Материал: Системы обеззараживания сточных вод

Основные элементы сосудов, работающих под давлением, рассчитываются на прочность по предельным нагрузкам с коэффициентами запаса прочности. Расчет сосудов проводится в соответствии с ГОСТ Р 52857, ГОСТ Р 51273, ГОСТ Р 51274 [15] и пр. нормативными документами. Прочностной анализ проводится для всех состояний, в которых может находиться сосуд в процессе эксплуатации, монтажа, транспортировки. В ходе расчета учитываются не только рабочие нагрузки, но и внешние факторы, оказывающие влияние на прочность сосуда. При этом в обязательном порядке учитывается вероятность того, что все эти факторы могут действовать как поочередно, так и одновременно.

Основные расчетные параметры:

·        рабочее и расчетное давление в условиях испытаний и эксплуатации;

·              нагрузка от массы сосуда и рабочей среды;

·              температура окружающего воздуха и рабочего вещества;

·              уровень инерционных нагрузок, который возникает при вибрациях и колебаниях в процессе транспортировки, в условиях сейсмической нестабильности или под действием силы ветра;

·              силы противодействия, передающиеся от мест крепления сосуда;

·              переменные нагрузки, вызывающие усталостные явления;

·              расчетная температура стенки сосуда;

·              допустимая температура стенок сосуда, находящегося под рабочим давлением;

·              вместимость сосуда, его масса без рабочей среды;

·              максимально и минимально допустимый уровень рабочей среды в сосуде;

·              ограничения по массе рабочей среды;

·              срок службы сосуда, число циклов нагружения.

Расчетная температура определяется в ходе специальных теплотехнических расчетов или по результатам работы аналогичных сосудов. Если сосуд работает в различных режимах, то рабочая температура определяется для каждого из этих режимов. Рабочее давление - это максимальное давление, возникающее в процессе реализации технологического процесса. Расчетное давление, по которому осуществляется расчет сосуда на прочность, равно рабочему или несколько выше рабочего давления. При определении расчетного давления учитывается гидростатическое давление среды, рабочее давление, инерционные внешние и внутренние нагрузки, а также сейсмические, ветровые, снеговые нагрузки.

2.2 Описание и устройство установки

Установка для обеззараживания воды, представленная на рисунке 5, предназначена для обеззараживания проточной воды ультрафиолетовым излучением.

Рисунок 5 - Камера обеззараживания воды

Камера обеззараживания (Приложение 1) представляет собой проточную емкость цилиндрической формы. Основная часть камеры обеззараживания - корпус 1, выполнен из нержавеющей стали.

Внутри корпуса в потоке воды располагаются восемнадцать ультрафиолетовых ламп 2, помещенные в защитные кварцевые чехлы 3. Ультрафиолетовые лампы и кварцевые чехлы закрыты защитными колпачками 4.

Для визуального наблюдения в корпусе предусмотрено смотровое окно 5.

В корпус встроены патрубки для подачи и отвода очищаемой воды 6, патрубки с запорной арматурой для отбора проб 7, краны для подключения промывочного насоса 8.

Распределительный шкаф 9 служит для подключения камеры обеззараживания к блоку управления.

Измерительный блок 10 служит для измерения температуры обеззараживаемой воды и измерения уровня ультрафиолета внутри камеры обеззараживания.

Камера обеззараживания монтируется на подставке 11 через прокладку 12. На полке подставки расположен насос промывки 13, соединенный с камерой обеззараживания шлангами 14.

Вода поступает в камеру обеззараживания через входной патрубок, обтекает кварцевые чехлы и под воздействием ультрафиолетового излучения обеззараживается. Обработанная вода поступает на выходной патрубок и используется по назначению.

2.3 Гидравлические испытания

Под гидравлическим испытанием понимается система мероприятий, целью которых является проверка прочности сосудов и трубопроводов, их деталей и сборочных единиц, работающих под давлением. Такие испытания являются одним из наиболее часто использующихся видов неразрушающего контроля.

Гидравлическое испытание - это необходимая процедура, которая подтверждает надёжность оборудования и трубопроводов, работающих под давлением, в течение всего срока их службы. Данная система мероприятий крайне важна, учитывая серьёзную опасность для жизни и здоровья людей в случае их неисправностей и аварий.

В процессе проведения гидравлических испытаний оборудование подвергается действию давления, которое называется поверочным, и оно превышает рабочее в 1,25, 1,5 или в 5/3 раза. После производства и при периодической проверке сосудов внутреннего давления с целью надежности их нагружают поверочным давлением с определением степени изменения объемных характеристик.

