Причины повреждения технологического оборудования

 

Причины повреждения технологического оборудования принято классифицировать следующим образом:

- повреждения в результате механических воздействий;

- повреждения в результате температурных воздействий;

- повреждения в результате химических воздействий.

Повреждения технологического оборудования в результате механических воздействий

Под механическими воздействиями обычно понимают такие воздействия, которые возникают в результате превышения расчетных нагрузок на оборудование при сохранении его расчетной прочности

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

Изменение давления вызывается:

– нарушением материального баланса;

– нарушением теплового баланса;

– нарушением процессов конденсации;

– попаданием легкокипящих жидкостей в объем высоконагретых аппаратов;

– нарушением протекания экзотермических химических процессов.

Наиболее характерным механическим воздействием является чрезмерное внутреннее давление, возникающее в аппарате при переполнении технологического оборудования жидкостями или газами. Такое явление может иметь место на производстве при нарушении технологического режима, при недостаточном контроле за технологическим процессом, при неисправности контрольно-измерительных приборов и защитной автоматики.

В мерниках, резервуарах и других «дышащих» (связанных с атмосферой) емкостных аппаратах повышенное давление может образоваться из-за отсутствия условий своевременного удаления вытесняемой паровоздушной смеси (при наполнении аппарата жидкостью). Это чаще всего происходит при загрязнении или обледенении огнепреградителя, когда пропускная способность дыхательной системы не соответствует скорости налива. Те же причины могут привести и к образованию вакуума при опорожнении резервуара, вызвав смятие его корпуса. Пропускная способность дыхательных линий и установленных на них дыхательных клапанов должна соответствовать скорости закачки жидкости в резервуар. При этом следует учитывать выделение из жидкости растворенных газов, особенно при закачке нестабильных нефтей и бензинов.

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) возникает в результате нарушения температурного режима работы. Температурный режим может быть нарушен из-за перегрева жидкостей и газов, находящихся в этих аппаратах. Перегрев же может произойти при отсутствии или неисправности контрольно-измерительных приборов, недосмотре обслуживающего персонала, воздействии высоконагретых соседних аппаратов, в результате повышения температуры окружающей среды. При этом давление в аппаратах возрастает за счет объемного расширения веществ и увеличения упругости их паров и газов.

В герметичном аппарате с газами или перегретыми парами давление увеличивается прямо пропорционально возрастанию их температуры. В аппаратах, баллонах и трубопроводах со сжатыми газами опасное повышение давления возможно лишь при значительном повышении температуры.

Особую опасность представляют герметичные емкости и трубопроводы, сплошь заполненные жидкостью или сжиженным газом без оставления парового пространства. Так как жидкости практически несжимаемы, нагревание их даже до невысоких температур вызывает очень большие внутренние давления, приводящие к повреждениям и разрыву стенок.

Повышение температуры на величину ∆t вызывает увеличение объема жидкости, находящейся в сосуде, и некоторое изменение объема самого сосуда, причем объем жидкости изменяется в значительно большей степени, чем объем сосуда. Стенки сосуда гасят стремление жидкости к расширению, как бы сжимают ее, за счет чего в сосуде возникает избыточное давление.

Приращение давления в герметичном аппарате или на участке трубопровода, полностью заполненном жидкостью, при повышении температуры определяют по формуле:

          ⁽²⁶⁾

где β – коэффициент объемного расширения жидкости, К ;

β_сж – коэффициент объемного сжатия жидкости, м /Н (Па );

α – коэффициент линейного расширения материала стенок аппарата, 1/К;

 – изменение температуры в аппарате, ⁰С.

 

При проведении технических расчетов можно пользоваться упрощенной формулой (погрешность расчета при этом не превышает 5-7%):

          ⁽²⁷⁾

Допустимую степень заполнения емкостных аппаратов жидкостью рассчитывают по формуле:

        (28)

где ε – степень заполнения аппарата;

– предельный ожидаемый перепад температур, который может наблюдаться при эксплуатации аппарата.

 

Давление в аппарате может повыситься также в результате попадания в аппарат низкокипящей жидкости (через неплотности теплообменников, по ошибке, в виде конденсата).

Приращение давления Δ Р в аппарате при попадании в него жидкости и ее испарении определяется по формуле:

        ⁽²⁹⁾

где Р₀ – атмосферное давление, Па;

m – масса жидкости, попавшей и испарившейся в аппарате, кг;

V – объем паров, образующихся при испарении 1 кг жидкости (при температуре аппарата) м³/кг;

V _св – свободный объем аппарата, м³.

