Основы проектирования химических производств

ТРУБОПРОВОДЫ И ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА

На предприятиях химической промышленности трубопроводы являются неотъемлемой частью технологического оборудования. За­траты на их сооружение достигают 30% от стоимости предприятия. Суммарная длина всех трубопроводов завода составляет десятки и сот­ни километров.

С помощью трубопроводов передаются продукты в самых различ­ных состояниях: жидкости, пары и газы, пластические и сыпучие ма­териалы. Температура этих сред может находиться в пределах от низ­ких (минусовых) до чрезвычайно высоких, а давление — от глубокого вакуума до десятков мегапаскаль.

Обычно трубопроводы классифицируют в зависимости от основ­ного назначения:

— технологические, служащие для транспортировки различных хи­мических соединений;

— тепловые и газовые сети, используемые для подвода инертного газа или пара;

— линии водоснабжения и канализации.

В зависимости от расположения по отношению к оборудованию трубопроводы делят на внутренние и внешние. Внутренние трубопро­воды располагаются внугри агрегата и связывают в единое целое его отдельные элементы, например трубы котла или теплообменника. Внешние трубопроводы связывают отдельные агрегаты в единый про - и з вод стве Н Н Ы Й К О м I! л е КС.

В зависимости от параметров транспортируемой среды трубопро­воды делят на пять категорий, которые подчиняются правилам Госгор­технадзора и Госстроя. Каждая категория трубопроводов характери­зуется предельно-допустимыми значениями давлений и температур, причем самые низкие их значения соответствуют первой категории. Так, для транспортировки токсичных веществ применяют трубопро­воды только 1-й и 2-й категории, легковоспламеняющихся веществ и горючих газов — трубопроводы первых четырех категорий, негорючих жидкостей и паров — трубопроводы всех пяти категорий.

Все трубопроводы после монтажа и испытания окрашивают масляной краской. Трубопроводы, покрытые изоляцией, допускается

Окрашивать клеевой краской. Окраска не только защищает трубы от коррозии и придает им эстетический вид, по и облегчает работу обслу­живающего персонала, связанную с эксплуатацией и ремонтом трубо­проводных систем. В табл. 14.) приведены цвета окраски трубопрово­дов в зависимости от их назначения.

При проектировании к трубопроводам предъявляются следующие требования:

— надежность и минимум расчетных затрат;

— унификация узлов и деталей;

— высокая маневренность (быстрое включение в работу);

— уменьшение тепловых потерь в трубах;

— снижение шумовых эффектов;

— уменьшение длины труб и соответственно гидравлических со­противлений.

Для нахождения оптимального решения необходимо выполнить вариантные проектные разработки и произвести выбор наиболее вы­годного в технико-экономическом отношении варианта.

Рабочее проектирование, по существу, сводится к подбору соответст­вующих элементов по действующим стандартам и нормалям. При этом важное значение имеют характеристики — условный проход и услов­ное давление.

Условный проход (Д.) — величина, условно характеризующая внут­ренний диаметр элемента трубопровода, не обязательно совпадающая с его действительной величиной (ГОСТ 355—67). Если два элемента имеют одинаковые значения условного прохода, то они имеют присо­единительные размеры, обеспечивающие их стыковку.

Условное давление (ру) — величина, характеризующая пригодность элемента для надежной эксплуатации при данных рабочих параметрах среды. При умеренной рабочей температуре (до 200 °С) условное дав­ление равно рабочему. При более высокой рабочей температуре значе­ние условного давления больше рабочего. Имеется специальный стан­дарт (ГОСТ 356—68) па условные, рабочие и пробные давления. При определении условного давления учитывается и марка материала.

Достаточно важным для обеспечения надежности и работоспособ­ности трубопроводов является вопрос о правильном выборе материа­лов для труб и фасонных деталей.

Для изготовления трубопроводов в химической промышленности применяются чугуны, углеродистые и легированные стали, медь и ее сплавы, фарфор, стекло, пластмассы, угле графит и т. д. Некоторые све­дения об указанных материалах приведены в гл. 12.

Основными факторами, определяющими выбор материала для труб и арматуры, являются; достаточная механическая прочность, тем - пературостойкость, коррозионная стойкость.

К частям трубопроводных систем относятся: трубы, их фасонные части, детали для крепления и соединения труб, компенсаторы темпе­ратурных напряжений и трубопроводная арматура.

Трубы. Основным составляющим элементом трубопроводов явля­ются трубы того или иного типа и размера, в зависимости от техноло­гического назначения трубопровода.

В трубопроводах используются трубы бесшовные, сварные (с про­дольным или спиральным сварным швом), кованно-прессованные и кован но-сверленныс.

Сварные трубы имеют сварные швы, поэтому они менее надежны и используются для транспортировки воды, сжатого воздуха, газа, пара низкого давления и других веществ при температурах от —15 до +200 °С и давлениях до I МПа (обыкновенные) или до 1.6 МПа (уси­ленные).

