Конструирование безопасного оборудования

Чтобы узнавать последние новости, подпишись на нашу группу в VK

ПОДЕЛИСЬ ССЫЛКОЙ С ДРУЗЬЯМИ!



Конструирование и проектирование безопасного оборудования для химических и нефтехимических производств, равно как и для энергетичеких производств и другой ответственной техники, осуществляются государственными отраслевыми проектными организациями (институтами, компаниями, фирмами и т. п.). Среди проектных и научно-исследовательских институтов отрасли один назначается (является) головным по разработке отдельных технологических процессов или отдельного оборудования. Современные заводы - весьма сложные и дорогостоящие комплексы разнообразных производств и обслуживающих их объектов.

В проектировании нового завода, а также в расширении и реконструкции действующего завода всегда участвуют несколько государственных проектных институтов. Один из них назначается генеральным проектировщиком завода, а остальные являются субподрядчиками, которые только по заданиям генерального проектировщика выполняют проекты отдельных объектов завода или разрабатывают отдельные части проекта. Генеральный проектировщик и субподрядные проектные институты в лице своих руководителей и непосредственных исполнителей несут ответственность административную и уголовную за проектные ошибки, за некачественное, нестандартное исполнение проектной документации, повлекшие аварии, жертвы и материальный ущерб во время эксплуатации промышленных производств. При поставках (продаже) продукции, оборудования или комплектных технологических установок на экспорт требуется международная сертификация не только продукции, но и проектной организации и предприятия-изготовителя в целях доказательства партнеру-покупателю соответствия продукции международным требованиям на качество продукции, патентную чистоту разработки и другим требованиям международных стандартов (МС) и, в частности, ИСО серии 9000.

В основе разработки новой техники, ее изговления, эксплуатации и ремонта лежит стандартизация и ее разновидности - унификация и типизация. Стандартизация устанавливает комплекс норм, правил и требований к объекту стандартизации. Объектами стандартизации являются продукция, нормы, правила, требования, методы расчета, термины обозначения и т. п., имеющие многократное применение в науке, технике, промышленности, строительстве, на транспорте и в других сферах жизнедеятельности общества, а также в международной торговле. Показатели, нормы, характеристики, требования, устанавливаемые стандартами, должны соответствовать передовому отечественному и мировому уровню науки, техники, производства и учитывать рекомендации международной организации по стандартизации ИСО (ISO).

Унификация призвана сокращать разнообразие элементов без сокращения многообразия вновь создаваемых систем. При унификации уменьшают число изготавливаемых типоразмеров изделий одинакового функционального назначения, сокращают разнообразие размеров (диаметры отверстий, размеры резьб и др.), сужают перечень используемых марок материалов в изделии, разновидностей проката и др. Типизация предполагает разработку типовых решений, конструкций, проектов, процессов и т. п. и их многократное использование, например типовой проект технологической установки, агрегата, машины, оборудования и др.

В 1925 г. в СССР были введены общесоюзные стандарты (ОСТ). ГОСТ - государственный стандарт для всей территории страны и всех отраслей. Первый ГОСТ введен в 1968 г. К началу 1985 г. в СССР действовало уже более 26 ООО ГОСТов. История международной стандартизации начинается с учреждения в 1906 г. Международной электротехнической комиссии (МЭК), Россия вступила в МЭК в 1914 г., а СССР -в 1921 г. МЭК охватывает электротехническую и радиоэлектронную отрасли промышленности и частично приборостроение, а ИСО (ISO) - все прочие области, в частности машиностроение. ИСО была создана в 1947 г., до нее была аналогичная международная ассоциация по стандартизации (ИСА) с 1926 г. до 1941 г. СССР вошел в ИСО с начала ее работы. Сейчас ИСО объединяет более 100 стран, которые производят более 90 % мировой промышленной продукции. В Уставе ИСО записано: «Целью организации является содействие развитию стандартизации в мировом масштабе для облегчения международного товарообмена и взаимопомощи, а также для расширения сотрудничества в области интеллектуальной, технической и экономической деятельности». ГОСТы всегда использовали терминологию и рекомендации ИСО.

