СЛИВОНАЛИВНЫЕ УСТРОЙСТВА И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ АРМАТУРА НЕФТЕБЕНЗИНОВЫХ ЦИСТЕРН

При перевозке нефтепродуктов крайне важным фактором является обеспечение загрузки цистерн до полной грузоподъемности и при этом не должно быть перелива груза, что может привести к его вытеканию при повышении температуры окружающей среды и, соответственно, тепловом расширении груза.

Массу жидкого груза, перевозимого в цистернах, определяют замерно-калибровочным способом, при котором измеряют высоту наполнения котла. Затем учитывают плотность груза по специальным калибровочным таблицам, в которых приведена емкость котлов в зависимости от уровня его налива, подсчитывают массу груза. Калибровочный тип цистерны обозначен в виде металлических цифр, приваренных к котлу на обеих сторонах его цилиндрической части.

Налив груза производится через верхний люк-лаз и при этом объем котла заполняется только на 98%. Оставшееся свободное пространство предусматривается на увеличение объема груза при его нагревании.

Для налива нефтепродуктов, осмотра внутренних частей котла и его очистки используется люк-лаз диаметром 570 мм (рис. 1.1), герметически закрываемый крышкой. В люке размещены привод основного затвора сливного прибора и две сегментные планки, укрепленные на соответствующих уровнях. Эти сегментные планки предназначены для контроля за предельными уровнями налива груза, т.е. верхний уровень налива должен находиться между этими планками. В этом случае цистерна не будет перегружена, и при тепловом расширении груза он не будет выливаться и попадать в окружающую среду.

Рис. 1.1. Люк-лаз нефтебензиновой цистерны с крышкой и ригельным запором

На рис. 1.1 цифрами обозначено: 1 – крышка; 2 – предохранительная скоба; 3 – сегменты для контроля уровня наполнения; 4 – люк-лаз; 5 – откидной болт; 6 – ригель.

При эксплуатации цистерн люк-лаз всегда должен быть опломбирован.

Слив груза из котла осуществляется через универсальный сливной прибор, который крепится к нижнему листу средней части котла. Такой сливной прибор имеет верхний привод (рис. 1.2) и приводится в действие при вращении воротка и штанги. Конструкция такого сливного прибора разработана более 50-ти лет назад и уже не может отвечать современным требованиям.

Рис. 1.2. Универсальный сливной прибор

Данный сливной прибор (рис. 1.2) имеет два последовательно расположенных затвора, а именно сам клапан 2 и нижнюю заглушку 6.

Вороток 1, шарнирно соединенный с винтовой штангой 9 управления сливным прибором, расположен в горловине люка-лаза. На нижнем конце штанги закреплен клапан 2, который при вращении воротка поднимается или опускается на седло 3, обеспечивая таким образом открытие и закрытие сливного прибора. Труба сливного прибора 4 снаружи закрывается откидной крышкой 6, прижимаемой к торцу трубы нажимным винтом. Кольцевой наконечник сливной трубы обеспечивает возможность герметичного присоединения сливного рукава. Корпус сливного прибора оборудован кожухом 8, который может при сливе продукта заполняться паром для обогрева в зимнее время.

Универсальный сливной прибор обладает несколькими недостатками:

- резиновые уплотнения со временем теряют свои свойства, и прибор начинает пропускать груз – появляются течи;

- попадание в область слива мусора, что может быть между седлом клапана и самим клапаном, также может привести к потере герметичности прибора;

- при попадании в область слива конденсата и его последующем замерзании внутренний клапан (первый запорный орган) не прижимается к своему седлу, т.е. плотность прилегания не обеспечивается.

Специалистами кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТа универсальный сливной прибор был доработан и на его базе был создан сливной прибор с тремя запорными органами. Схема такого сливного прибора представлена на рис. 1.3, и при этом управление основным шаровым затвором так же, как и ранее производится в верхней части цистерны. Более подробно новый сливной прибор показан на рис. 1.4.

