При осуществлении различных технологических процессов, проведении ремонтных работ, в быту и т.д. широко используются различные системы повышенного давления: трубопроводы, баллоны и емкости для хранения или перевозки сжатых, сжиженных и раство­ренных газов, паровые и водяные котлы, газгольдеры и др. Основная характеристика этого оборудования состоит в том, что давление газа или жидкости здесь превышает атмосферное. Указанное оборудование принято называть сосудами, работающими под давлением.

Сосудами, работающими под давлением, называются герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворен­ных газов и жидкостей под давлением.

Любые сосуды, работающие под давлением, всегда представляют собой потенциальную опасность, которая при определенных условиях может трансформироваться в явную форму и повлечь тяжелые последствия. Разгерметизация (потеря герметичности) сосудов, работающих под давлением, достаточно часто сопровождается возникновением двух групп опасностей.

Первая из них связана с взрывом сосуда или установки, работающей под давлением. Взрывом называют быстропротекающий процесс физических и химических превращений веществ, сопровождающийся освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная создать угрозу жизни и здоровью людей. При взрыве может произойти разрушение здания, в котором расположены сосуды, работающие под давлением, или его частей, а также травмирование персонала разлетающимися осколками оборудования.

При взрыве сосуда происходит адиабатическое расширение находящегося в нем сжатого газа, работа которого рассчитана по формуле

где А — работа расширяющегося газа, Дж; V — объем сосуда, м³; р₁ и р₂ — начальное и конечное (атмосферное) давление газа в сосуде; n = C_pC_v, Па; показатель адиабаты — отношение удельной теплоемкости газа при постоянном давлении С_р и постоянном объеме Су, Дж/(кг«град) (например, для воздуха я = 1,41). Мощность взрыва (кВт) определяют по формуле

N = A / (102 t)

где 102 — коэффициент перевода размерности кг *м / с в кВт; t — продолжительность взрыва, с.

Вторая группа опасностей зависит от свойств веществ, находящихся в оборудовании, работающем под давлением. Так, обслуживающий персонал может получить термические ожоги; если в разгерметизировавшейся установке находились вещества с высокой или низкой температурой. Если в сосуде находились агрессивные вещества, то работающие могут получить химические ожоги; при этом возникает и опасность отравления персонала. Радиационная опасность возникает при разгерметизации установок, содержащих различные радиоактивные вещества.

Под физическим взрывом понимается мгновенное про­явление действия силы внезапного адиабатического (т. е. происходящего без подвода или отвода тепла) расшире­ния газов или паров, сопровождающееся выделением ме­ханической энергии и образованием взрывной и удар­ной волн.

Работа, производимая адиабатическим расширением газа при взрыве сосуда, и мощность взрыва зависят от давления в аппарате, его объема, продолжительности действия взрыва (обычно около 0,1 с), показателя адиа­баты (отношения теплоемкостей при постоянном объеме, для воздуха равным 1,41) и могут быть подсчитаны по эмпирическим формулам.

Расчеты показывают, что мощность физических (ади­абатических) взрывов весьма велика. Например, мощ­ность взрыва (разрыва) сосуда емкостью 1 м³, находяще­гося под давлением воздуха, равным 1МПа (10 кг/см²), составляет 13164 кВт. В случае водяного пара мощность взрыва в тех же условиях составляет уже около 200000 кВт.

Наиболее частыми причинами аварий и взрывов со­судов, работающих под давлением, являются: несоответствие конструкции максимально допустимому давлению и температурному режиму, превышение давления сверх предельного, потеря механической прочности аппарата (коррозия, внутренние дефекты металла, местные пере­гревы), несоблюдение установленного режима, отсутст­вие необходимого технического надзора.

Причины, приводящие к разгерметизации сосудов, работающих под давлением, принято делить на эксплуатационные и технологические.

К эксплуатационным причинам разгерметизации относится образование взрывоопасных смесей, состоящих из горючих газов, паров или жидкостей и окислителя. Примером таких смесей могут служить ацетилен и кислород, водород и кислород, пары этилового спирта и кислород и др.

