化工設(shè)備的常見缺陷，故障及其危害的研究

（天津渤海石化有限公司,天津300000）

目前我公司很多設(shè)備使用年限比較久，給設(shè)備的完好帶來了不確定性，也給我們的設(shè)備管理帶來了很大的困難。若想保證安全生產(chǎn)不發(fā)生設(shè)備故障和事故，在很大程度上要求對(duì)設(shè)備管理達(dá)到將問題預(yù)知及預(yù)防的程度。當(dāng)然如果我們對(duì)化工設(shè)備的常見故障有一定的研究，將會(huì)對(duì)設(shè)備管理達(dá)到預(yù)知防預(yù)的層面起到很大的幫助。

在生產(chǎn)中我們經(jīng)常遇到的設(shè)備問題大致包括：設(shè)備內(nèi)部積垢、設(shè)備泄漏、壁薄減厚、設(shè)備變形、設(shè)備生產(chǎn)裂紋以及電擊損壞。下面將主要闡述這些問題的危害以及產(chǎn)生原因。

1 積垢

1.1 積垢的危害

工作表面積垢造成的危害主要有設(shè)備熱傳速率降低、流體阻力增大、有效容積減小和加速壁面腐蝕。

1）熱傳遞速率降低。由于積垢造成的導(dǎo)熱性能下降，當(dāng)設(shè)備工作表面積垢所造成的熱阻超出計(jì)算數(shù)值時(shí)，設(shè)備的傳熱速度就要下降，由此可帶來流體溫度變化、熱量損失增大、冷卻水用量加大等弊病。

2）流體阻力加大。由于積垢使流通面積減小，流體的速度被迫增加。與此同時(shí)又因?yàn)槲酃副容^粗糙的表面增大了流動(dòng)摩擦力，使動(dòng)力損失增加，或使流體的流量減小。

3）有效容積減小。污垢占據(jù)了設(shè)備的部分工作容積，特別是機(jī)械雜質(zhì)的大量沉積，可使設(shè)備有效容積明顯減少。

4）加速壁面腐蝕。污垢附著在設(shè)備工作表面，往往會(huì)加速里內(nèi)壁面的腐蝕，尤其是污垢中的微生物，在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，對(duì)壁面的腐蝕可能相當(dāng)嚴(yán)重。

1.2 積垢原因

1）水垢。水垢是指依附在設(shè)備傳熱內(nèi)表面上的一層不溶性鹽類，其中大部分屬于鈣鹽。在用熱水為載體的系統(tǒng)中，水垢通常是設(shè)備內(nèi)表面結(jié)垢的主要形式。主要是由于鈣水垢的產(chǎn)生，在升高的溫度下鈣鹽沉淀從水中結(jié)晶。當(dāng)熱水的pH值＞9時(shí)，水垢會(huì)沉淀下來。鱗狀水垢最初是柔軟的，但隨著傳熱條件的惡化導(dǎo)致鱗片結(jié)晶過程中失水，鱗片層逐漸硬化并牢固地附著在傳熱表面上。

2）晶體吸附。當(dāng)設(shè)備的工作條件適合于鹽溶液晶體的沉淀時(shí)，可以在傳熱表面吸附由鹽溶液結(jié)晶形成的水垢。

3）雜質(zhì)與沉積的有機(jī)物。流體灰塵、沙子、腐蝕產(chǎn)物脫落的碎片等被稱作雜質(zhì)，藻類、菌類等稱為有機(jī)物。當(dāng)流體中雜質(zhì)和有機(jī)物較多，流體流速較小時(shí)，一些雜質(zhì)和有機(jī)物會(huì)沉積在設(shè)備中，形成疏松的多孔或膠狀污垢。

4）有機(jī)產(chǎn)品分解。如果物料是有機(jī)物，那么在加熱、水解、焦化等產(chǎn)生過程中可分解出重碳類焦化物而附著于設(shè)備表面，形成較硬的殼層[1]。

5）設(shè)備結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。設(shè)備結(jié)構(gòu)材料的腐蝕產(chǎn)物，有的是溶解在介質(zhì)中，有的則附著在金屬表面上。所常見的以氫氧化鐵為主體的鐵銹，基本上是不溶于水的。在鋼鐵被水腐蝕的過程中，它總是作為腐蝕產(chǎn)物而存在于反應(yīng)體系之外，因此，隨著腐蝕的不斷進(jìn)行，鋼鐵表面附著的鐵銹就會(huì)越來越厚。