В комплекс нормативно-технических документов (НТД) входят стандарты государственные (ГОСТ), стандарты отраслевые (ОСТ), технические условия (ТУ) на отраслевые требования к конкретным типам, маркам, артикулам продукции, а также стандарты предприятий (СТП). Комплекс государственных стандартов по единым правилам и положениям о порядке выполнения, оформления и обращения конструкторской документации объединен в Единую систему конструкторской документации. Действуют Единая система технологической документации, Единая система технологической подготовки производства и ряд других государственных систем стандартов. В комплекс НТД входят также руководящие документы (РД), утверждаемые обычно Госстандартом страны. К РД относятся методические указания, правила, инструкции и др. Все НТД утверждаются на срок не более 5 лет. Первая тенденция развития нормативного обеспечения состоит в усилении роли НТД предприятия, обеспечивающей адаптацию НТД на продукцию к специфике современного рынка и возможностям предприятий. Требования ГОСТов становятся нижним допустимым уровнем требований к качеству и надежности, вносимых в НТД предприятий. Вторая тенденция связана с использованием зарубежного опыта и нового подхода к контролю и обеспечению качества, который в наибольшей степени отражен в международных стандартах МС ИСО серии 9000 - Система менеджмента качества (Quality Management Systems), версии 1987, 1994, 2000, 2005, 2008, 2011 гг.

Сущность этого подхода состоит в том, что поставщик (продавец) гарантирует высокое качество продукции не только за счет ее испытаний и контроля, но и демонстрацией потребителю (покупателю) всей организации работ по управлению и обеспечению качества. Система МС ИСО серии 9000 включает следующие базовые стандарты: ИСО 9000 (основные принципы и словарь) - своего рода справочник по назначению и области применения этих стандартов, ИСО 9001 - требования к проектированию и поставке продукции, ИСО 9002 - требования к контролю технологических процессов, ИСО 9003 - требования к выявлению любых несоответствий продукции при контроле продукции и ее испытаниях, ИСО 9004 - руководящие указания по улучшению качества. Основные области применения систем качества по МС ИСО серии 9000 следующие: в контрактных ситуациях - для оценки способности предприятия-поставщика обеспечить качество продукции в соответствии с требованиями контракта; на совместных предприятиях (СП) - для обеспечения единства взглядов сторон на все виды работ по качеству; на предприятиях, планирующих экспортные поставки, - для оценки готовности к таким поставкам; при международной сертификации - как непременное условие выдачи сертификата на соответствие продукции международным требованиям.

Качество продукции - это комплекс показателей, характеризующих важнейшие технико-экономические характеристики продукции (масса, размеры, свойства, мощность, производительность, безотказность, долговечность, ре-монтнопригодность, сохраняемость, срок службы, безопасность, надежность, контролепригодность, стоимость, патентная чистота, технический уровень продукции, металлоемкость, расход энергии, экологичность и др.). Зарубежный опыт показывает, что для обеспечения высокого качества и надежности продукции недостаточно только повышать эффективность методов и средств контроля качества. Оказывается, необходимо применять определенные методы еще на стадии разработки самого изделия, чтобы его высокое качество было заведомо обеспечено при изготовлении и эксплуатации, т. е. методы перехода на бездефектное изготовление изделия и надежную, безопасную и безотказную его эксплуатацию.

Также проводится экологическая сертификация промышленных предприятий и, следовательно, качества производства продукции на соответствие международным стандартам ИСО серии 14000 (1996, 2004, 2007 гг.). Эти стандарты требуют, в частности, создания и использования систем экологического менеджмента (Environmental Management Systems). Проблемам повышения энергоэффективности и энергосбережения предприятий посвящается международный стандарт ИСО 50001:2010, который требует создания и использования систем энергоменеджмента (Energy Management Systems). Основная задача этого стандарта - обеспечение постоянного поиска источников энергосбережения, энергодиагностика на действующих предприятиях и на ее основе обязательное, плановое внедрение технических и экономических средств дополнительной экономии энергии при производстве. Международная сертификация производства и его продукции - это не мода или прихоть международного сообщества, а практически единственная возможность производителей быть на мировом рынке любых товаров (продукции) и услуг.

