5. Анализ возможных причин повреждений аппаратов

Основой для предупреждения повреждения технологического оборудования является его механическая прочность, под которой понимают способность материала воспринимать усилия рабочих нагрузок, не разрушаясь и не образуя пластических деформаций сверх предельно установленных величин.

Прочность технологического оборудования обеспечивается выбором материала, из которого оно изготовлено, и толщиной его стенки. При этом исходят из более неблагоприятных условий работы оборудования. И тем не менее на практике в технологических процессах производства нередки случаи повреждения аппаратов и трубопроводов и связанных с ними взрывов и пожаров.

В связи со сложным воздействием различных факторов на материал стенок аппаратов, причины повреждения технологического оборудования делят на три группы: повреждения, вызванные механическими, температурными и химическими воздействиями.

Механические воздействия. Различают три вида механических воздействий на материал стенок аппаратов и трубопроводов: образование повышенного или пониженного давления, воздействие динамических нагрузок и эрозионный износ.

А. Образование повышенного или пониженного давления. Изменение давления может быть вызвано нарушением материального и теплового балансов, процессов конденсации, попаданием легкокипящих жидкостей в объем высоконагретых аппаратов, а также нарушением протекания экзотермических химических процессов.

Нарушение материального баланса в общем случае может привести к образованию опасного перепада между внутренним и наружным (атмосферным) давлением, т, е. к повышению или понижению давления, когда по каким-либо причинам перестает соблюдаться равенство между суммой приходящих в аппарат веществ и суммой уходящих из аппарата веществ. Это может произойти в результате несоответствия между подачей веществ в аппарат и их расходом, соединения аппаратов с разным рабочим давлением, а также увеличения сопротивления в трубопроводных линиях.

Несоответствие между подачей веществ в аппарат и их расходом возникает в результате изменения расхода веществ, при завышенной или заниженной подаче насосов и компрессоров. Проведение операции наполнения без отвода веществ, при достижении предельного уровня и несвоевременного отключения насосов или компрессоров возникает опасность переполнения и повреждения этих аппаратов.

Соединение аппаратов с разным рабочим давлением является распространенным решением, применяемым в технологических процессах производств. Нормальное функционирование таких аппаратов обеспечивается путем их соединения между собой через специальные устройства автоматического регулирования (путем редуцирования) давления.

Увеличение сопротивления в трубопроводных линиях может быть вызвано уменьшением живого (проходного) сечения при образовании в них отложений или неполном открывании задвижек. Опасность изменения давления значительно повышается при использовании насосов и компрессоров. В данном случае ротационные.

Трубопроводы через определенные отрезки времени подвергают очистке.

Для предупреждения повышения или снижения давления при образовании отложений (пробок) целесообразно вместо насосов объемного действия использовать центробежные насосы, как в данном случае.

Нарушение теплового баланса происходит в результате изменения соотношения между суммой теплоты прихода и ухода. При этом в аппаратах и трубопроводах изменяется рабочая температура и, как следствие, повышается или понижается давление в результате изменения упругости насыщенных паров и объема веществ, при их тепловом нагреве или охлаждении.

Нагревание или охлаждение даже на небольшую величину может вызвать заметное увеличение или уменьшение давления и таким образом привести к повреждению аппаратов или трубопроводов.

Профилактика повреждения технологического оборудования с жидкостями при нарушении теплового баланса осуществляется путем предупреждения нарушения температурного режима и защиты аппаратов и трубопроводов устройствами для стравливания избыточного давления и гашения вакуума. Эффективной мерой защиты аппаратов с жидкостями является также соблюдение допустимой (безопасной) степени заполнения - не более 0,9...0,95.

Для предупреждения нарушения безопасной степени заполнения емкостные аппараты с огнеопасными жидкостями обеспечиваются устройствами, исключающими их переполнение, или автоматическими сигнализаторами предельного уровня.

Нарушение процесса конденсации паров может быть вызвано изменением материального и теплового балансов, так как в его основе лежат процессы тепломассообмена.

Во всех случаях процессы испарения жидкостей сочетаются с конденсацией паров, которую осуществляют путем охлаждения паровой (а иногда и парогазовой) смеси с использованием специальных холодильников или холодильников-конденсаторов. Конденсация паров в этих аппаратах может уменьшиться или прекратиться полностью. При этом количество пара в системе постепенно увеличится, что вызовет повышение давления.

