусе
котла.
Все котлы установлены на втором этаже отделения технических фабрикатов,
а их загрузочные горловины расположены на уровне пола третьего этажа.
Обслуживание котлов производится бригадой в составе 4-х человек: двух
аппаратчиков, загрузчика и приемщика.
Во время работы котла разрушилась нижняя часть бронзовой втулки (гайки)
зажимного винта бугеля крышки загрузочного люка, крышка частично
открывалась, и горячей массой, выброшенной из котла, была травмирована
аппаратчица.
Расследованием установлено, что втулка была изготовлена из бронзового
литья, имевшего внутренние дефекты. На поверхности излома обнаружены
отдельные раковины, поры и трещины. Большая часть поверхности излома
значительно окислена, темного цвета. Все это свидетельствует о том, что
излом произошел по трещине, образовавшейся давно и развивавшейся
постепенно, в процессе эксплуатации котла.
Расчет показал, что в наиболее нагруженном сечении бугеля в месте
запрессовки резьбовой втулки напряжение изгиба достигало при нормальной
работе котла 1710 кгс/см2, это более чем в 1,5 раза превышало
допустимое, что и привело к искажению формы гнезда запрессовки втулки.
Напряжение в сечении втулки также превышало допустимое. На поверхности
втулки обнаружено большое чис-ло трещин, расположенных как параллельно
образующей, так и перпендикулярно к ней.
Документов, подтверждающих качество материала, из которого изготовлена
втулка, не было. В паспорте отсутствовал расчет на прочность бугельного
затвора крышки.
Планом было предусмотрено проведение капитального ремонта котла в апреле
1975 г. Фактически в это время был проведен лишь текущий ремонт котла.
Периодические осмотры котла, предусмотренные производственной
инструкцией, проводили на заводе поверхностно, без тщательного осмотра
отдельных элементов котла.
7. Аварии были также при эксплуатации автоклавов с болтовыми
соединениями крышек. На комбинате строительных материалов в июне 1976 г.
оторвалась крышка у автоклава вместимостью 57 м3. Крышка была отброшена
на 26 м, а корпус автоклава под действием реактивной силы был сорван с
фундамента и отлетел на 62 м. Автоклав изготовлен в 1952 г. и установлен
в цехе силикатного кирпича завода в 1959 г.
Расследованием установлено, что крышка была закреплена 36-ю болтами
вместо 48, так как 12 болтов были в неисправном состоянии (сорвана
резьба, болты изогнуты и др.). Из-за неудовлетворительной работы
дренажных устройств в автоклаве скоплялось большое количество
конденсата. Непосредственно перед аварией пробило уплотнительную
прокладку и давление в автоклаве снизилось, что могло привести к
мгновенному вскипанию конденсата и резкому повышению давления.
По заключению комиссии эти два нарушения (неполное закрепление крышки и
неисправность устройства для удаления конденсата) явились причинами
отрыва крышки. Только благодаря счастливому стечению обстоятельств при
этой аварии никто не пострадал.
8. На заводе резиновых изделий оторвалась крышка горизон-
тельного вулканизационного котла вместимостью 4,5
м3 с внутренним диаметром 1600 мм, работавшего под давлением 4 кгс/см2.
Крышка была отброшена на 6 м. Расследованием установлено, что крышка
была закреплена 12-ю болтами вместо 26.
При эксплуатации вулканизационного котла допускались грубые нарушения
правил безопасности. Арматура была не исправна, отсутствовала инструкция
по безопасному обслуживание котла, аппаратчик не был Обучен и до аварии
работал всего четыре Дня.