Рис. 1.3. Схема сливного прибора с тремя запорными органами

В новом сливном приборе вместо внутреннего прижимного клапана используется шаровой кран, обеспечивающий более высокую надежность и плотность закрытия. Кроме того, добавлен промежуточный дисковый затвор (рис. 1.5) типа «бабочка», который является вторым запорным органом. Откидная крышка (нижний запорный орган) заимствована у универсального сливного прибора.

Рис. 1.4. Сливной прибор с тремя запорными органами

На рисунке 1.4 цифрами обозначены: 1 – первый запорный орган с шаровым краном; 2 – промежуточный дисковый затвор (второй запорный орган); 3 – откидная крышка (третий запорный орган); 4 – вороток.

Рис. 1.5. Промежуточный дисковый затвор

Промежуточный дисковый затвор типа «бабочка» имеет два рабочих положения: вертикальное – клапан открыт и горизонтальное – клапан закрыт. На сливном приборе с тремя запорными органами, разработанном в МИИТе, промежуточный дисковый затвор находится в зоне паровой рубашки, что способствует его работоспособности при низких температурах. Таким образом, в конструкции нового сливного прибора реализовано три последовательно установленных затвора, что позволяет существенно увеличить сохранность перевозимых грузов и повысить степень безотказности при перевозке опасных грузов.

Рис. 1.6. Сливной прибор с тремя запорными органами в разрезе

Сливной прибор конструкции МИИТа с тремя запорными органами обеспечивает герметичность котлов цистерн и обладает высокой надежностью за счет того, что у шарового крана и промежуточного дискового затвора отсутствуют резиновые уплотнители. Резиновые уплотнения имеются только у откидной крышки (нижнего запорного органа).

Для управления шаровым краном имеется вороток, который также как и штурвал размещается в люке-лазе. Чтобы открыть или закрыть шаровой кран, нужно вороток повернуть на 90 градусов. При этом, если в зону слива попал мусор, он выталкивается шаровым краном обратно в котел и не застревает в сливном приборе.

Нижегородским отделением ВНИИЖТ был доработан универсальный сливной прибор, который получил обозначение УСП-3 (рис. 1.7; 1.8). В новом приборе имеется три запорных органа, при этом верхний клапан (1 запорный орган) остался без изменений, откидная крышка (3 запорный орган) также осталась без изменений. В конструкцию добавлен промежуточный дисковый затвор, который находится ниже паровой рубашки и не обогревается ею. При низких температурах у сливного прибора УСП-3 промежуточный дисковый затвор открыть практически невозможно.

Рис. 1.7. УСП-3

Рис. 1.8. УСП-3 на цистерне

В целом, УСП-3 обладает теми же недостатками, что и универсальный сливной прибор с двумя запорными органами. Удовлетворительная герметичность этого прибора обеспечивается только при работоспособном промежуточном дисковом затворе.

В процессе эксплуатации нефтебензиновых цистерн продукт перевозится при атмосферном давлении, однако в то же время внутри котла может создаться как повышенное давление, так и пониженное, и в связи с этим на котле цистерны необходимо иметь какое-либо предохранительное устройство, предохраняющее котел цистерны от возникающих при этом перегрузок.

В настоящее время на котлах нефтебензиновых цистерн устанавливается предохранительно-впускной клапан (рис. 1.9). Такой клапан имеет раздельную регулировку усилия затяжки пружины 1 клапана максимального давления 2 и пружины 3 вакуумного клапана 4. Регулировка клапанов производится на избыточное (повышенное) давление 0,15 МПа (1,5 кгс/см²) и на разряжение (пониженное давление) 0,01 - 0,02 МПа (0,1 - 0,2 кгс/см²) . Для предотвращения нарушения регулировки на предохранительно-впускной клапан устанавливаются две пломбы.

Опыт эксплуатации нефтебензиновых цистерн с такими клапанами показывает, что данная конструкция клапана не обладает достаточной надежностью. Предохранительно-впускной клапан не обеспечивает защиты котла от возникновения недопустимого вакуума после разогрева груза паром, пропарки котла и последующего охлаждения или при сливе продукта при закрытых крышках люков, в результате чего может произойти схлопывание котла.