С 1999 г. действует также международная сертификация по обеспечению охраны здоровья и безопасности персонала (Occupational Health and Safety Management Systems) - международный стандарт OHSAS 18001:2007. Межправительственное подразделение (программа) Организации Объединенных Наций по промышленному развитию (UNIDO) совместно с Экологической программой ООН (UNEP) начали в 1994 г. реализацию Программы чистого производства (Cleaner Production Concept) по внедрению более чистого производства, по развитию культуры промышленного менеджмента и выработки конкретных решений для устранения недостатков в экологической эффективности промышленных предприятий (Environmental Efficiency) в отличие от привычного термина экономической эффективности (Economic Efficiency).

Таким образом, качество и безопасность оборудования на стадии его конструирования и проектирования закладываются и гарантируются обязательным использованием действующих стандартов на конструкции оборудования и всех его элементов, на применяемые материалы для их изготовления, методы расчета всех элементов оборудования, технологию изготовления, хранение и транспортировку, монтажные и пусковые (наладочные) работы, эксплуатацию и техническое обслуживание и ремонтные работы. Стандарт -гарант качества и безопасности оборудования и предприятия в целом.

В настоящее время для ведения химико-технологических процессов применяют преимущественно стальные сварные аппараты и сосуды высокого давления (СВД), на проектирование, изготовление, освидетельствование (испытание) и эксплуатацию которых распространяются требования ряда стандартов и Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, Госгортехнадзора страны, в которых указываются для разных групп аппаратов по классам опасности рекомендуемые конструкционные материалы для изговления всех элементов аппарата и трубопроводов (обечайки, днища, крышки, решетки, трубы, фланцы, крепежные детали, сварочные материалы, прокладочные и набивочные материалы и др.).

Используются стандартные методы проектных и проверочных механических расчетов на прочность и устойчивость от внутреннего избыточного или наружного давлений и от внешних нагрузок (силы тяжести, ветровых, сейсмических и др.) всех элементов аппарата с целью определения геометрических размеров (диаметр, толщина стенки и т. п.) элементов аппарата. Прочностные расчеты выполняются с учетом упругих и пластических деформаций и при необходимости с проверкой усталостной прочности (циклической долговечности) при многократной статической нагрузке (при числе циклов нагружения до 1000, более 1000 и до 500 000 за весь срок эксплуатации аппарата). Длительность температурного воздействия (200-500 °С и выше) на металл сосудов высокого давления может достигать 100 000 ч и более. В ГОСТах приводятся требования по выбору расчетного давления, расчетной температуры, допускаемых напряжений разных сталей, коэффициентов запасов прочности материалов и сварных швов, прибавок на коррозию и эрозию и др. Прочностным расчетам предшествуют технологические расчеты материальных балансов (по всем компонентам смеси и по всем потокам) аппарата, а также расчеты тепловые и гидравлические. Технологические и механические расчеты взаимосвязаны, поэтому обычно приходится выполнять много вариантов этих расчетов, ответственные расчеты осуществляются только с применением совершенных программ на ЭВМ.

Для изготовления оборудования применяют углеродистые стали (ВСтЗ, сталь 20 и др.), низколегированные стали повышенной прочности (16ГС, 09Г2С, 10Г2 и др.), высоколегированные аустенитные стали: нержавеющие (08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т и др.), жаростойкие (12X17, 12Х18Н10Т и др.), жаропрочные (20X13, 20Х23Н18 и др.), а также стали двухслойные с плакирующим слоем толщиной 2-4 мм из высоколегированных сталей, где буквы Г, С, X, Н, М, Т обозначают соответственно легирующие элементы: марганец, кремний, хром, никель, молибден, титан, а цифра после буквы - содержание элемента в процентах; отсутствие цифры после элемента означает его содержание менее 1,5 %; первые две цифры до первой буквы указывают содержание углерода в сотых долях процента. Высоколегированные стали применяются для рабочих температур от минус 253 до 600 и даже до 1100 °С без ограничений по рабочему давлению. Для изготовления отдельных элементов аппаратов используют титан, тантал, ниобий, цирконий, титановые и бериллиевые сплавы. Медь, латунь, алюминий и его сплавы являются также основными конструкционными материалами для изготовления аппаратуры для работы при отрицательных температурах до 253 °С. Для изготовления некоторых химических аппаратов для целого ряда коррозионных сред иногда применяют неметаллические материалы, такие как пластмассы: винипласт, фторопласт, фаолит и др., стеклопластики, углеграфитовые материалы, керамика, фарфор, композиционные материалы и др. Для борьбы с коррозией химическое оборудование может защищаться различными внутренними покрытиями (эмаль, полимеры, резины и др.) и футеровкой, наружной окраской и изоляцией.

