化工設備的常見缺陷，故障及其危害的研究

（天津渤海石化有限公司,天津300000）

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

在生產中我們經常遇到的設備問題大致包括：設備內部積垢、設備泄漏、壁薄減厚、設備變形、設備生產裂紋以及電擊損壞。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。由于積垢造成的導熱性能下降，當設備工作表面積垢所造成的熱阻超出計算數值時，設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。與此同時又因為污垢比較粗糙的表面增大了流動摩擦力，使動力損失增加，或使流體的流量減小。

3）有效容積減小。污垢占據了設備的部分工作容積，特別是機械雜質的大量沉積，可使設備有效容積明顯減少。

4）加速壁面腐蝕。污垢附著在設備工作表面，往往會加速里內壁面的腐蝕，尤其是污垢中的微生物，在適當的溫度條件下，對壁面的腐蝕可能相當嚴重。

1.2 積垢原因

1）水垢。水垢是指依附在設備傳熱內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中，水垢通常是設備內表面結垢的主要形式。主要是由于鈣水垢的產生，在升高的溫度下鈣鹽沉淀從水中結晶。當熱水的pH值＞9時，水垢會沉淀下來。鱗狀水垢最初是柔軟的，但隨著傳熱條件的惡化導致鱗片結晶過程中失水，鱗片層逐漸硬化并牢固地附著在傳熱表面上。

2）晶體吸附。當設備的工作條件適合于鹽溶液晶體的沉淀時，可以在傳熱表面吸附由鹽溶液結晶形成的水垢。

3）雜質與沉積的有機物。流體灰塵、沙子、腐蝕產物脫落的碎片等被稱作雜質，藻類、菌類等稱為有機物。當流體中雜質和有機物較多，流體流速較小時，一些雜質和有機物會沉積在設備中，形成疏松的多孔或膠狀污垢。

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

5）設備結構材料的腐蝕。設備結構材料的腐蝕產物，有的是溶解在介質中，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，它總是作為腐蝕產物而存在于反應體系之外，因此，隨著腐蝕的不斷進行，鋼鐵表面附著的鐵銹就會越來越厚。

2 泄漏

2.1 泄漏

化工設備的泄漏分內漏和外漏兩種情況。內漏可以通過設備運行狀態或物料性質的變化來察覺，但是很難在生產運行中進行修補。外漏是指介質漏入大氣或由設備外部可以檢測的泄漏。設備的泄漏不僅浪費資源、能源和污染環境，而且影響設備的生產能力，嚴重時甚至造成停車。特別是一些易燃易爆、有毒有害物質的外漏，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安全生產的一大關鍵。

2.2 泄漏的主要原因

設備的泄漏主要是由于腐蝕造成的局部穿孔，應力腐蝕和交變應力或其他因素導致備連接的密封面失效。一臺設備連接部件的泄漏占總泄漏事故的80%以上。設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，具有結合強度高、拆卸方便等優點。由于凸緣通過多個螺栓連接，以確保密封墊片的密封性，因此往往會由于高溫和負荷波動，墊圈和螺栓的彈性降低，或各種原因造成的螺栓松動使密封面壓力減小，以及墊圈因介質的侵蝕而損壞或脫落，或者法蘭盤或墊圈表面有劃痕、雜質[2]。

至于法蘭盤偏斜、螺栓緊固不當造成的法蘭連接密封不良，屬于裝配問題。這在設備試車時或投入運行后不久即可發現。

3 壁厚減薄

設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，雖然這種腐蝕實際危害性并不大，但是如果經過長年累月的腐蝕和磨損后設備的壁厚已小于最小允許厚度則設備應降壓使用或報廢處理。局部性壁厚減薄通常會導致設備泄漏。在化工生產中可以造成設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，而且嚴重影響設備的強度。因為決定設備強度的是最弱載面的承載能力，當局部壁厚減薄至一定程度時，在該處就會產生破裂和泄漏。至于點蝕往往是在鄰近壁面并沒有明顯減薄的情況下，設備的個別地方就發生了穿孔和泄漏現象。

4 裂紋

裂紋是指設備殼體內或外表面出現的開裂現象，其危害主要是會導致設備發生泄漏甚至爆炸。當裂紋由初始狀態急劇擴張時，設備的整體強度也會受到嚴重影響，甚至造成斷裂事故。產生裂紋的主要原因可歸納如下：