Бесшовные трубы — цельнотянутые или цельнокатанные — более надежны и используются для транспортировки самых разных веществ в широком интервале температур (от —180 до 800 °С) и давлений до 200 МПа.

Способы соединения труб. Трубы соединяются между собой и с ар­матурой. Трубные соединения деля тся на разъемные и неразъемные. К неразъемным относятся соединения пайкой, сваркой и склеивани­ем. К разъемным же растровое соединение, которое может быть разо­брано только путем разрушения элементов, заполняющих раструб.

К основным факторам, лежащим в основе выбора типа соедине­ния, относятся следующие:

— материал соединяемых деталей;

— характер передаваемой среды (токсичность, огнеопасность, наличие осадка, склонность к застыванию);

— необходимость частых разборок—сборок;

— взрывоопасное гь;

— температура и давление рабочей среды.

Стальные, алюминиевые, свинцовые и титановые трубы чаще всего соединяются сваркой встык 3

(рис. 14.1). Трубы из цветных ме­таллов, их сплавов и пластмасс со­единяются пайкой внахлестку или склеиванием с помощью надвиж­ных муфт. Для чугунных, керами­ческих, графитовых, а иногда и для фаолитовых труб используют рас­трубные соединения (рис. 14.2). Глад­кий конец одной трубы вставляется в раструб другой. Кольцевое прост­ранство заполняется пеньковой пря­дью, а затем увлажненным цемен­том.

Резьбовое соединение применя­ется преимуществен но для стальных труб, но иногда и для винипласто - вых (рис. 14.3). Наиболее распрост­раненным разъемным соединением

1

4

I

Рис. 14.3. Резьбовое соединение: 1,2— трубы; 3 - - муфта

Гк

Д

Рис 14.5. Фасонные части трубопроводов

Труб является фланцевое (рис. 14.4). Конструкция фланцев меняется в зависимости от материала трубы, рабочего давления в трубопроводе, температуры рабочей среды и от других факторов. Герметичност ь флан­цевых соединений достигается с помошью прокладок, устанавливае­мых между фланцами.

Фасонные части трубопроводов — служат для соединения отдельных отрезков труб или же выполняют следующие функции: изменение ди­аметра или направления трубопровода; ответвление от трубопровода одной или двух ли ний того же или меньшего диаметра. К ним относят­ся: отвод (а), колено (б), двойник (#). тройник (с>), крестовина (д) и переход (е) — нарис. 14.5.

Колена, отводы и угольники применяют для изменения направле­ния трубопровода, переходы — для соединения т руб разного диаметра, а гройпики и крестовины — для создания одного или двух ответшіении. Соединительные части изготовляют путем гнутья труб или сварки заготовок из листового материала или отрезков труб.

Опоры трубопроводов. Внутрицеховые трубопроводы крепятся к стенам, колоннам, балкам и перекрытиям. Межцеховые трубопроводы часто укладываются на эстакадах.

Все вилы опор делятся на неподвижные и скользящие. Скользящие опоры поддерживают вес трубопровода и одновременно позволяют'ему свободно перемещаться в осевом направлении для компенсации тем­пературных удлинений. На рис. 14.6 показаны примеры крепления трубопроводов на горизонтальных опорах. На рис. 14.7 изображена подвеска, позволяющая крепить трубопровод к высоко расположен­ным элементам здания.

Рис. 14.6. Конструкции горизонтальных опор; а — неподвижная; 6— подпижная; /, 4— опорные уголки; 2 — хомут; 3— башмак

Рис. 14.7. Крепление горизонтальных и вертикальных трубопровода*

На подвесках

Подвески могут применяться для крепления труб малого диаметра к трубопроводу большого диаметра. Крепление труб к стснке осу­ществляется с помощью кронштейна.

Температурные компенсаторы. Трубопроводы подвержены колеба­ниям температуры в зависимости от времени года, температуры транс­портируемой среды и состояния теплоизоляции.

При изменении температуры трубопровода, жестко закрепленного в опорах, по сравнению с температурой, при которой производился сто монтаж, в стенке труб возникают температурные напряжения и дефор­мации. Для их компенсации используют специальные устройства — компенсаторы.

По принципу действия и особенностям устройства компенсаторы можно разделить па два класса: компенсаторы деформирования (гоф­рированные) и компенсаторы проскальзывания (сальниковые). Ком­пенсаторы первого класса понижают температурные напряжения в трубопроводе за счет деформации своих гибких элементов. Компенса­торы второго класса являются разрезными и допускают проскальзыва­ние концов трубопровода. Конструкции наиболее распространенных компенсаторов приведены па рис. 14.8.