Обечайки, днища (эллиптические, полушаровые, сферические, конические), крышки отъемные, люки, штуцеры, рубашки, фланцевые соединения, прокладочные материалы и другие элементы аппаратуры стандартизированы, их расчет также выполняется согласно стандартным методикам. Прочность и герметичность (плотность) аппаратов, работающих под давлением, гарантируются прочностными расчетами и периодическими освидетельствованиями - испытаниями гидравлическими или пневматическими по плану согласно требованиям нормативной документации. Во время работы аппаратуры проводятся плановый внешний осмотр и контроль ответственных элементов оборудования (сварные швы, фланцевые и другие соединения, сальниковые, торцовые и другие уплотнения машин, арматуры и т. п.). Во время плановых остановок оборудования для технического обслуживания, текущего, среднего и капитального ремонтов проводятся осмотр и контроль (внешний и внутренний) всех деталей и узлов оборудования.

Для предупреждения взрыва необходимо исключить одновременное действие двух факторов: образования взрывоопасной среды и возникновения источника инициирования взрыва (достаточно высокой температуры, искрения электрооборудования и электроустройств, статического электричества, открытого пламени, искры при соударении металлов и др.). При этом рассматривается возможность возникновения взрывоопасных условий как внутри оборудования, так и в окружающей аппараты среде. Предупреждение возможности взрыва внутри аппаратов достигается путем поддержания рабочей среды вне области концентрационных и температурных пределов воспламенения согласно ГОСТу. Взрывозащита аппаратов обеспечивается также установкой на них стандартных предохранительных устройств (клапанов, мембран, автоматических систем подавления взрывов).

Показатели пожаро- и взрывоопасности горючих газов, жидкостей и некоторых твердых веществ, наиболее часто встречающихся в производствах химической и нефтехимической промышленности, приводятся в нормативной документации по четырем классам опасности. Классификация помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности в зависимости от характеристики перерабатываемых веществ и материалов также строго нормализована и включает в себя пять категорий помещений. Правила устройства электроустановок выделяют шесть классов взрывоопасных зон, для каждой из которых применяется электрооборудование в специальном стандартном исполнении, причем используется международная маркировка взрывозащищенного электрооборудования. Должна также обеспечиваться взрывозащита без внешних искрящих элементов всех электроаппаратов и приборов (освещение, телефон, кЬнтрольно-измерительные приборы, датчики, коммутации кабелей и др.).

Защита аппаратов от превышения давления надежно осуществляется с помощью различных предохранительных устройств (ПУ), работающих по принципу сброса из аппарата излишнего количества среды. Источником аварийного роста давления в аппаратах могут являться внезапные и не предусмотренные рабочим процессом случаи: приток в аппарат рабочей среды (пар, газ, жидкость) при закрытом выходе из него, чрезмерный нагрев среды в аппарате за счет внезапной интенсификации реакции, взрыв среды в аппарате. Причинами же таких явлений бывают, например, ошибки персонала, отказ запорно-регулирующей арматуры, отказ системы автоматического управления, разрушение внутренних устройств аппарата (трубы, змеевики, охлаждающие рубашки и др.), замерзание хладоагента - охлаждающей воды, выход из-под контроля химических реакций с большим выделением тепла и др.

