化工设备的常见缺陷，故障及其危害的研究

（天津渤海石化有限公司,天津300000）

目前我公司很多设备使用年限比较久，给设备的完好带来了不确定性，也给我们的设备管理带来了很大的困难。若想保证安全生产不发生设备故障和事故，在很大程度上要求对设备管理达到将问题预知及预防的程度。当然如果我们对化工设备的常见故障有一定的研究，将会对设备管理达到预知防预的层面起到很大的帮助。

在生产中我们经常遇到的设备问题大致包括：设备内部积垢、设备泄漏、壁薄减厚、设备变形、设备生产裂纹以及电击损坏。下面将主要阐述这些问题的危害以及产生原因。

1 积垢

1.1 积垢的危害

工作表面积垢造成的危害主要有设备热传速率降低、流体阻力增大、有效容积减小和加速壁面腐蚀。

1）热传递速率降低。由于积垢造成的导热性能下降，当设备工作表面积垢所造成的热阻超出计算数值时，设备的传热速度就要下降，由此可带来流体温度变化、热量损失增大、冷却水用量加大等弊病。

2）流体阻力加大。由于积垢使流通面积减小，流体的速度被迫增加。与此同时又因为污垢比较粗糙的表面增大了流动摩擦力，使动力损失增加，或使流体的流量减小。

3）有效容积减小。污垢占据了设备的部分工作容积，特别是机械杂质的大量沉积，可使设备有效容积明显减少。

4）加速壁面腐蚀。污垢附着在设备工作表面，往往会加速里内壁面的腐蚀，尤其是污垢中的微生物，在适当的温度条件下，对壁面的腐蚀可能相当严重。

1.2 积垢原因

1）水垢。水垢是指依附在设备传热内表面上的一层不溶性盐类，其中大部分属于钙盐。在用热水为载体的系统中，水垢通常是设备内表面结垢的主要形式。主要是由于钙水垢的产生，在升高的温度下钙盐沉淀从水中结晶。当热水的pH值＞9时，水垢会沉淀下来。鳞状水垢最初是柔软的，但随着传热条件的恶化导致鳞片结晶过程中失水，鳞片层逐渐硬化并牢固地附着在传热表面上。

2）晶体吸附。当设备的工作条件适合于盐溶液晶体的沉淀时，可以在传热表面吸附由盐溶液结晶形成的水垢。

3）杂质与沉积的有机物。流体灰尘、沙子、腐蚀产物脱落的碎片等被称作杂质，藻类、菌类等称为有机物。当流体中杂质和有机物较多，流体流速较小时，一些杂质和有机物会沉积在设备中，形成疏松的多孔或胶状污垢。

4）有机产品分解。如果物料是有机物，那么在加热、水解、焦化等产生过程中可分解出重碳类焦化物而附着于设备表面，形成较硬的壳层[1]。

5）设备结构材料的腐蚀。设备结构材料的腐蚀产物，有的是溶解在介质中，有的则附着在金属表面上。所常见的以氢氧化铁为主体的铁锈，基本上是不溶于水的。在钢铁被水腐蚀的过程中，它总是作为腐蚀产物而存在于反应体系之外，因此，随着腐蚀的不断进行，钢铁表面附着的铁锈就会越来越厚。

2 泄漏

2.1 泄漏

化工设备的泄漏分内漏和外漏两种情况。内漏可以通过设备运行状态或物料性质的变化来察觉，但是很难在生产运行中进行修补。外漏是指介质漏入大气或由设备外部可以检测的泄漏。设备的泄漏不仅浪费资源、能源和污染环境，而且影响设备的生产能力，严重时甚至造成停车。特别是一些易燃易爆、有毒有害物质的外漏，常是造成燃烧、爆炸、中毒等重大事故的直接原因。由此可见，妥善处理泄漏问题是化工厂连续安全生产的一大关键。