Причиной нарушения процесса конденсации паров является снижение расчетного теплового потока через стенку теплообменной поверхности конденсатора от пара к хладоагенту.

Попадание в объем высоконагретых аппаратов легкокипящих жидкостей связано с их быстрым испарением и резким увеличением за счет этого давления. При значительной разности температур испарение может протекать настолько быстро, что образующиеся пары легкокипящей жидкости успевают за время контакта с высоконагретой поверхностью аппарата или высококипящей жидкостью сильно перегреться. При этом формируется ударная волна, разрушающее действие которой в несколько раз больше статического давления.

Для предупреждения вскипания легкокипящей жидкости стремятся исключить ее попадание в объем высоконагретых аппаратов (для этого на паровых линиях устанавливают конденсатоотводчики, исключают ручное переключение материальных потоков и широко применяют технологические процессы с автоматическим программным управлением), а также полный ее слив или испарение из аппаратов перед подачей в них высоконагретых жидкостей с высокой температурой кипения.

Нарушение экзотермических химических процессов также связано с возможностью образования повышенного давления в результате более интенсивного выделения тепла и образования побочных парогазообразных продуктов в зоне реакции.

Скорость тепловыделения и образования побочных продуктов в общем случае определяется скоростью химической реакции, которая, в свою очередь, зависит от условий выделения и отвода тепла, а также интенсивности образования и отвода побочных продуктов, т. е. теплового и материального балансов.

Рост давления может происходить также в результате несвоевременного отвода из зоны реакции побочных парогазообразных продуктов. Это происходит чаще всего при неисправности отводящих и стравливающих линий, при образовании в них пробок.

Б. Воздействие динамических нагрузок. Динамические нагрузки могут появиться при резком (импульсном) изменении давления, появлении гидравлических ударов, вибрации и внешних механических ударов.

Резкое изменение давления чаще всего наблюдается в периоды неустановившегося режима работы технологического оборудования: при пуске и остановке, при значительном нарушении температурного режима и давления. Особую опасность представляет пульсирующее изменение давления: несколько раз повторяющееся резкое увеличение с последующим уменьшением давления. Для предупреждения образования динамических воздействий на стенки аппаратов и трубопроводов в периоды пуска и остановки, а также при переходе с одного режима на другой обеспечивают плавное изменение давления.

Гидравлические удары возникают в результате резкого торможения движущегося потока жидкости в трубопроводных линиях чаще всего при быстром закрывании или открывании вентилей, кранов и другой запорной арматуры, при внезапном изменении направления движения потока. Вследствие этого - в стенках аппарата появление опасных внутренних напряжении.

Вибрация технологического оборудования возникает в результате повторяющихся с определенной частотой изменений внутреннего давления или при воздействии внешних возмущающих сил и представляет собой определенной частоты и амплитуды механические колебания технологического оборудована или отдельных его элементов, что приводит к появлению локальных повреждений во фланцевых соединениях, сварных швах. Источником вибрации могут быть насосы, компрессоры, аппараты с перемешивающими устройствами и т. п.

Внешние механические удары могут быть вызваны технической неисправностью и нарушением работы внутрицехового транспорта (мостовых кранов, талей, подъемников, колесного транспорта, транспортерных устройств и т. п.), применением в периоды ремонта инструментов ударного действия и т. п.

В. Эрозионный износ. Механический износ материала стенок аппарата или трубопровода под действием движущейся среды называется эрозией. Эрозия происходит при обтекании стенок потоком твердых, жидких или газообразных веществ, а также при действии электрических разрядов. В результате такого износа могут возникнуть опасные внутренние напряжения в стенках аппаратов и трубопроводов даже при нормальных рабочих нагрузках, т. е. без отклонения от нормального режима технологии.

Исходя из главного разрушающего фактора, различают эрозию газовую, абразивную, кавитационную, электрическую и ультразвуковую.

Температурные воздействия. При воздействии температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов возникает опасность их повреждения в результате появления температурных напряжений и изменения механических свойств металлов (действие высоких и низких температур).

Температурные напряжения в металле возникают при изменении температуры стенок аппаратов и трубопроводов под воздействием внутреннего или внешнего тепла как следствие изменения линейных размеров отдельных элементов, узлов или конструкции (аппарата или трубопровода) в целом. Температурные напряжения могут возникать только тогда, когда конструкция аппарата или трубопровода препятствует свободному изменению ее линейных размеров.