Порядок проведения гидравлических испытаний должен быть указан в техническом проекте и в инструкции предприятия - изготовителя по монтажу и эксплуатации сосуда.

Гидравлическое испытание сосудов проводится только при удовлетворительных результатах наружного и внутреннего осмотров.

Сосуды должны иметь штуцеры для залива и слива воды, а также удаления воздуха при гидравлическом испытании. На каждом сосуде должен быть предусмотрен вентиль, позволяющий осуществлять контроль за отсутствием давления в сосуде перед его открыванием.

Сосуды должны предъявляться к гидравлическому испытанию с установленной на них арматурой.

Испытание производится с крепежными деталями и прокладками, указанными в конструкторской документации.

Устройства, препятствующие наружному и внутреннему осмотрам сосудов должны быть съемными. Если конструкция сосуда не позволяет осуществить наружный и внутренний осмотр или гидравлическое испытание, разработчиком проекта сосуда в инструкции по монтажу и эксплуатации указывется методика, периодичность и объем контроля. Ответственность за своевременную и качественную подготовку сосуда для освидетельствования несет владелец сосуда.

В процессе испытания испытуемом оборудовании, трубопроводе или системе (контуре) создаётся пробное давление (во избежание гидроударов и внезапных аварийных ситуаций это производится медленно и плавно), превышающее рабочее на определяемую по специальным формулам величину, чаще всего на 25 %. При этом досконально контролируется увеличение давления по двум независимым поверенным манометрам или каналам измерений. На этом этапе допускается колебание давления ввиду изменения температуры жидкости. В процессе набора давления в обязательном порядке должны быть приняты меры для исключения вероятности скопления газовых пузырей в полостях, заполненных жидкостью. Затем, в течение так называемого времени выдержки, оборудование находится под повышенным давлением, которое не должно падать вследствие неплотности испытуемого оборудования, что также внимательно отслеживается.

Оборудование подвергается испытанию пробным давлением, время выдержки которого составляет не более 5 минут. При отсутствии указаний в проекте время выдержки должно быть не менее значений, указанных в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость времени выдержки от толщины стенки

После чего давление понижается до рабочего. Во время проведения данных мероприятий персонал должен находиться в безопасном месте, нахождение рядом с испытуемым оборудованием строго запрещено. После снижения давления персонал проводит визуальный осмотр оборудования и трубопроводов в доступных местах в течение времени, необходимого для осмотра.

Сосуд признается выдержавшим гидравлическое испытание, если в ходе осмотра не выявлено:

трещин, течи, запотевание в сварных швах и на основном металле;

протечек в разъемных соединениях;

падения давления по манометру;

видимых остаточных деформаций.

2.4 Механические испытания

Под механическими испытаниями понимается система специальных мероприятий, направленных на проверку качества сварных соединений.

Обязательному визуальному контролю и измерению подлежат все сварные швы в соответствии с ГОСТ 3242-79 [14] с целью выявления дефектов, находящихся на поверхности шва

Согласно ГОСТ Р 52630-2012 [17] механическим испытаниям подвергаются все швы стыковых сварных соединений, определяющие прочность сосуда. Также обязательно измеряют твердость сварных швов не менее чем в трех точках в поперечном сечении сварного соединения.

При получении неудовлетворительных результатов по какому-либо виду механических испытаний допускается проведение повторного испытания на удвоенном количестве образцов, изготовленных из того же контрольного образца, по тому виду механических испытаний, которые дали неудовлетворительные результаты.

Сварное соединение признается непригодным, если при проведении повторного испытания получены неудовлетворительные результаты хотя бы на одном образце.

Согласно РД 10-520-02 сварные стыки сосудов, которые оборудованы быстросъемными крышками, должны быть проверены с использованием дефектоскопии либо радиографического метода в объеме ста процентов. Испытание на устойчивость и контроль механических характеристик необходимо осуществлять на образцах, которые изготовлены из контрольных сварных соединений.

Продукция признается годной к эксплуатации, если в процессе проверок на ней не довелось обнаружить внешние и внутренние неисправности, которые бы выходили за предел актуальных норм, установленных нормативными документами и правилами на продукцию и сварку. Информация о проверке сварных соединений ключевых деталей и узлов сосудов, функционирующих под давлением, должна быть занесена в паспорт сосуда.

