Сосуды, работающие под давлением, паровые и водогрейные котлы, трубопроводы пара и горячей воды, технологические трубопроводы эксплуатируются многими организациями и индивидуальными предпринимателями. Они являются объектами повышенной опасности, разрушение которых в процессе эксплуатации может привести к большим материальным потерям и другим тяжелым последствиям. К рассматриваемым установкам, сосудам и системам относят также трубопроводы сжатого воздуха, цистерны, бочки, баллоны, компрессорные установки, установки газоснабжения.
При проектировании, реконструкции, монтаже, наладке, эксплуатации и ремонте таких объектов необходимо выполнять требования следующих основных нормативных документов:
· правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-576-03);
· правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов (ПБ 10-574-03);
· правил устройства и безопасной эксплуатации электрических котлов и электрокотельных (ПБ 10-575-03);
· правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды (ПБ 10-573-03);
· правил устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов (ПБ 03-585-03) и др.
Сосудами, работающими под давлением, называются герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения в них химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением. На пищевых предприятиях к ним относятся паровые и водогрейные котлы, автоклавы, теплообменники, выпарные и холодильные установки, компрессоры, ресиверы и др. Основная опасность при эксплуатации таких сосудов заключается в возможном их разрушении и проявлении действия силы внезапного адиабатического расширения газов и паров (физический взрыв). Производимая при этом работа (А, Дж) может быть определена по формуле
, (8)
где Р1, Р2 – абсолютное давление соответственно в сосуде и окружающей среде;
V – объем сосуда, м3;
К – показатель адиабаты (для воздуха К = 1,41).
Мощность взрыва N определяется по формуле N = А/τ, где τ – время действия взрыва. Например, при вместимости сосуда 1 м3, находящегося под давлением газа 1 МПа, мощность взрыва составит 13,2 МВт, а водяного пара – около 200 МВт. Взрыв такой мощности сопровождается не только разрушением зданий, но и травматизмом с тяжелым и смертельным исходом.
Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как образующиеся при этом осколки резервуаров большой массы способны разлетаться на значительные расстояния, а при падении на здания, технологическое оборудование и емкости могут вызывать разрушения, новые очаги пожаров, гибель людей.
Все работающие под давлением оборудование разделяется на два основных класса – подлежащее и не подлежащее регистрации в органах Ростехнадзора (РТН). Для первого класса действующие правила ПБ 03-576-03, ПБ 10-573-03, ПБ 10-574-03, ПБ 10-575-03 регламентируют проектирование, изготовление, эксплуатацию, реконструкцию, наладку, монтаж, ремонт, техническое диагностирование и эксплуатацию сосудов, цистерн, баллонов, бочек, барокамер, паровых и водогрейных котлов, автономных пароперегревателей и экономайзеров, электрических котлов, трубопроводов пара и горячей воды, работающих под давлением, превышающим 0,07 МПа, горячую воду с температурой свыше 115 °С, или работающие при температуре нагрева воды с температурой свыше 115 °С.
В зависимости от давления, температуры стенки и характера среды все сосуды подразделяются на 4 группы (табл. 7).
Таблица 7
Группы сосудов
| Группа сосудов | Расчетное давление, МПа | Температура стенки, °С | Рабочая среда |
| Свыше 0,07 | Независимо | Взрывоопасная или пожароопасная, или 1, 2 классов опасности по ГОСТ 12.1.007 | |
| До 2,5 | Ниже -70, свыше 400 | Любая, за исключением указанной для 1-й группы сосудов | |
| Свыше 2,5 до 4 | Ниже -70. свыше 200 | ||
| Свыше 4 до 5 | Ниже -40, свыше 200 | ||
| Свыше 5 | Независимо | ||
| До 1.6 | От -70 до -20 От 200 до 400 | ||
| Свыше 1,6 до 2,5 до 5 | От -70 до 400 | ||
| Свыше 2,5 до 4 | От -70 до 200 | ||
| Свыше 4 до 5 | От -40 до 200 | ||
| До 1,6 | От -20 до 200 |
Теплотехнические установки, производящие пар давлением более 0,07 МПа или температурой воды выше 115 °С, которые используются как для отопления, так и в качестве рабочего тела в паросиловых двигательных установках, турбоагрегатах электростанций и передвижных теплосиловых комплексах классифицируются на следующие:
паровые котлы, в том числе котлы-бойлеры, а также автономные пароперегреватели и экономайзеры;
водогрейные и пароводогрейные котлы;
энерготехнологические котлы (паровые и водогрейные);
котлы-утилизаторы (паровые и водогрейные);
котлы передвижных и транспортабельных установок и энергопоездов;
котлы паровые и жидкостные, работающие с высокотемпературными органическими теплоносителями.
Трубопроводы, на которые распространяются ПБ 10-573-03, делятся на 4 категории (табл. 8).
При значениях параметров среды в разных категориях трубопровод должен быть отнесен к категории, соответствующей максимальному значению параметров среды.
Категория трубопровода, определенная по рабочим параметрам среды на входе в него при отсутствии на нем устройств, изменяющих эти параметры, относится ко всему трубопроводу, независимо от его протяженности.