 

Чрезмерное внутреннее давление в аппарате (трубопроводе) создается при наличии в нем отложений и пробок. На стенках аппаратов (трубопроводов) могут иметь место отложения солей, кокса, полимеров, кристаллогидратов, грязи.

Потери давления в линиях можно определить по формуле Дарси - Вейсбаха:

  ⁽³⁰⁾

где λ – коэффициент трения при движении жидкости или газа по трубопроводу;

d – диаметр трубы, м;

ρ – плотность вещества, кг/м³;

w – скорость потока, м/с;

L – длина трубопровода, м.

Повышение давления в газовых линиях может происходить из-за попадания в них жидкости (газового дистиллята, водяного конденсата), образующей пробки в коленах, изгибах и наиболее низких участках. Жидкие пробки в линии вызывают гидравлические удары и временное прекращение подачи газа к месту потребления.

Воздействие динамических нагрузок.

Динамические нагрузки вызывают образование внутренних напряжений в конструкциях аппарата значительно выше тех, которые могут возникнуть от статических нагрузок. При расчете аппаратов и трубопроводов необходимо учитывать возможность действия динамических нагрузок.

Динамические нагрузки проявляют себя:

– при резких изменениях величины давления в аппаратах,

– при гидравлических ударах,

– в результате вибраций,

– внешние воздействия.

Гидравлические удары образуются в результате резкого торможения движущегося потока жидкости или газа. Воздействию гидравлических ударов подвержены чаще всего трубопроводы и насосы. Гидравлические удары возникают обычно в результате быстрого закрывания или открывания вентилей на трубопроводах, при больших пульсациях подаваемой насосами жидкости, при резком изменении давления на каком-либо из участков трубопровода.

Приращение давления в трубопроводе при гидравлическом ударе определяют по формуле Н.Е.Жуковского:

(31)

где с – скорость распространения ударной волны, м/с,

    ⁽³²⁾

Е_ж – модуль упругости жидкости, Па, модуль упругости жидкости – величина, обратная коэффициенту сжимаемости жидкостей β_сж;

r _t – плотность жидкости при рабочей температуре, кг/м³;

d – внутренний диаметр трубы, м;

Е – модуль упругости материала трубы, Па;

δ – толщина стенки трубы, м;

D w – уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводе, м/с.

Эрозионный износ.

Опасные внутренние напряжения в конструкции могут возникнуть даже при нормальных рабочих нагрузках, если в результате механического воздействия обрабатываемой среды будет уменьшаться толщина материала стенки аппарата или трубопровода.

Различают эрозию газовую, абразивную, кавитационную, электрическую, ультразвуковую.

 

Повреждения технологического оборудования в результате температурных воздействий

Повреждение технологического производственного оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.

Температурные перенапряженияв материале, из которого изготовлены аппараты и трубопроводы, наступают тогда, когда есть препятствия линейному изменению отдельных элементов (узлов) или конструкции в целом.

Если аппарат (трубопровод) при изменении температуры свободно меняет свои размеры, то повреждения не произойдет. При этом изменение длины будет равно:

,         (33)

где ∆ l_t – изменение длины, м;

α_t – коэффициент линейного расширения, 1/град;

∆ t – изменение температуры, град;

l – длина конструкции, м.

 

 

Температурные напряжения наблюдаются:

– при жестком креплении трубопроводов;

– при наличии в аппаратах биметаллических конструкций или конструктивных элементов, находящихся под воздействием неодинаковых температур;

– в толстостенных конструкциях;

– при местных изменениях температур в материале аппарата.

Высокое температурное напряжение в материале труб, если не принять мер к его устранению, может разрушить трубопровод, арматуру, опоры и нанести повреждение оборудованию (насосам, фильтрам и т. п.) и резервуарам.

При поверочных расчетах толстостенных конструкций температуру наружной и внутренней поверхностей стенки принимают исходя из максимально возможного перепада температур как в процессе работы, так и в периоды пуска и остановки аппарата.

Длительное воздействие высоких температур на материал, из которого изготовлены технологические аппараты, приводит к появлению медленных пластических деформаций в этих аппаратах даже в тех случаях, когда напряжение от рабочих нагрузок не превышает предела текучести (при данной температуре). Такое явление носит название ползучести (крипа). Особенно существенные изменения в условиях длительной работы под нагрузкой при высокой температуре претерпевают углеродистые стали. Легированные и жаропрочные стали при действии высоких температур изменяют свои механические свойства незначительно.

Воздействие высоких температур на материал аппаратов возникает при ококсовании и загрязнении их теплообменной поверхности, при снижении в них уровня жидкости, в результате повреждения защитной футеровки. Подобные явления называют прогаром стенок.