Выбор ПУ осуществляется именно на такие экстремальные условия, расчет ПУ выполняется строго по стандартному методу Правил Госгортехнадзора. ПУ подразделяются на две основные группы: многократно используемые устройства - предохранительные клапаны (ПК) разной конструкции с само-действуюшим чаще тарированным пружинным замыкающим элементом, время их открытия обычно 0,008-0,040 с; одноразового действия - предохранительные мембраны (ПМ), имеющие специально ослабленные элементы с точно рассчитанным порогом разрушения по давлению. ПУ должны устанавливаться с таким расчетом, чтобы в первую очередь из аппаратов удалялась парогазовая фаза. На вертикальных аппаратах ПУ устанавливаются на штуцерах верхнего днища или в местах наибольшего скопления паров и газов. Однако в некоторых ректификационных колоннах с числом тарелок более 40 ПУ устанавливаются в нижней (кубовой) части аппарата, так как именно в этой части аппарата давление больше, чем в верху колонны. Для обеспечения требуемой герметичности аппаратов в местах выхода валов перемешивающих устройств (мешалок) наиболее широкое применение нашли торцевые и сальниковые уплотнения.

При проектировании химического оборудования одним из важнейших вопросов является выбор материалов для оборудования и его защита от коррозии. Продолжительность межремонтных пробегов технологических установок в значительной степени определяется коррозионной стойкостью оборудования. В основном, из-за коррозии сталей происходят внеплановые остановки, аварии и, как следствие, потери сырья, металла и готовой продукции. Так, в США годовые потери только от коррозии оборудования НПЗ составляют около 1 млрд долл., а в химической и нефтехимической промышленности США они превышают 3,5 млрд долл. На химических заводах Японии около 50 % всех аварий происходит из-за коррозионного разрушения металла. В нефтегазовых технологиях 70 % отказов происходит по причине коррозионных повреждений.

За рубежом межремонтный пробег установок первичной переработки нефти составляет от 3 до 5 лет, в СССР он был равен 11-12 мес. и только в некоторых случаях - 24 мес. В результате коррозионных повреждений проводилось обычно более 20 внеплановых остановочных ремонтов установок первичной переработки нефти в течение года. В нефтяных топливах и маслах ржавчина составляет до 90 % механических примесей, которая является абразивом, вызывающим усиленный износ двигателей внутреннего сгорания и других машин. Ежегодные потери на трение и износ в США превышают 100 млрд долл., а в ФРГ - 17 млрд долл. Износ - одна из главных причин отказов динамического оборудования и необходимости его ремонта. До 80-90 % трибологических (трущихся) сопряжений (пар) динамического оборудования выходит из строя вследствие их износа.

Стоимость технического обслуживания и ремонта различной техники за весь срок ее службы может быть в 3-10 раз больше стоимости изготовления этой техники. Поэтому именно на стадии проектирования обоснованный выбор материала статического и динамического оборудования, а также конструкций и материала трибологических (трущихся) сопряжений может снизить громадные потери от коррозии и износа. Соответствующее техническое обслуживание техники с применением диагностических средств также может способствовать снижению таких потерь. В передовых странах давно перешли на эксплуатацию нефтегазоперерабатывающего оборудования непрерывно в течение до трех лет без остановки на ремонт. Этому способствовали как усовершенствование конструкций оборудования, использование дорогих высококачественных материалов, так и качественное техническое обслуживание оборудования на основе заблаговременного выявления предвестников отказов. Предвестники отказов - это различной природы физические эффекты (тепловые, вибрационные, акустические и др., микрочастицы износа материалов трущихся пар в анализируемом масле и т. д.), которые с высокой вероятностью наступают за определенное время еще до появления самих отказов. Предвестники отказов выявляются с помощью совершенных средств технической диагностики.


ПОДЕЛИСЬ ССЫЛКОЙ С ДРУЗЬЯМИ!







Чтобы получить полную информацию, подпишись на нас Vk.com/enciklopediyatehniki


Наука Конструирование безопасного оборудования. Технология добычи газа и нефти