Перед внешним осмотром покрытие сварного шва, а также все участки основного металла шириной не меньше двадцати миллиметров, прилегающие ко шву, требуется предохранить от шлака и прочих видов загрязнений. В случае электрошлаковой сварки данное расстояние не должно быть ниже ста миллиметров.

Осматривать и измерять сварные соединения необходимо с внутренней и внешней сторон по всей длине швов. Если невозможен осмотр и измерение сварного соединения, проверки требуется выполнять в последовательности, предусмотренной автором проекта. Радиографический контроль и ультразвуковая дефектоскопия осуществляются для определения внутренних неисправностей в сварных соединениях (не проваренных участков, трещин, включений шлаков и пор).

Сварные стыки сосудов, которые оборудованы быстросъемными крышками, должны быть проверены с использованием дефектоскопии либо радиографического метода в объеме ста процентов. Испытание на устойчивость и контроль механических характеристик необходимо осуществлять на образцах, которые изготовлены из контрольных сварных соединений.

Необходимо, чтобы контрольные сварные участки были идентичными контролируемым производственным сварным соединениям (по толщине листа либо габаритам труб, марке стали, способу сваривания, используемым сварочным материалам, расположению шва, температуры подогревания и температурной обработке). Их должен выполнять тот же сварщик и с использованием той же сварочной техники одновременно с проверяемым производственным соединением.

3. Конечно-элементное моделирование резервуара, работающего под давлением

Расчет резервуара будем осуществлять в программной среде SolidWorks с использованием двух модулей - FlowSimulation и Simulation. Для этого необходимо создать трехмерную модель рабочей емкости, и провести анализ с учетом воздействия потока воды на компоненты резервуара.

3.1 Анализ потока жидкости в среде FlowSimulation

Движение и теплообмен текучей среды в резервуаре моделируется с помощью уравнения Навье-Стокса, описывающих законы сохранения энергии, импульса и массы в нестационарной постановке задачи. Помимо этого, применяются уравнения состояния компонентов текучей среды и эмпирические зависимости теплопроводности и вязкости этих компонентов среды от температуры.

 (1)

 (2)

 (3)

где ρ - плотность, кг/м 3;- скорость, м/с;- давление текущей среды, Па;- время, с;- внешние массовые силы, действующие на единицу массы текущей среды (например, сопротивление пористого тела, гравитация, вращение);- полная энергия единицы массы текущей среды, Дж;Н - тепловыделение (или поглощение) на единицу объема;- распределенный тепловой поток, Вт/мК;

τ - тензор вязких сдвиговых напряжений, МПа; нижние индексы означают суммирование по трем координатным направлениям.

Система уравнений замыкается уравнениями состояния текучей среды и эмпирическими зависимостями вязкости и теплопроводности от температуры. Для расчета турбулентных течений используется метод RANS (усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье - Стокса). При этом в системе уравнений появляются добавочные члены (напряжения Рейнольдса):

 (4)

где δij = 1 при i = j;

δij = 0 при i ≠ j - дельта-функция Кронекера;

μt - коэффициент вязкости турбулентных вихрей;- кинетическая энергия турбулентности.

Для расчета ламинарных и турбулентных течений используется одна и та же система уравнений, но при ламинарном течении k и μt = 0. В рамках k-е модели турбулентности, где е - скорость диссипации.

 (5)

где fμ - комплекс, учитывающий турбулентную вязкость.

Для расчета потока вблизи стенки и описания перехода от ламинарного течения к турбулентному и наоборот используется модель ламинарного и турбулентного пограничного слоя, которая основана на так называемом приближении приведенной функции стенки. В рамках этой модели рассчитываются точные граничные условия по скорости и температуре, которые затем применяются в приведенных выше уравнениях сохранения.

Дасчетный модуль FlowSimulation дает возможность осуществить следующие виды моделирования:

·        стационарные и нестационарные течения;

·        сжимаемые и несжимаемые (жидкости или газы) течения;

·        идеальные и реальные газы;

·        ньютоновские и неньютоновские жидкости;

·        одно- и многокомпонентные течения без химического взаимодействия, и разделения фаз;

·        совместный расчет течения жидкости или газа и теплопередачи внутри твердых тел и текучей среды без наличия границы раздела газ-жидкость;

·        ламинарные и турбулентные течения, учет ламинарного/турбулентного перехода;

·        течения в пористых средах с учетом теплопроводности среды и теплоотдачи в нее;

·        учет шероховатости и подвижности стенок;

·        множественные непересекающиеся вращающиеся подобласти;

·        конвективный теплообмен, свободная, вынужденная или смешанная конвекция;