Рис. 1.9. Предохранительно-впускной клапан

1. СЛИВОНАЛИВНАЯ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ АРМАТУРА ЦИСТЕРН ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ

1.1. Сливоналивная арматура цистерн для перевозки сжиженных газов

Еще более значимую роль в обеспечении безопасности перевозки опасных грузов имеет сливо-наливная и предохранительная арматура цистерн, перевозящих сжиженные углеводородные газы.

Отличительной особенностью цистерн этой группы является высокое рабочее давление в котле - 1,5-2,0 МПа (15-20 кгс/см²). Исключение составляют цистерны для винилхлорида модели 15-1421 и для пентана модели 15-1520, в которых рабочее давление в котле соответственно равно 0,8 МПа (8 кгс/см²) и 0,3 МПа (3 кгс/см²), поэтому все цистерны этой группы подвергаются контролю и освидетельствованию Госгортехнадзором.

Важным фактором, характеризующим газовые цистерны, является процесс загрузки – выгрузки сжиженного газа, находящегося под давлением. Схема выгрузки сжиженного газа из цистерны представлена на рис. 2.1. Схема загрузки цистерн сжиженным газом отличается от выгрузки тем, что компрессор переключается и работает в обратном направлении. Порожняя цистерна заполняется инертным газом (чтобы в котле не оставалось кислорода воздуха), после чего компрессор его откачивает, а в цистерну закачивается находящаяся под давлением жидкостная фаза газа из резервуара.

Рис. 2.1. Схема выгрузки сжиженного газа

Вся сливоналивная, контрольно-измерительная арматура и предохранительный клапан размещаются обычно на крышке люка. Лишь на нескольких моделях (15-1556, 15-1581) предусмотрена отдельная установка предохранительного клапана на фланце патрубка, расположенного рядом с люком.

Типовое сливоналивное устройство цистерн для сжиженных газов (рис. 2.2) включает два жидкостных 1 и один газовый 2 (уравнительный) вентиля с условным проходом D_y 40, D_y 38, D_y 32, к которым присоединены скоростные клапаны 3. К жидкостным вентилям присоединены сливоналивные трубы 4, концы которых закреплены в воронке 5 и доходят до поддона 6.

Рис. 2.2. Типовое сливо-наливное устройство цистерн для сжиженных газов

Типовое сливо-наливное устройство имеет следующие недостатки:

- вентили с резиновыми уплотнениями не обеспечивают герметичность арматуры и котла;

- динамические воздействия на пучок труб приводят к его изломам в зоне скоростных клапанов;

- в поддоне со временем накапливается конденсат и нерастворимый осадок, что приводит к засорению сливо-наливных труб.

Специалистами МИИТа типовое сливо-наливное устройство было доработано. В новой сливо-наливной арматуре (рис. 2.3) вентили с резиновыми уплотнениями заменены шаровыми кранами; фланец с пучком труб развернут на 90 градусов, в то же время пучок труб связан фермовой конструкцией для предотвращения его изломов; устранены воронка и поддон.

Рис. 2.3 а. Усовершенствованное сливо-наливное устройство

Рис. 2.3 б. Усовершенствованное сливо-наливное устройство

На рисунке 2.3 цифрами обозначено: 1 – кран шаровой жидкостный; 2 – кран шаровой газовый; 3 – малый предохранительный клапан 4 – скоростной клапан; 5 – сливо-наливные трубы жидкостные; 6 – кран контрольной арматуры; 7 – фермовая конструкция.

1.2. Предохранительная арматура цистерн для перевозки сжиженных газов

При перевозке таких опасных грузов, как сжиженные углеводородные газы, относящиеся к 3-му классу опасности, крайне важным является обеспечение необходимого уровня безопасности в случае возникновения аварийных ситуаций. Для этой цели газовые цистерны оборудуются целым комплексом предохранительных и контрольно-измерительных устройств.

