發(fā)布日期：2026-1-6 10:23:49
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油需求量迅速增長，2023 年石油原油產(chǎn)量突破 2.09 億噸，原油進(jìn)口量更是達(dá)到 5.9 億噸｡為了保障能源戰(zhàn)略安全，確保經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，我國在各地修建了大量石油儲存及加工廠｡石油儲存及加工離不開化工設(shè)備，包括反應(yīng)設(shè)備､輸送設(shè)備､分離設(shè)備､加熱設(shè)備､冷卻設(shè)備､容器及儲存設(shè)備和工藝管道設(shè)備｡在實際運(yùn)行中，化工設(shè)備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，存在腐蝕､高溫高壓､磨損､應(yīng)力等工況，長期運(yùn)行極易產(chǎn)生失效問題，而且不能準(zhǔn)確預(yù)測失效在何時何地發(fā)生｡出現(xiàn)多起因損傷失效而導(dǎo)致設(shè)備故障，造成了不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失 [1-3]｡
因此，本文總結(jié)了特殊環(huán)境中化工設(shè)備失效問題，研究化工設(shè)備的失效特征與機(jī)理，為化工設(shè)備的防護(hù)發(fā)展方向提供建議，達(dá)到降低化工設(shè)備損傷，進(jìn)而減少經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失的目的｡
1、特殊環(huán)境中化工設(shè)備損傷研究現(xiàn)狀
化工設(shè)備在使用中不可避免在特殊環(huán)境中運(yùn)行，例如，腐蝕性環(huán)境､磨損環(huán)境､高溫高壓環(huán)境､及復(fù)合環(huán)境，這些環(huán)境中運(yùn)行使化工設(shè)備的損傷機(jī)制和損傷形式各有不同｡
1.1 腐蝕環(huán)境中化工設(shè)備損傷現(xiàn)狀
腐蝕環(huán)境中運(yùn)行的化工設(shè)備常年受到腐蝕離子的侵蝕作用，例如硫離子､氯離子等，為保證石油化工設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要研究化工設(shè)備的腐蝕機(jī)理，進(jìn)而制定防護(hù)策略｡費(fèi)璟璐 [4] 等人對化工設(shè)備中的蒸汽異徑管失效開展研究，該異徑管短時間內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕問題，分析得出蒸汽管道中過量的氯離子是導(dǎo)致點蝕和沖刷腐蝕的根本原因｡針對這方面的研究，Yuping Liu､J.G. Castaño [5-6] 等研究不同介質(zhì)環(huán)境中腐蝕機(jī)理，其中硫離子中的鹽酸降低了鈍化膜的防護(hù)能力，導(dǎo)致加速腐蝕｡而在氯離子環(huán)境中，溶解在液膜層中的氯離子會影響金屬上液膜層的導(dǎo)電性，增加腐蝕產(chǎn)物的溶解度，并導(dǎo)致鈍化膜的破壞｡而 Y. Ma [7] 等發(fā)現(xiàn)低碳鋼表面的 β-FeOOH 相只有氯離子含量高的環(huán)境中才能檢測到，并且 β-FeOOH 相的存在加速了腐蝕過程，在 Cl 離子濃度低的情況下，腐蝕產(chǎn)物主要是 γ-FeOOH 和 α-FeOOH｡田雨 [8] 等總結(jié)得到化工設(shè)備的腐蝕來源有三種：一､化工廠使用的化學(xué)試劑自身存在一定的腐蝕性；二､油裂解反應(yīng)生成的物質(zhì)多為腐蝕性物質(zhì)；三､生產(chǎn)設(shè)備自身發(fā)生電化學(xué)腐蝕｡
1.2 磨損環(huán)境中的損傷現(xiàn)狀
化工設(shè)備在運(yùn)行過程中相互接觸的構(gòu)件不可避免地出現(xiàn)磨損現(xiàn)象｡張清道 [9] 研究化工用轉(zhuǎn)爐失效問題，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐托輪磨損嚴(yán)重，更換性能更好托輪，但磨損程度并未減輕｡王新明 [10] 等人對化工設(shè)備磨損的問題進(jìn)行分析，得到軸瓦表面出現(xiàn)較為清晰的分界線，磨損深度在 0.3 mm 左右，伴隨粗糙度增加｡磨損表面有許多分布著無規(guī)則性凹坑，伴隨磨屑存在，凹坑直徑為 30~125μm, 深度為 5~9μm｡分析表明，軸瓦配合中未形成油膜是導(dǎo)致磨損的根本原因，會造成軸瓦表面因高溫磨損產(chǎn)生顆粒，導(dǎo)致軸瓦磨損｡此外，滕爍 [11] 等人發(fā)現(xiàn)化工運(yùn)輸管道的沖蝕失效問題，通過 Fluent 中的 DPM 和 k-ε 模型模擬管道的多相流沖蝕現(xiàn)象，結(jié)果表明，在彎頭內(nèi)側(cè) 45° 區(qū)域流場壓強(qiáng)､流速最大，同時沖蝕量在此處達(dá)到最大｡