Взрывоопасные смеси «горючее—окислитель» способны возгораться и взрываться, если имеется инициатор (источник) зажигания, в качестве которого может выступить электрическая искра (например, возникающая в результате накопления статического электричества), искры от газо- и электросварки, искры, возникающие от удара стальных предметов, нагретые тела и др. Существует также ряд самовоспламеняющихся систем, для которых не требуется инициатор зажигания. Примером такой системы может служить натрий или калий, которые при нормальной температуре взрываются при соприкосновении с хлороформом.

Основное требование к таким сосудам — соблюдение их герметичности на протяжении всего периода эксплуатации. Под герметичностью понимается непроницаемость жидкостями и газами стенок и соединений, ограничивающих внутренние объемы сосудов, работающих под давлением. Требования по герметичности обязательны также для вакуумных установок и оборудования.

Для предотвращения взрывов следует исключать возможность образования систем «горючее—окислитель», избегать инициирование горения, а также обеспечивать локализацию очага горения.

Исключить образование взрывоопасных смесей в системе «горючее—окислитель» можно: во-первых, максимально ограничив концентрацию горючего вещества в смеси с окислителем, чтобы в этой системе не образовывалась взрывоопасная смесь; во-вторых, добавив к взрывоопасным смесям «горючее—окислитель» инертные компоненты, называемые флегматизаторами. Примером таких веществ могут служить азот и углекислый газ. Эти вещества не участвуют в реакции горения и способны ее тормозить.

Для того чтобы предотвратить инициирование процесса горения, необходимо нейтрализовать источники зажигания. Это достигается заземлением оборудования для исключения возможности накапливания статического электричества, применением безыскрового (не дающего искр в процессе эксплуатации), инструмента и другими мероприятиями.

Локализацию очага горения применяют, если существует вероятность образования взрывоопасной смеси и имеется инициатор зажигания. В таком случае используют огневзрывопреградители, ограничивающие очаг горения в пределах определенного аппарата или газопровода, способного выдержать последствия горения. Передача горящей смеси в другие аппараты, таким образом, исключается.

Вторая эксплуатационная причина разгерметизации установок и аппаратов, работающих под давлением, так называемые порочные процессы, протекающие в них и приводящие к постепенному изменению и разрушению конструкционных материалов, из которых эти установки изготовлены. Примерами тому могут служить коррозия стенок аппаратов, образование накипи на стенках котлов, уменьшение прочностных свойств материалов установок и др. Для того чтобы исключить влияние побочных процессов, необходимо своевременно и качественно проводить профилактические и ремонтные работы сосудов, находящихся под давлением, а также правильно их эксплуатировать.

Технологические причины разгерметизации — различные дефекты (трещины, вмятины, дефекты сварки и др.), возникшие при изготовлении, хранении и транспортировке сосудов, работающих под давлением.

Для своевременного обнаружения указанных дефектов применяют различные методы контроля: внешний осмотр сосудов и аппаратов, работающих под давлением, неразрушающие методы контроля (люминесцентные, ультразвуковые и рентгеновские методы), гидравлические испытания сосудов, механические испытания материалов, из которых изготовлены сосуды, и др.

Меры безопасности при эксплуатации газовых баллонов сводятся к следующему:

• газовые баллоны необходимо хранить в вертикальном положении в проветриваемом помещении или под навесами. Их следует защищать от действия прямых солнечных лучей и осадков. Баллоны не должны храниться на расстоянии менее 1 м от радиаторов отопления и ближе 5 м от открытого огня;

• нельзя переносить баллоны на плечах или руками в обхват;

• эксплуатировать можно только исправные баллоны. Их надо устанавливать вертикально на месте проведения работ и надежно закреплять для предохранения от падения. Установленный баллон должен быть надежно защищен от воздействия открытого огня, теплового излучения и прямых солнечных лучей.