Таблица 8
Категории и группы трубопроводов
| Категория трубопроводов | Группа | Рабочие параметры среды | |
| температура, °С | Давление, МПа (кгс/см2) | ||
| Ι | Свыше 560 | Не ограничено | |
| Свыше 520 до 560 | То же | ||
| Свыше 450 до 520 | То же | ||
| До 450 | Более 8,0 (80) | ||
| II | Свыше 350 до 450 | До 8,0 (80) | |
| До 350 | Более 4,0 (40) до 8,0 (80) | ||
| ΙII | Свыше 250 до 350 | До 4,0 (40) | |
| До 250 | Более 1,6 (16) до 4,0 (40) | ||
| ΙV | Свыше 115 до 250 | Более 0,07 (0,7) до 1,6 (16) |
Согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов» ПБ 03-585-03, все технологические трубопроводы, работающие под давлением до 10 МПа, в зависимости от класса опасности передаваемой по ним среды подразделяются на три группы (А, Б, В), а в зависимости от давления и температуры – на пять категорий (Ι–V).
К группе А относятся трубопроводы, по которым транспортируют вещества с токсичным действием 1-го, 2-го и 3-го классов опасности; к группе Б – трубопроводы, транспортирующие горючие вещества, в том числе сжиженные газы, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости; к группе В – транспортирующие трудногорючие и негорючие вещества.
Безопасность работы сосудов под давлением достигается правильным расчетом на статические и динамические нагрузки, применением доброкачественных материалов для их изготовления, правильной обработкой материалов, конструктивным оформлением сосудов, а также созданием нормальных условий эксплуатации. Методика расчета на прочность сосудов сводится к определению толщины стенок цилиндрической части сосуда и днищ.
Анализ статистических данных о взрывах паровых котлов, воздухосборников, компрессорных установок, автоклавов и баллонов показывает, что большая их часть произошла из-за превышения допускаемых расчетных давлений. Допускаемым считается напряжение ниже предела упругости или пропорциональности для конструкций, работающих в области упругих деформаций, либо ниже предела текучести, когда деформации конструкций могут достигать пластической зоны на ее границе с упругой.
Особое значение для паровых котлов и других сосудов, работающих под давлением и воздействием высокой температуры, имеет ползучесть, т.е. свойство материала медленно и непрерывно пластически деформироваться во всех направлениях при постоянном напряжении. Деформацию ползучести определяют в процентах, а скорость деформации – в единицах длины и времени, например мм/ч. Для элементов конструкции парового котла допускается скорость ползучести Vп = 10-5 % в 1 ч, что соответствует удлинению на 1 % за 100 000 ч.
Правилами регламентируются также требования к контрольно-измерительной аппаратуре, предохранительным устройствам, арматуре. Для изготовления установок и их элементов применяют только те материалы и заготовки, которые удовлетворяют требованиям, предусмотренным нормами и правилами. В процессе изготовления контролируют качество сварных швов неразрушающими методами (ультразвук, рентгено- и гаммадефектоскопия), а также качество металла, толщину стенок, отсутствие дефектов, для чего проводят механические испытания и металлографические исследования и т.п.
Проекты сосудов, а также проекты их монтажа выполняются организациями, имеющими разрешение (лицензию) органа Ростехнадзора на проведение соответствующих работ. Руководители и специалисты, занятые проектированием, изготовлением, реконструкцией, монтажом, наладкой, ремонтом, диагностикой и эксплуатацией сосудов, должны быть аттестованы на знание правил устройства и безопасной эксплуатации в соответствии с Положением о порядке подготовки и аттестации работников организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов, подконтрольных Ростехнадзору.
При проектировании сосудов, используемых в химических отраслях промышленности, должны учитываться требования Общих правил промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов, утвержденных Постановлением Госгортехнадзора России от 18.10.2002 г. № 61-А и зарегистрированных Минюстом России 28.11.2002 г., рег. № 3968. Отступление от правил может быть допущено лишь в исключительном случае по решению РТН.
Соответствие сосуда требованиям правил должно быть подтверждено изготовителем (поставщиком) сертификатом соответствия, выданным сертификационным центром в порядке, установленном Госстандартом России. Копия сертификата соответствия должна прилагаться к паспорту сосуда.
Каждый сосуд должен поставляться изготовителем с паспортом установленной формы, к которому должна быть приложена инструкция по монтажу и эксплуатации. Паспорт сосуда должен составляться на русском языке. На каждом сосуде должна быть табличка в соответствии с ГОСТ 12.971. Для сосудов, имеющих наружный диаметр меньше 325 мм, допускается табличку не устанавливать. При этом все необходимые данные должны быть помещены на корпус сосуда электрографическим методом.
На табличке должны быть нанесены: товарный знак или наименование изготовителя; наименование или обозначение сосуда; порядковый номер сосуда по системе нумерации изготовителя; год изготовления; рабочее давление, МПа; расчетное давление, МПа; пробное давление, МПа;. температура стенки, допустимая максимальная и (или) минимальная рабочая; масса сосуда, кг.
Для изготовления, монтажа и ремонта трубопроводов и их деталей, работающих под давлением, должны использоваться материалы и полуфабрикаты, допущенные к применению Ростехнадзором.
На трубопроводы владельцем трубопровода должен быть составлен паспорт, в котором указывается назначение трубопровода, рабочая среда, рабочие параметры среды (давление и температура), расчетный срок службы (лет), расчетный ресурс (ч) и расчетное число пусков. Расчетный срок службы устанавливается для всех категорий трубопроводов, а расчетный ресурс для трубопроводов Ι и ΙΙ категорий.