Повреждение технологического оборудования может наступить в результате воздействия не только высоких, но и низких температур. При низких температурах работают холодильные установки (аммиачные, пропановые и другие), установки газофракционирования (при температуре минус 30 ⁰С и ниже); установки по производству жидкого воздуха, кислорода и азота (при температуре минус 180 ⁰С и ниже), а также установки, находящиеся на открытых площадках в районах Урала, Сибири и Крайнего Севера. В этих условиях эксплуатации оборудования возникает опасное явление хладоломкости стали, связанное с падением ударной вязкости.

Ударная вязкость углеродистых сталей резко (скачкообразно) падает при снижении температуры. Потеря ударной вязкости может привести к образованию трещин, а иногда к полному разрушению аппаратов из этих сталей даже при действии нормальных рабочих нагрузок.

С увеличением количества углерода и фосфора в стали хрупкость ее увеличивается. Анализ происшедших повреждений аппаратов показал, что почти во всех случаях имело место сочетание нескольких причин: хрупкость металла при низких температурах, жесткость конструкций (особенно сварных), значительные внутренние перенапряжения в отдельных узлах, появляющиеся под влиянием дополнительных факторов — перепада температуры, действия ветра, динамичности нагрузок и т. п.

При эксплуатации технологических аппаратов в условиях низких температур чаще всего наблюдаются случаи повреждения резервуаров и емкостей с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, а также со сжиженными газами, причем почти все случаи полного разрушения аппаратов происходят по одной и той же схеме: разрушается наиболее нагруженный конструктивный элемент — корпус резервуара, заполненный продуктом. Разрушается он по ломаной линии на полную высоту стенки, а затем в результате радиального усилия, связанного с выливанием большого количества жидкости, корпус отрывается от днища и отбрасывается в сторону. Одновременно крыша резервуара обрушивается на днище, которое обычно остается на месте или немного сдвигается в сторону.

Кроме случаев полного разрушения стенок резервуара часто на­блюдаются случаи образования трещин, нарушающих герметичность и создающих опасность дальнейшей эксплуатации резервуаров. Трещины в резервуарах появляются, как правило, в наиболее холодные месяцы года.

Аппараты и трубопроводы, работающие в условиях низких тем­ператур, чувствительны к различного рода динамическим воздействиям (ударам, сотрясениям и т. п.).

Повреждения технологического оборудования в результате химического воздействия

Обращающиеся в технологическом процессе вещества и окружающая среда вступают в химическое взаимодействие с материалом, из которого изготовлено технологическое оборудование, вызывая его разрушение. Разрушение материала в результате взаимодействия с соприкасающейся с ним средой называется коррозией.

Явление коррозии чаще всего наблюдается в производствах, связанных с использованием азотной, серной, соляной кислот, уксусной кислоты и уксусного альдегида, в процессах добычи, хранения и переработки сернистых нефтей, в процессах электролиза, во время обработки жидкостей и газов, в состав которых входят галоидоводороды, кислоты, щелочи, хлористые и сернистые соли. Значительной коррозии подвержены теплообменные поверхности, омываемые пламенем, подземные и подводные части аппаратов и трубопроводов, а также аппараты и трубопроводы, находящиеся во влажной среде.

Разрушающему действию коррозии наиболее подвержены слабые места производственного оборудования: швы, разъемные соединения, прокладки, места изгибов и поворотов труб.

Различают три вида коррозии:

Химическая коррозия – протекает в среде жидких неэлектролитов или газов, нагретых до высоких температур. Сюда относятся:

– кислородная,

– серная и сероводородная,

– водородная коррозия.

Электрохимическая коррозия – протекает в среде электролита, в котором происходит растворение металла.

Биохимическая коррозия - воздействие на металл микроорганизмов.

Химическая коррозия наблюдается в среде жидких диэлектриков или газов, нагретых до высоких температур. Это окислительно-восстановительный химический процесс. К которому относят кислородную, сероводородную, серную, а также водороднуюи некоторые другие виды коррозии в аппаратах с температурными режимами от 200 ^оС и выше.

Серная и сероводородная коррозия наблюдается при перера­ботке сернистого сырья в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, коксобензольной и газовой отраслях промышленности, а также при производстве серы и сероуглерода

Водородная коррозия, характерная для процесса производства аммиака, процессов гидрогенизации, гидроочистки и риформинга нефтепродуктов, особенно сильно проявляется при высоких давлениях и температурах.

Электрохимическая коррозия представляет собой процесс растворения металлов в электролитах в результате действия образующихся гальванических пар.