2.7 Анализ возможных причин повреждения аппарата

Определить истинную причину повреждения не всегда бывает просто, так как кажущаяся на первый взгляд очевидной причина повреждения в действительности может являться следствием ряда других взаимосвязанных между собой явлений.

Причины повреждений производственного оборудования можно разделить на три группы.

Рис. 3

Механическая прочность технологического оборудования является необходимым условием для обеспечения его безопасной эксплуатации. Под механической прочностью понимают способность материала воспринимать усилия рабочих нагрузок, не разрушаясь и не образуя пластических деформаций сверх предельно установленных величин.

В основе работы технологического устройства лежит материальный и энергетический (тепловой) балансы. Согласно материальному балансу масса исходных веществ ΣG_пр процесса должна быть равна массе его конечных продуктов ΣG_ух независимо от того, каким изменениям оно подверглось в данном аппарате.

Если ΣG_пр = ΣG_ух, то в аппарате будет сохраняться нормально установленное для него давление. Если же по каким-либо причинам указанное равенство нарушится, то в аппарате образуется повышенное или пониженное давление. Давление будет возрастать в том случае, когда поступление веществ в аппарат или трубопровод будет возрастать при неизменном расходе или когда расход веществ будет уменьшаться при постоянном поступлении, т.е. когда

ΣG_пр > ΣG_ух. (1)

Нарушение материального баланса происходит при несоответствии производительности насосов и компрессоров принятой интенсивности заполнения аппаратов или действительному расходу продуктов; в случае неправильного соединения аппаратов, работающих с различными давлениями; когда увеличены сопротивления в расходных, дыхательных линиях и т.д. Всякое изменение в расходе должно сопровождаться изменениями в производительности насоса. Если насос будет работать с той же производительностью при сниженном расходе или производительность насоса возрастает в результате в результате увеличения числа оборотов вала или числа ходов поршня, то это неизбежно приведёт к образованию повышенного давления.

Ещё одними из видов механического воздействия являются эрозионный износ и динамические нагрузки. Эрозионный износ характеризуется механическим износом материала аппарата в результате его воздействия на него движущейся рабочей среды как разрушающего элемента. При газовой эрозии (газообразный аммиак) металл разрушается под действием быстродвижущейся или ударяющейся о преграду струи газов. Динамические нагрузки характеризуются перерывами в работе, гидравлическими ударами и вибрациями технологического оборудования, вследствие чего возникает нагрузка на трубопровод, запорную арматуру и корпус аппарата (в период остановка и пуск компрессора, а также при нормальном режиме работы).

Весьма опасным случаем является образование повышенных давлений в аппаратах и трубопроводах при нагревании находящихся жидкостей и газов выше установленного предела. При повышении рабочей температуры давление в аппаратах возрастает за счёт объёмного расширения веществ и увеличения упругости паров и газов.

В аппаратах с наличием газов или перегретого пара давление при повышении температуры увеличивается пропорционально её возрастанию.

Для компрессора характерны температурные напряжения как для толстостенного аппарата (d_нар / d_вн > 1,1). В толстостенных аппаратах, работающих как при повышенной, так и при пониженной температурах, степень нагретости внутренней и наружной поверхности стенок различна. Температурный перепад по толщине стенки, как и неодинаковый нагрев отдельных участков, и особенно при резком изменении рабочих температур, может вызвать опасные по величине температурные напряжения. По этой причине неоднократно происходили аппаратов и серьёзные аварии.

Резкое изменение рабочей температуры или температуры окружающей среды приводит к перепаду температур в материале стенки аппарата или трубопровода и может вызвать опасные температурные напряжения.

При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих механические свойства металлов и их сплавов.

Анализ произошедших повреждений аппаратов при низких температурах показал, что все они являются следствием сочетания хрупкости металла при низких температурах с жёсткостью конструкций (особенно сварных) и концентрацией значительных внутренних напряжений в отдельных узлах, появляющихся под влиянием дополнительных факторов (перепады температуры, действие ветра, динамичность нагрузок и т.п.)

Под химическим износом понимают уменьшение толщины или прочности стенок аппаратов в результате химического взаимодействия материала с обрабатываемыми веществами или внешней средой.

Процесс коррозии может протекать двумя путями: прямым химическим взаимодействием и в результате электрохимических реакций, сопровождающихся протеканием электрического тока между отдельными участками металла.

Химическая коррозия – это чаще всего «газовая» коррозия. Так, например, при взаимодействии металла с газообразным кислородом получаются окислы металлов

4Fe + 3О₂ → 2 Fe₂ О₃. (2)

Окисел (ржавчина, окалина) не обладает механической прочностью и легко отслаивается от металла. Естественно, что скорость окисления увеличивается с повышением температуры и парциального давления кислорода, а также, если создаются условия для перехода кислорода в атмосферное состояние.

Электрохимическая коррозия представляет собой процесс растворения металлов в электролитах и часто носит межкристаллитный характер. Этот вид коррозии наиболее часто встречается в практике эксплуатации аппаратов и трубопроводов.

К электрохимической коррозии относится: атмосферная коррозия (протекающая во влажном воздухе, имеющем примеси агрессивных паров и газов); коррозия, протекающая в водных растворах химических веществ; коррозия в растворах кислот, щелочей, солей и т.п.; коррозия в расплавленных солях; почвенная коррозия, т.е. коррозия подземных аппаратов и сооружений.