На практике температурные напряжения возникают при жестком креплении трубопроводов, неодинаковой температуре отдельных элементов аппарата сложной конструкции (например, в кожухотрубчатых теплообменниках), в толстостенных аппаратах и в аппаратах, изготовленных из разнородных металлов, при резком изменении температуры (например, при пуске и остановке аппаратов, при попадании на нагретую поверхность компактной водяной струи во время тушения жара).

Действие высокой температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов может быть вызвано производственной необходимостью (например, высокой рабочей температурой в аппаратах огневого действия) или быть следствием аварии и пожара на установке. Высокая температура может вызвать значительное снижение механических (прочностных) свойств металлов и, следовательно, появление медленно нарастающих во времени пластических деформаций даже тогда, когда напряжение от рабочих нагрузок не будет превышать предела текучести данного материала. Это явление носит название ползучести (крипп). При появлении признаков ползучести металлов возникает реальная угроза повреждения аппарата или трубопровода.

Действие низкой температуры на производственное оборудование может быть связано с осуществлением технологических процессов, в которых в качестве хладоагентов используются сжиженные газы, имеющие весьма низкую температуру кипения.

При неправильном выборе материала или его переохлаждении низкие температуры могут вызвать изменение механических свойств и, в частности, снижение ударной вязкости металлов.

Потеря ударной вязкости при действии других сопутствующих факторов (вибрации, гидравлических ударов и т. п.) приводит сначала, как правило, к образованию трещин в стенках аппаратов. При этом возникает реальная угроза полного их разрушения даже под действием нормальных рабочих нагрузок при отсутствии каких-либо признаков нарушения технологического режима работы аппаратов.

Химические воздействия. В результате химического воздействия агрессивных веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе, а также внешней среды на стенки аппаратов происходит постепенное уменьшение их толщины или снижение механических свойств металла. При этом исчерпывается предел прочности металла, когда стенки аппарата уже не могут противостоять даже нормальным рабочим нагрузкам, и происходит их повреждение. Разрушение металла под воздействием соприкасающейся с ним среды называется коррозией.

Различают три вида коррозии: прямое химическое воздействие — химическая коррозия, воздействие в результате электрохимических реакций — электрохимическая коррозия и воздействие на металл микроорганизмов— биохимическая коррозия (в чистом виде она встречается редко и поэтому здесь не рассматривается).

Химическая коррозия протекает в среде жидких диэлектриков (неэлектролитов), нагретых до высоких температур, при отсутствии влаги на поверхности металла. К жидким неэлектролитам, можно отнести многие органические (бензол, толуол, бензин, керосин, мазут и т. п.) и неорганические (жидкий бром, расплавленная сера, жидкий фтористый водород и т. п.).

Химическая коррозия в зависимости от ведущего фактора процесса подразделяется на кислородную, сероводородную, серную и водородную.

При кислородной коррозии химические реакции, протекающие на поверхности металла, относят к двум типам реакций: окислению железа до окислов образованием окисной пленки в виде окалины и реакции обезуглероживания с участием карбида железа.

Серная и сероводородная коррозия металлов в среде углеводородных жидкостей — нефти и нефтепродуктах. Такие продукты на данном производстве отсутствуют.

Водородная коррозия по своему механизму является межкристаллитной. Процесс проникновения водорода в структуру металла вызывает так называемую водородную хрупкость, которая характеризуется резким снижением прочности металла. Давление и уменьшение объема металла вызывают появление многочисленных микротрещин, которые и снижают механическую прочность металла.

Защиту технологического оборудования от химической коррозии обеспечивают применением жаростойких сталей с легирующими добавками, которые способствуют образованию на поверхности металлов химически устойчивых защитных пленок; специальных жаростойких покрытий (сплавов железо—алюминий, железо — хром, смесью металла с окислами или с керамикой и т. п.); созданием защитной газовой среды, которая в зависимости от природы металла не должна содержать окислителей (для стали) или восстановителей (для меди и ее сплавов). Часто для этих целей применяют инертные газы — азот и аргон.

Электрохимическая коррозия по сравнению с другими видами наиболее часто встречается в условиях производства. Она проявляется всегда, когда поверхность металла вступает в контакт с электролитом, в котором происходит растворение металла.

К электрохимической коррозии относятся: атмосферная коррозия, протекающая во влажном воздухе при температуре окружающей среды; морская коррозия; подземная (грунтовая) коррозия и электрокоррозия или коррозия блуждающими токами (токами утечки).