Трубопроводная арматура. Арматура — это устройства, устанавлива­емые на трубопроводах, аппаратах, емкостях и обеспечивающие управ­ление потоком сред. По функциональному назначению трубопровод­ную арматуру подразделяют на следующие классы:

— запорная — для перекрытия потока среды (составляет около 80% от всей арматур!.!);

— регулирующая — для изменения параметров среды (температу­ры, давления и т. д.);

— предохранительная — для предотвращения аварийного повыше­ния давления в системе;

— защитная (отсечная) — для защиты оборудования от аварийных изменений параметров среды отключением обслуживающей линии;

-- фазоразделитсльная — для удаления конденсата из паре - и га­зопроводов.

Арматура любого класса включает гри основных элемента: корпус, привод и рабочий о pian (запорный, регулирующий и т. д.), состоящий из седла и перемещающегося или поворачивающегося относительно него затвора (золотника).

По конструкции корпуса арматуру подразделяют на проходную, в которой среда не меняет направления своего движения на выходе по сравнению с входом, и угловую, в которой это направление меняется на угол до 90°.

В зависимости от способа герметизации рабочего органа в корпусе различают сальниковую, сильфонную и мембранную арматуру. В пер­вой герметичность обеспечивается сальником, во второй — сильфо - ном, а в третьей — мембраной. В зависимости от конструкции привода рабочего органа арматуру подразделяют на автоматически действую­щую, в которой привод осуществляется самим потоком среды, и управ­ляемую, с ручным или механическим (электрическим, пневматиче­ским и др.) приводом.

Запорная арматура. Серийно выпускают запорную арматуру следующих типов: краны, венти­ли, задвижки и заслонки.

Крапами называется арматура с затвором в форме тела враще­ния, который может поворачи­ваться вокруг оси, перпендику­лярной направлению потока.

Пример пробкового крана пред­ставлен на рис. !4.9. К. раиы име­ют малое гидравлическое сопро­тивление; на трубопроводе могут устанавливаться в любом поло­жении, однако они требуют по­стоянного ухода и периодиче­ского смазывания, в противном случае пробка может «прики­петь» к корпусу.

Вентили представляют собой запорную арматуру с затвором в виде плоской или конической тарелки (золотника), которая перемещается возвратно-поступательно вместе со шпинделем относительно седла (рис. 14.10). Вентили выполняются с ручным управлением или с электроприводом. Вентили на трубопрово­де устанавливаются так, ч тобы среда в них попадала из-под золотника. Область применения вентилей весьма обширна.

Заслонками называют арматуру, в которой затвор выполнен в виде диска, поворачивающегося на оси, перпендикулярной потоку и про-

Ходящей через диаметр диска. Их ис­пользуют обычно на трубопроводах большого диаметра при малом давле­нии среды и нежестких требованиях к герметичности запорного органа. Их устанавливают на паро - и водо­проводах, на линиях транспортиро­вания, не загрязненных осадками жидкостей, так как твердые частицы, попадая под седло, могут нарушить его герметичность.

Задвижка — это арматура, в ко­торой затвор в виде диска или клина перемещается вдоль уплотнительной поверхности перпендикулярно оси потока (рис. 14.11).

Предохранительная арматура ис­ключает возможность возникнове­ния недопустимо больших давлений в трубопроводах и в аппаратах. Предо­хранительные клапаны бывают ръь чажно-грузовы. ми (рис. 14.12) и пру­жинными (рис. 14.13).

Регулирующая арматура. Это, прежде всего, регулирующие клапа­ны и вентили, смесительные кла­паны, редукционные клапаны и регуляторы уровня. В системах ав­томатического регулирования регу­лирующие клапаны управляют рас­ходом среды в соответствии с по­ступающей командой.

Фазоразделительная арматура состоит в основном из конденсато - отводчиков, используемых для вы­вода из трубопроводной системы конденсата. В настоящее время пре­имущественно используют термоста­тические и поплавковые конденсато - отводчики.

Выбор трубопроводной арматуры. Основной тип запорной арматуры, рекомендуемый для трубопроводов диаметром от 50 мм и более, —
задвижка; она имеет минимальное гид­равлическое сопротивление, надежное уплотнение затвора и допускает измене­ние направления движения среды.

Вентили рекомендуется устанавли­вать на трубопроводах диаметром до 50 мм; при диаметре более 50 мм вентили используют главным образом н случаях, когда по условиям технологического про­цесса требуется ручное дросселирование. Основное преимущество вентилей — от­сутствие трения уплотнительных поверх­ностей, что позволяет их использование при более высоких давлениях, В связи с этим вентили устанавливаются на тру­бопроводах высокого давления.

Краны используют, когда требуются запорные устройства, обладающие незна­чительным гидравлическим сопротив­лением или способные управлять не­сколькими расходящимися потоками, в последнем случае используют трех - или четырехходовые крапы.