Безопасность эксплуатации насосов и компрессоров

На производственных предприятиях компрессоры используют для сжатия (компримирования) и перемещения воздуха, различных газов и их смесей.

По принципу действия компрессоры подразделяются на центробежные и поршневые. Центробежные компрессоры предназначены в основном для сжатия больших объемов воздуха (газов) до давления 3 МПа, поршневые компрессоры – для создания более высоких давлений.

Воздушные компрессоры более широко используются в производстве, чем газовые. Они служат для обеспечения работы различных пневматических систем и механизмов, систем автоматического управления технологическими процессами и т.д. Эти компрессоры представляют большую опасность, так как в них возможно образование взрывоопасных смесей в результате смешения даже с небольшими количествами горючих газов, попавших в компрессорную установку с забираемым воздухом, или смешения продуктов разложения смазочных масел с кислородом сжимаемого воздуха.

При сжатии воздуха температура внутри цилиндра компрессора по мере повышения давления возрастает и может быть рассчитана по формуле

Т₂ = Т₁ (Р₂ / Р₁) ^{(m – 1) /m},

где Т₂ – абсолютная температура газа после сжатия,⁰С; Т₁ – то же до сжатия, ⁰С; Р₁ и Р₂ - давление газа до сжатия и после него, соответственно, Па; m – показатель политропы.

Зависимость температуры от избыточного давления в воздушных компрессорах представлена ниже

При высокой температуре металлы, из которых изготовлен компрессор, теряют свою первоначальную механическую прочность и при определенных условиях могут разрушаться. Кроме того, вязкость смазочных масел при высоких температурах снижается, при движении поршней в цилиндрах оно распыляется до туманообразного состояния, что приводит к росту степени его термического расширения. В результате этих процессов из масел выделяются водород, предельные и непредельные легкие углеводороды, в том числе и ацетилен, образующие с воздухом взрывоопасные смеси.

С другой стороны при разложении смазочных масел на стенках цилиндров компрессоров, клапанных устройствах и нагнетательных трубопроводах откладываются твердые продукты разложения (технический углерод, смолы, кокс, асфальтены, и др.), образующие нагар. Присутствие в сжимаемом воздухе пыли, окалины, продуктов коррозии резко усиливает образование нагара, увеличивают трение, местные перегревы, которые могут привести к взрыву компрессора.

Следовательно, для обеспечения безопасной эксплуатации компрессоров необходимы качественная смазка и надежное их воздушное или водяное охлаждение.

Общие требования безопасности компрессоров изложены в ГОСТ 12.2.016.

Как правило, в компрессорах предусматривается принудительная подача масла под давлением циркуляционными системами, которая снабжена фильтром для очистки его от примесей.

Для смазки цилиндров и сальников газовых компрессоров используются масла с температурой вспышки не менее, чем на 20⁰С выше температуры нагнетаемого газа. Обычно температура вспышки компрессорных смазочных масел превышает 200⁰С, а температура самовоспламенения составляет не менее 400⁰С.

Для предотвращения повышения температуры сжимаемого газа сверх допустимой, а следовательно, для обеспечения безопасной работы компрессорные установки снабжаются надежной системой воздушного или водяного охлаждения (в зависимости от производительности и рабочего давления).

Температура сжимаемого газа не должна превышать температуру вспышки компрессорных масел. Поэтому температура сжатого газа в одноступенчатых компрессорах не должна превышать 160⁰С, а в многоступенчатых – 140⁰С. При многоступенчатом сжатии устанавливают промежуточные выносные холодильники для газа после каждой ступени сжатия.

Для компрессорных установок применяется открытая циркуляционная система охлаждения, в которой отработанная вода сливается без давления в общую канализацию. Это необходимо для наблюдения за циркуляцией воды и ее температурой. Система охлаждения компрессорных установок в обязательном порядке оснащается водоочистителями.

Компрессорные установки оборудуются предохранительными клапанами или предохранительными мембранами и обратными клапанами.

В случаях, когда предохранительный клапан не может надежно работать, установка обеспечивается предохранительной мембраной, которая устанавливается перед клапаном.

Предохранительные клапаны помещаются до запорной арматуры и до обратного клапана.

Для обеспечения безаварийной работы компрессорные установки снабжаются необходимыми контрольно-измерительными приборами (термометрами, манометрами, расходомерами и т.п.), которые должны вести постоянный контроль за температурой и давлением.

Обычно температуру замеряют ртутными термометрами (в металлическом кожухе), логометрами, милливольтметрами, электронными автоматическими мостами и потенциометрами.

Для измерения давления используют пружинные манометры.

Предусматривается звуковая или световая сигнализация о нарушении эксплуатационных параметров.

С целью смягчения пульсаций давления сжатого воздуха, поступающего от поршневого компрессора, и сглаживания колебаний давления у потребителя воздуха, вблизи компрессора устанавливают буферные емкости (воздухосборники, ресиверы), которые также снабжаются манометрами и предохранительными клапанами, кранами для спуска воды и масла, а также люками или лазами для очистки. Между ресивером и компрессором устанавливают обратный клапан. Ресиверы устанавливаются вне помещений на открытой ограждаемой площадке

При эксплуатации компрессоров могут образовываться заряды статического электричества, причем длина электрической искры может достигать 20 мм. Поэтому компрессорные установки в обязательном порядке должны быть заземлены.

Все вышеперечисленные меры приводят к ограниченным результатам, так как в своей основе направлены на уменьшение последствий воздействия опасных факторов, а не на их ликвидацию. Кардинально решить проблему безопасности компрессорных установок можно только заменой поршневых компрессоров центробежными. В этом случае обеспечиваются вынос оборудования на открытые площадки, а также исчезают пульсации давления в системе.

