Анализ возможных причин повреждения аппаратов

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.

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.