1）局部變形。當局部變形所產生的應力超過材料的強度極限時，有可能造成設備的局部拉裂。

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

3）應力腐蝕。應力腐蝕是應力和介質共同作用的結果，是材料在特定環境下發生的。這種腐蝕往往先形成很窄的溝槽，而后在溝槽處引起開裂。在化工設備中經常出現。如介質中的氯化物容易引起奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕裂紋。合成氨生產中的氣柜常因硫化物的腐蝕而破裂等等。裂紋發生的部位大多在具有焊接應力的焊縫附近或材料有缺陷處。由于應力腐蝕的深度大而寬度小，如不進行預測性檢查，常可造成突然性的開裂事故。

4）氫損害。有時因焊接施工不當進入焊縫中的氫可向母材的熱影響區擴散，并溶解在金屬晶格中，從而形成較為緩慢的焊后開裂。這種開裂在焊接結束時并不能發現，但設備使用不久即可出現裂紋。

5）交變載荷。設備在交變載荷作用下發生破壞的主要形式為疲勞裂紋?；ぴO備的疲勞裂紋雖只局限于某一部位，很少裂通，但也會因發生泄漏而停車。對PDH生產中所用的高強度合金鋼，如初始疲勞裂紋未被發現，而繼續承受循環內壓，則有可能導致裂紋沿縱向急劇擴展，甚至造成斷裂引起嚴重事故。

6）水力沖擊。由水力沖擊造成的沖蝕和較高的局部應力也可能導致裂紋的產生。

7）材料缺陷。設備結構材料的缺陷，如鋼材軋制時夾渣、重皮和褶皺、焊接時的咬邊、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因素。

5 局部變形

局部變形是指設備殼體上出現局部的凹入或凸出的現象。局部變形會嚴重降低設備運行的可靠性。造成局部變形的主要原因是結構設計不合理或操作不規范。設備結構造成的應力集中，如開孔未按規定補強、焊縫交叉或過于密集等均可使材料的內應力超過屈服極限而發生塑性變形。而當操作不規范時，就會使設備局部過熱，又因為材料強度的降低就會在相應的部位出現塑性變形。薄壁設備在外壓的情況下，若操作中實際工作壓力超過臨界壓力，設備容易被壓扁或產生褶皺現象，即引起失穩變形。

6 靜電和火花

由靜電造成的災害性事故在化工廠主要表現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時會因摩擦而帶電，若操作人員觸及運輸這些帶電粉粒管道或設備即可遭電擊。當人們無意中觸及其他帶靜電的金屬設備時也往往會感到不同程度的電擊。電擊雖然不會直接對人體產生很大危害，但操作人員可能因此而感到神經緊張，甚至會因不慎摔倒而造成二次事故。金屬設備不僅可以積蓄電荷，而且容易引起火花放電。這對處理可燃流體是一種潛在的不安全因素。特別是可燃性介質在高速流動時常因與金屬壁面摩擦造成的帶電和火花放電而引起爆炸。因此對易燃易爆性危險場所可能產生靜電的物體必須采取靜電接地。對非易燃易爆性場所的設備如果因為靜電妨礙生產操作從而影響產品質量或使人體受到靜電電擊時也應該采取靜電接地。在正常情況下對運輸和盛裝易燃、易爆介質的管道和設備應每年檢測，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備安全穩定、運行可靠，就必須保證設備至始至終都處于良好的工作狀態。然而一旦設備故障率過高，就很難達到這樣的目標。所以想方設法降低設備故障率是至關重要的。同時加強設備的管理與維護，最終的目的也是讓設備無故障運行或是出現故障后，可以在最短的時間內修復。但由于化工生產是連續不斷運行的，所以化工設備已經接近于超負荷運轉的狀態。如果平時不注意設備管的理和設備的維護，或維護保養不及時、不到位，那么化工設備運行過程中就會先出現小故障，小故障慢慢變成大故障，大故障如果不及時維修就會造成設備停車，給化工企業帶來重大的經濟損失。因此，提高設備的管理水平、加強維修保養的基礎能力、做到維修保養到位、強化日常保養對化工企業來說是非常重要的。