Насосы представляют собой устройства (машины) для напорного перемещения (всасывания, нагнетания) жидкостей в результате сообщения ей кинетической или потенциальной энергии.

По принципу действия насосы делятся на центробежные, поршневые и специальные. Чаще всего используют центробежные насосы в связи с их относительно небольшими габаритами и массой, простотой устройства и безопасностью эксплуатации.

Центробежные насосы представляют собой динамические насосы, в котором жидкость перемещается под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с профильными лопатками.

Их можно изготавливать из различных коррозионноустойчивых материалов: легированных сталей, фаолита, винипласта, фторопласта, фарфора, стекла, керамики, различных сплавов, чугуна и др.

Как правило, центробежные насосы обеспечивают равномерную, без толчков, подачу жидкости, они могут работать без присмотра персонала в течение относительно длительного времени, перекачивать загрязненные жидкости и шламы. Многоступенчатые центробежные насосы способны развивать высокие давления и перекачивать жидкости с температурой до 400⁰С.

Одной из серьезных опасностей при эксплуатации центробежных насосов является кавитация, т.е. образование в потоке перекачиваемой жидкости полостей (каверн), заполненных ее парами или газами, которые в зоне повышенного давления насоса с ударом «захлопываются», создавая микроскопические области высокого давления до нескольких десятков мегапаскалей. Удары жидкости приводят к эрозии и коррозии рабочих поверхностей, создают вибрации, вызывающие износ подшипников, сужают проходное отверстие в результате «холодного кипения» и выделения газов, вплоть до срыва работы насоса. При интенсивной кавитации насос может выйти из строя через несколько часов работы.

Центробежные насосы оснащаются арматурой и контрольно-измерительными приборами, обеспечивающими безопасность их эксплуатации. Как правило, до рабочего колеса устанавливается вакуумметр, а после него манометр. Кроме того, на всасывающем трубопроводе ставится сетка, предохраняющая рабочее колесо от попадания в него посторонних предметов. На нагнетательном трубопроводе устанавливается предохранительный клапан, обратный клапан (для обеспечивания столба жидкости во время остановки насоса и предотвращения обратного перетока жидкости) и задвижка, используемая при остановке и пуске насоса и для регулирования подачи жидкости.

Поршневые насосы представляют собой объемные насосы, рабочий орган которых (поршень), совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре. Они применяются для транспортирования жидкостей при высоких давлениях, а также для перекачивания высококипящих жидкостей средне- и высокой вязкости.

Основной опасностью при эксплуатации поршневых насосов является разрыв нагнетательного трубопровода в случае его засорения или перекрытия задвижкой, как при пуске, так и при работе насоса. Для предотвращения такой аварии используется специальная система обвязки поршневого насоса, т.е. нагнетательная линия насоса соединяется со всасывающей через предохранительный клапан на обводной (байпасной) линии.

К существенным недостаткам поршневых насосов относятся неравномерная, пульсирующая подача перекачиваемой жидкости, что приводит к вибрации, нарушению герметичности фланцевых соединений и разрушению трубопроводов.

Для снижения пульсации жидкости при работе поршневых насосов на нагнетательном трубопроводе устанавливают воздушный клапан, выравнивающий скорость движения жидкости в нагнетательном трубопроводе.

К специальным относятся насосы объемного типа разных конструкций: шестеренчатые, эксцентрические со скользящими лопатками, роторные, диафрагменные, роторно-диафрагменные, винтовые, шланговые, магнитно-динамические и др. В этих конструкциях рабочая часть насосов изготавливается из резины или пластмасс, что позволяет использовать их для перекачивания кислот, щелочей, сильно-загрязненных жидкостей, густых суспензий, жидкого стекла, смол, целлюлозной массы и др.

В общем случае безопасность эксплуатации насосов обеспечивается правильным выбором типа машины, надежной конструкцией, коррозионной стойкостью материала и герметичностью уплотнения движущихся частей, а также соблюдением соответствующих правил и норм. В насосах для перекачивания легколетучих, горючих и токсических жидкостей применяют специальные сальники и другие герметизирующие устройства, предотвращающие утечки паров через неплотности. При перекачивании горячих жидкостей необходимо предусматривать систему охлаждения деталей насоса, а также специальные меры защиты обслуживающего персонала от ожогов.

По вопросам безопасности компрессорных установок на предприятиях должна быть следующая документация:

1. Инструкция по безопасному обслуживанию компрессорной установки, разработанная администрацией предприятия на основании действующих правил, инструкций завода-изготовителя;

2. Приказ о назначении ответственного за правильную и безопасную эксплуатацию компрессорной установки и воздухогазопроводов;

3. Журнал расхода смазочного масла;

4. Журнал учета работы компрессора;

5. Графики планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания;

6. Ремонтный журнал компрессорной установки и акты приема-сдачи агрегатов из среднего и капитального ремонтов;

7. Техническая документация:

- схемы трубопроводов (сжатого воздуха или газа, воды и масла) с указанием мест установки задвижек, вентилей, влагоотделителей, промежуточных и концевых холодильников, воздухосборников, контрольно-измерительных приборов, а также схемы электрокабелей, автоматики и т.п.; схемы должны быть вывешены на видном месте;

- паспорт-сертификат компрессорного масла и результаты лабораторного его анализа;

- паспорта всех сосудов, работающих под давлением, подлежащих регистрации в органах госнадзора;

- журнал проверки знаний обслуживающего персонала;

- акты очистки трубопроводов, компрессоров, воздухозаборников, холодильников и воздушных фильтров;

- сварочный журнал на трубопроводы высокого давления.