2 泄漏

2.1 泄漏

化工設(shè)備的泄漏分內(nèi)漏和外漏兩種情況。內(nèi)漏可以通過設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)或物料性質(zhì)的變化來察覺，但是很難在生產(chǎn)運(yùn)行中進(jìn)行修補(bǔ)。外漏是指介質(zhì)漏入大氣或由設(shè)備外部可以檢測的泄漏。設(shè)備的泄漏不僅浪費(fèi)資源、能源和污染環(huán)境，而且影響設(shè)備的生產(chǎn)能力，嚴(yán)重時(shí)甚至造成停車。特別是一些易燃易爆、有毒有害物質(zhì)的外漏，常是造成燃燒、爆炸、中毒等重大事故的直接原因。由此可見，妥善處理泄漏問題是化工廠連續(xù)安全生產(chǎn)的一大關(guān)鍵。

2.2 泄漏的主要原因

設(shè)備的泄漏主要是由于腐蝕造成的局部穿孔，應(yīng)力腐蝕和交變應(yīng)力或其他因素導(dǎo)致備連接的密封面失效。一臺(tái)設(shè)備連接部件的泄漏占總泄漏事故的80%以上。設(shè)備連接可分為可拆卸和不可拆卸兩種。法蘭連接、螺紋連接屬于可拆卸連接。而焊接屬于不可拆聯(lián)接。其中，不可拆接頭的密封失效主要是由腐蝕穿孔或裂紋引起的。法蘭是可拆卸連接中最為常見的。它廣泛用于各種壓力和溫度條件下的管路，具有結(jié)合強(qiáng)度高、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。由于凸緣通過多個(gè)螺栓連接，以確保密封墊片的密封性，因此往往會(huì)由于高溫和負(fù)荷波動(dòng)，墊圈和螺栓的彈性降低，或各種原因造成的螺栓松動(dòng)使密封面壓力減小，以及墊圈因介質(zhì)的侵蝕而損壞或脫落，或者法蘭盤或墊圈表面有劃痕、雜質(zhì)[2]。

至于法蘭盤偏斜、螺栓緊固不當(dāng)造成的法蘭連接密封不良，屬于裝配問題。這在設(shè)備試車時(shí)或投入運(yùn)行后不久即可發(fā)現(xiàn)。

3 壁厚減薄

設(shè)備壁厚的減薄可分為全面性減薄和局部性減薄兩種。壁厚的全面性減薄是由均勻腐蝕和磨損造成的。由于這種減薄的速度比較慢，減薄量比較均勻，雖然這種腐蝕實(shí)際危害性并不大，但是如果經(jīng)過長年累月的腐蝕和磨損后設(shè)備的壁厚已小于最小允許厚度則設(shè)備應(yīng)降壓使用或報(bào)廢處理。局部性壁厚減薄通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備泄漏。在化工生產(chǎn)中可以造成設(shè)備壁厚減薄的主要原因有腐蝕、沖蝕和磨損，例如彎頭的背部泄漏就是這種腐蝕造成的。局部腐蝕、沖蝕或磨損造成的局部壁厚減薄一般速度較快，不僅容易造成局部穿孔泄漏，而且嚴(yán)重影響設(shè)備的強(qiáng)度。因?yàn)闆Q定設(shè)備強(qiáng)度的是最弱載面的承載能力，當(dāng)局部壁厚減薄至一定程度時(shí)，在該處就會(huì)產(chǎn)生破裂和泄漏。至于點(diǎn)蝕往往是在鄰近壁面并沒有明顯減薄的情況下，設(shè)備的個(gè)別地方就發(fā)生了穿孔和泄漏現(xiàn)象。

4 裂紋

裂紋是指設(shè)備殼體內(nèi)或外表面出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，其危害主要是會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生泄漏甚至爆炸。當(dāng)裂紋由初始狀態(tài)急劇擴(kuò)張時(shí)，設(shè)備的整體強(qiáng)度也會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至造成斷裂事故。產(chǎn)生裂紋的主要原因可歸納如下：

1）局部變形。當(dāng)局部變形所產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，有可能造成設(shè)備的局部拉裂。

2）應(yīng)力集中。由于振動(dòng)和溫差的影響，在焊縫集中區(qū)和半徑很小的過渡圓弧等處，因存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中而形成裂紋。

3）應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和介質(zhì)共同作用的結(jié)果，是材料在特定環(huán)境下發(fā)生的。這種腐蝕往往先形成很窄的溝槽，而后在溝槽處引起開裂。在化工設(shè)備中經(jīng)常出現(xiàn)。如介質(zhì)中的氯化物容易引起奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。合成氨生產(chǎn)中的氣柜常因硫化物的腐蝕而破裂等等。裂紋發(fā)生的部位大多在具有焊接應(yīng)力的焊縫附近或材料有缺陷處。由于應(yīng)力腐蝕的深度大而寬度小，如不進(jìn)行預(yù)測性檢查，?？稍斐赏蝗恍缘拈_裂事故。

4）氫損害。有時(shí)因焊接施工不當(dāng)進(jìn)入焊縫中的氫可向母材的熱影響區(qū)擴(kuò)散，并溶解在金屬晶格中，從而形成較為緩慢的焊后開裂。這種開裂在焊接結(jié)束時(shí)并不能發(fā)現(xiàn)，但設(shè)備使用不久即可出現(xiàn)裂紋。