其中，Rui Zhou [12] 等人對失效過程中的接觸載荷和應(yīng)力演變進(jìn)行了總結(jié)，隨著磨損導(dǎo)致的徑向游隙增大，軸承的載荷區(qū)和受載滾子數(shù)量減少｡最大載荷滾子上的接觸載荷增加，而其他滾子分擔(dān)的載荷減少｡內(nèi)圈滾道的接觸應(yīng)力大于外圈滾道，且隨著軸承磨損程度的增加，內(nèi)圈和外滾道的接觸應(yīng)力均上升，其中內(nèi)圈滾道的上升幅度大于外圈滾道｡總之，化工設(shè)備磨損失效，主要集中在相接觸的構(gòu)件，在外部載荷､摩擦､沖擊等作用下產(chǎn)生剝離或轉(zhuǎn)移｡
1.3 高溫高壓環(huán)境中的損傷現(xiàn)狀
近年來，化工設(shè)備在高溫高壓環(huán)境下發(fā)生失效的事故越來越多｡其中法蘭是典型的失效構(gòu)件，高溫高壓環(huán)境中法蘭泄露失效，影響整個化工系統(tǒng)安全 [13]｡劉川 [14] 等人針對法蘭失效的事故原因進(jìn)行了深入分析，總結(jié)出三個原因：一､法蘭出現(xiàn)溫差應(yīng)力；二､法蘭筒壁溫度升高會產(chǎn)生膨脹變形，造成泄漏；三､法蘭墊片承載的壓力增大，導(dǎo)致泄漏事故｡高溫高壓環(huán)境下，除了法蘭泄露失效之外，還會高溫腐蝕失效｡孫玉蓮 [15] 等人研究發(fā)現(xiàn)石油在高溫環(huán)境下，原油自身存在的腐蝕元素能與設(shè)備發(fā)生反應(yīng)，設(shè)備發(fā)生高溫腐蝕失效｡Yuping Liu [16] 等總結(jié)出高溫下金屬腐蝕失效的機(jī)理，指出 pH 值､氧氣､硫化物､鹵化物､CO､CO 2 ､ N 2 等氣體､溫度､磨損和應(yīng)力､生物因素等均會影響高溫金屬腐蝕失效速率｡
1.4 復(fù)合環(huán)境中的損傷現(xiàn)狀
隨著我國石油化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，化工設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境也越來越復(fù)雜｡面臨腐蝕､磨損或應(yīng)力共存的工況｡例如某工廠化工設(shè)備交還蕹魷指從肽ニ鷥春匣肪呈В讜誦惺狽腫由附捍嬖誑帕＃岫隕璞岡斐閃瞬煌潭鵲母春湍ニ穡送猓漣韞討謝崾刮锪霞繳璞福斐剎煌潭鵲那質(zhì)春涂帕５哪ニ� [17]｡關(guān)于磨損腐蝕的機(jī)理研究，A. Stachowiak [18] 等采用 304 不銹鋼材料進(jìn)行腐蝕磨損實驗，發(fā)現(xiàn)磨損導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)更快傳遞，在高溫､強(qiáng)酸環(huán)境中加速腐蝕，而腐蝕通過引起材料脫落來增強(qiáng)磨損｡D.Y. Peña Ballesteros [19] 等認(rèn)為磨損通過去除鈍化層而增強(qiáng)腐蝕，至于腐蝕增強(qiáng)磨損，推測是顆粒撞擊表面導(dǎo)致后者的劣化，并且腐蝕溶解加工硬化表面增加表面粗糙度｡除了磨損腐蝕之外外，也存在應(yīng)力與腐蝕共同出現(xiàn)，趙玉峰 [20] 指出了化工設(shè)備天然氣管道應(yīng)力腐蝕復(fù)合失效問題｡趙倩茹 [21-22] 等對應(yīng)力腐蝕失效原因進(jìn)行了分析，指出化工設(shè)備制造過程中的焊接､熱處理或機(jī)械加工存在殘余應(yīng)力；機(jī)械載荷､熱膨脹或冷縮､振動等因素引發(fā)工作應(yīng)力；還有結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或安裝缺陷導(dǎo)致局部拉應(yīng)力集中，這些都會造成應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力與腐蝕共同作用，往往比單一的損傷更嚴(yán)重｡
2、化工設(shè)備損傷防護(hù)的改進(jìn)方案
石油行業(yè)安全關(guān)系著國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈，化工設(shè)備的失效直接影響著石化工廠的安全運(yùn)行｡針對化工設(shè)備失效，許多學(xué)者都提出了一系列優(yōu)化改進(jìn)方案，主要集中在三方面：一､新材料替代；二､材料表面涂層處理；三､化工設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計｡
2.1 新材料替代