Скоростной клапан (рис. 2.4) предназначен для автоматического перекрытия сливоналивных и уравнительного вентилей в случае разрыва внешних сливоналивных и уравнительных шлангов. Клапан состоит из двух муфт 1, 5, трубы корпуса 2, кольца 4, прокладки 3 и ползуна 6. Ползун обеспечивает автоматическое перекрытие выходного отверстия клапана при достижении критической скорости истечения жидкости и удерживается в верхнем положении за счет внутреннего давления в цистерне.

В новых моделях цистерн применяется скоростной клапан шарикового типа, в котором вместо ползуна используется стальной шарик.

Рис. 2.4. Скоростной клапан

Контрольно-измерительное устройство (рис. 2.5) включает вентили контроля слива 1, контроля предварительного уровня налива 2, предельного уровня налива 3, дренажа (зачистки) 5 и манометродержатель 4. На вентилях контроля уровня и слива установлены трубки соответствующей длины. Маховики вентилей окрашены в разные цвета: предварительного уровня наполнения - в зеленый, предельного - в красный. Газ и жидкость, поступающие через контрольные вентили при проверке уровня слива или наполнения во время сливоналивных операций, должны отводиться в специальную емкость склада продукта получателя (отправителя) груза.

Рис. 2.5. Контрольно-измерительное устройство

Важным фактором обеспечения безопасности является соответствие параметров предохранительного клапана темпу нарастания теплового воздействия на котел.

Пружинный предохранительный клапан (рис. 2.6) состоит из корпуса-втулки 1 с присоединительным фланцем, втулки 2, с конусным седлом клапана, запрессованном в корпус, тарельчатого клапана 6, на котором укреплена крышка 4 с резиновой прокладкой 5, обеспечивающей полную герметичность сопряжения конусных поверхностей седла и тарели. Опирание тарели клапана на седло обеспечивает разгрузку от действия запирающей пружины 7 резиновой прокладки и увеличивает срок ее службы. Крышка 4 крепится специальной гайкой 3, регулирующей прижатие резиновой прокладки к наружной плоскости тарели клапана. Давление срабатывания (открытия) клапана определяется усилием начальной затяжки пружины 7 и регулируется гайками 9, на которые усилие пружины передается через опорную втулку 8 и сферическую шайбу 10.

На некоторых моделях цистерн применяется предохранительный клапан с разрушаемой мембраной (рис. 2.7). Такая конструкция обеспечивает абсолютную герметичность до момента разрушения мембраны 12. После ее разрушения в работу включается расположенный над ней пружинный клапан максимального давления, конструкция которого в принципе подобна описанной выше.

Рис. 2.6. Малый предохранительный клапан

Рис. 2.7. Предохранительный клапан с разрушаемой мембраной

На рисунке 2.7 цифрами обозначено: 1 – пломба; 2 – кольцо; 3, 4, 5 – втулки; 6 – колпак; 7 – винт; 8 – пружина; 9 – прокладка; 10 – седло клапана; 11 – клапан; 12 – разрушаемая мембрана; 13 – вентиль.

Существующие комплекты предохранительных клапанов типа ДУ-32 не могут обеспечить безопасный сброс продукта при повышении давления в котле. На цистернах модели 15-9503 АВП были испытаны и приняты к серийному производству предохранительные клапаны с увеличенным проходным сечением, обеспечивающие управляемый сброс продукта без взрыва. Поэтому на цистерны для перевозки сжиженных газов целесообразно устанавливать дополнительно большой предохранительный клапан типа ДУ-80 (рис. 2.8). На цистерны с большим объемом котла целесообразно устанавливать два таких предохранительных клапана.

Рис. 2.8. Большой предохранительный клапан цистерн для сжиженных газов

Большой предохранительный клапан устанавливается в зону, защищенную модифицированным вариантом дуг безопасности, как показано на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Большой предохранительный клапан в зоне дуг безопасности