5）交變載荷。設(shè)備在交變載荷作用下發(fā)生破壞的主要形式為疲勞裂紋?；ぴO(shè)備的疲勞裂紋雖只局限于某一部位，很少裂通，但也會(huì)因發(fā)生泄漏而停車。對(duì)PDH生產(chǎn)中所用的高強(qiáng)度合金鋼，如初始疲勞裂紋未被發(fā)現(xiàn)，而繼續(xù)承受循環(huán)內(nèi)壓，則有可能導(dǎo)致裂紋沿縱向急劇擴(kuò)展，甚至造成斷裂引起嚴(yán)重事故。

6）水力沖擊。由水力沖擊造成的沖蝕和較高的局部應(yīng)力也可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

7）材料缺陷。設(shè)備結(jié)構(gòu)材料的缺陷，如鋼材軋制時(shí)夾渣、重皮和褶皺、焊接時(shí)的咬邊、夾渣和未焊透，以及材料的金相組織不均勻等均為裂紋的誘發(fā)因素。

5 局部變形

局部變形是指設(shè)備殼體上出現(xiàn)局部的凹入或凸出的現(xiàn)象。局部變形會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性。造成局部變形的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或操作不規(guī)范。設(shè)備結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力集中，如開孔未按規(guī)定補(bǔ)強(qiáng)、焊縫交叉或過于密集等均可使材料的內(nèi)應(yīng)力超過屈服極限而發(fā)生塑性變形。而當(dāng)操作不規(guī)范時(shí)，就會(huì)使設(shè)備局部過熱，又因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度的降低就會(huì)在相應(yīng)的部位出現(xiàn)塑性變形。薄壁設(shè)備在外壓的情況下，若操作中實(shí)際工作壓力超過臨界壓力，設(shè)備容易被壓扁或產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象，即引起失穩(wěn)變形。

6 靜電和火花

由靜電造成的災(zāi)害性事故在化工廠主要表現(xiàn)為人體電擊和因火花放電引起的燃燒與爆炸。如樹脂類粉末在流動(dòng)時(shí)會(huì)因摩擦而帶電，若操作人員觸及運(yùn)輸這些帶電粉粒管道或設(shè)備即可遭電擊。當(dāng)人們無意中觸及其他帶靜電的金屬設(shè)備時(shí)也往往會(huì)感到不同程度的電擊。電擊雖然不會(huì)直接對(duì)人體產(chǎn)生很大危害，但操作人員可能因此而感到神經(jīng)緊張，甚至?xí)虿簧魉さ苟斐啥问鹿?。金屬設(shè)備不僅可以積蓄電荷，而且容易引起火花放電。這對(duì)處理可燃流體是一種潛在的不安全因素。特別是可燃性介質(zhì)在高速流動(dòng)時(shí)常因與金屬壁面摩擦造成的帶電和火花放電而引起爆炸。因此對(duì)易燃易爆性危險(xiǎn)場所可能產(chǎn)生靜電的物體必須采取靜電接地。對(duì)非易燃易爆性場所的設(shè)備如果因?yàn)殪o電妨礙生產(chǎn)操作從而影響產(chǎn)品質(zhì)量或使人體受到靜電電擊時(shí)也應(yīng)該采取靜電接地。在正常情況下對(duì)運(yùn)輸和盛裝易燃、易爆介質(zhì)的管道和設(shè)備應(yīng)每年檢測，檢查一次靜電接地情況是否良好。

總之，要想從根本上保證化工設(shè)備安全穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，就必須保證設(shè)備至始至終都處于良好的工作狀態(tài)。然而一旦設(shè)備故障率過高，就很難達(dá)到這樣的目標(biāo)。所以想方設(shè)法降低設(shè)備故障率是至關(guān)重要的。同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備的管理與維護(hù)，最終的目的也是讓設(shè)備無故障運(yùn)行或是出現(xiàn)故障后，可以在最短的時(shí)間內(nèi)修復(fù)。但由于化工生產(chǎn)是連續(xù)不斷運(yùn)行的，所以化工設(shè)備已經(jīng)接近于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。如果平時(shí)不注意設(shè)備管的理和設(shè)備的維護(hù)，或維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)、不到位，那么化工設(shè)備運(yùn)行過程中就會(huì)先出現(xiàn)小故障，小故障慢慢變成大故障，大故障如果不及時(shí)維修就會(huì)造成設(shè)備停車，給化工企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高設(shè)備的管理水平、加強(qiáng)維修保養(yǎng)的基礎(chǔ)能力、做到維修保養(yǎng)到位、強(qiáng)化日常保養(yǎng)對(duì)化工企業(yè)來說是非常重要的。