為提高化工設(shè)備防護(hù)能力，首先考慮的是用高性能的材料進(jìn)行替代，達(dá)到延長使用壽命的目的｡陳富榮 [23] 等人針對高溫高壓環(huán)境下化工設(shè)備失效問題，指出用滿足高溫高壓環(huán)境使用金屬合金替代原本材料｡Jiapeng Fu [24] 等人研究 TP347HFG 奧氏體耐熱鋼在不同壓力下的熱腐蝕，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力增大時，奧氏體的耐蝕性更好，而過高的壓力則會導(dǎo)致微裂紋和缺陷的形成，降低材料的耐蝕性，可采用 TP347HFG 奧氏體耐熱鋼替代｡此外，吳勇 [25] 等人通過實驗研究合金 Inconel625 和 Inconel601 在 1100℃高溫氯離子腐蝕工況下的腐蝕數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，Inconel625 合金由于 Nb 元素存在，增大了氧化膜的附著力，使其耐蝕性優(yōu)于 Inconel601 合金｡
2.2 材料表面涂層處理
除了尋找高性能材料之外，另一址椒ㄊ嵌曰ど璞附斜礱媧恚袼� [26] 等以 1045 不銹鋼作為基體，配制特殊鎳溶液，制備出防腐鍍層｡試驗表明，制備的防腐鍍層腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度下降，有良好的耐腐蝕性｡除此之外，也有學(xué)者利用涂層制備技術(shù)，制備高性能涂層，馮進(jìn)宇 [27] 等制備不同粉末配比的 Ti-Al-(C,N) 涂層，合適的配比對組織具有細(xì)化和彌散強(qiáng)化作用，硬度提高 2.4 倍｡周璇 [28] 等制備 TiAl 涂層研究其在 600~1000℃氧化 50h 的氧化行為及氧化機(jī)理等，表明 TiAl 涂層在不同溫度的氧化增重僅為 TC4 的 12.5%~55.6%, 抗高溫氧化性能優(yōu)異｡總之，在化工設(shè)備表面進(jìn)行涂層處理，能極大提高化工設(shè)備的使用壽命｡
2.3 化工設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計
此外，對化工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計也成為一種新方式｡婁秀鵬 [29] 等人發(fā)現(xiàn)高溫高壓環(huán)境下，化工設(shè)備極易產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力，不僅會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，甚至熱疲勞和結(jié)構(gòu)損傷，針對這一問題，提出一種新型壓力容器的優(yōu)化設(shè)計方案｡武培森､徐龍武 [30-31] 等人針對化工工程管道存在問題，提出管材選取和布置的優(yōu)化方案｡Rui Yang [32] 等人提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備優(yōu)化系統(tǒng)，用于優(yōu)化 C5 輕烴混合物分離工藝中預(yù)加氫進(jìn)料泵的流量控制，通過采集石化廠 4200 組數(shù)據(jù)，篩選出液位､閥門開度､泵入口壓力､泵出口壓力 4 個關(guān)鍵特征變量，并進(jìn)行控制時催化劑損失降低｡
3、總結(jié)與展望
總的來說，特殊環(huán)境中化工設(shè)備損傷失效的研究工作取得了長足的發(fā)展，在腐蝕､磨損､高溫高壓及復(fù)合環(huán)境方面進(jìn)行了分析和總結(jié)｡但是，隨著化工設(shè)備在越來越復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行，其的失效變得更加頻繁，所以針對未來對化工設(shè)備的損傷研究，有以下幾個方面:
1) 特殊環(huán)境下失效機(jī)制和損傷規(guī)律以及交互協(xié)同影響的機(jī)理與本質(zhì)研究較少｡隨著我國化工行業(yè)的發(fā)展，在特殊環(huán)境中運(yùn)行成為不可避免的趨勢，多種因素交互作用下引起化工設(shè)備失效問題已成為更加亟需解決的難題｡
2) 針對化工設(shè)備進(jìn)行失效分析，建立化工設(shè)備壽命預(yù)測和可靠性分析｡構(gòu)建適合于復(fù)雜工況下化工設(shè)備的失效模型，建立化工設(shè)備的失效行為和環(huán)境介質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)模型進(jìn)行可靠性分析｡
3) 服役的化工設(shè)備在特殊環(huán)境中失效問題，可考慮具有更高性能的防護(hù)材料代替；其次，對化工設(shè)備易失效的部位進(jìn)行涂層處理，增加化工設(shè)備使用壽命；另外，可以對化工設(shè)備優(yōu)化設(shè)計｡
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（注，原文標(biāo)題：特殊環(huán)境中化工設(shè)備損傷與防護(hù)進(jìn)展研究）
tag標(biāo)簽:化工設(shè)備,特殊環(huán)境,化工鈦合金設(shè)備