2.2 泄漏的主要原因

设备的泄漏主要是由于腐蚀造成的局部穿孔，应力腐蚀和交变应力或其他因素导致备连接的密封面失效。一台设备连接部件的泄漏占总泄漏事故的80%以上。设备连接可分为可拆卸和不可拆卸两种。法兰连接、螺纹连接属于可拆卸连接。而焊接属于不可拆联接。其中，不可拆接头的密封失效主要是由腐蚀穿孔或裂纹引起的。法兰是可拆卸连接中最为常见的。它广泛用于各种压力和温度条件下的管路，具有结合强度高、拆卸方便等优点。由于凸缘通过多个螺栓连接，以确保密封垫片的密封性，因此往往会由于高温和负荷波动，垫圈和螺栓的弹性降低，或各种原因造成的螺栓松动使密封面压力减小，以及垫圈因介质的侵蚀而损坏或脱落，或者法兰盘或垫圈表面有划痕、杂质[2]。

至于法兰盘偏斜、螺栓紧固不当造成的法兰连接密封不良，属于装配问题。这在设备试车时或投入运行后不久即可发现。

3 壁厚减薄

设备壁厚的减薄可分为全面性减薄和局部性减薄两种。壁厚的全面性减薄是由均匀腐蚀和磨损造成的。由于这种减薄的速度比较慢，减薄量比较均匀，虽然这种腐蚀实际危害性并不大，但是如果经过长年累月的腐蚀和磨损后设备的壁厚已小于最小允许厚度则设备应降压使用或报废处理。局部性壁厚减薄通常会导致设备泄漏。在化工生产中可以造成设备壁厚减薄的主要原因有腐蚀、冲蚀和磨损，例如弯头的背部泄漏就是这种腐蚀造成的。局部腐蚀、冲蚀或磨损造成的局部壁厚减薄一般速度较快，不仅容易造成局部穿孔泄漏，而且严重影响设备的强度。因为决定设备强度的是最弱载面的承载能力，当局部壁厚减薄至一定程度时，在该处就会产生破裂和泄漏。至于点蚀往往是在邻近壁面并没有明显减薄的情况下，设备的个别地方就发生了穿孔和泄漏现象。

4 裂纹

裂纹是指设备壳体内或外表面出现的开裂现象，其危害主要是会导致设备发生泄漏甚至爆炸。当裂纹由初始状态急剧扩张时，设备的整体强度也会受到严重影响，甚至造成断裂事故。产生裂纹的主要原因可归纳如下：

1）局部变形。当局部变形所产生的应力超过材料的强度极限时，有可能造成设备的局部拉裂。

2）应力集中。由于振动和温差的影响，在焊缝集中区和半径很小的过渡圆弧等处，因存在较为严重的应力集中而形成裂纹。

3）应力腐蚀。应力腐蚀是应力和介质共同作用的结果，是材料在特定环境下发生的。这种腐蚀往往先形成很窄的沟槽，而后在沟槽处引起开裂。在化工设备中经常出现。如介质中的氯化物容易引起奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹。合成氨生产中的气柜常因硫化物的腐蚀而破裂等等。裂纹发生的部位大多在具有焊接应力的焊缝附近或材料有缺陷处。由于应力腐蚀的深度大而宽度小，如不进行预测性检查，常可造成突然性的开裂事故。

4）氢损害。有时因焊接施工不当进入焊缝中的氢可向母材的热影响区扩散，并溶解在金属晶格中，从而形成较为缓慢的焊后开裂。这种开裂在焊接结束时并不能发现，但设备使用不久即可出现裂纹。

5）交变载荷。设备在交变载荷作用下发生破坏的主要形式为疲劳裂纹。化工设备的疲劳裂纹虽只局限于某一部位，很少裂通，但也会因发生泄漏而停车。对PDH生产中所用的高强度合金钢，如初始疲劳裂纹未被发现，而继续承受循环内压，则有可能导致裂纹沿纵向急剧扩展，甚至造成断裂引起严重事故。

6）水力冲击。由水力冲击造成的冲蚀和较高的局部应力也可能导致裂纹的产生。

7）材料缺陷。设备结构材料的缺陷，如钢材轧制时夹渣、重皮和褶皱、焊接时的咬边、夹渣和未焊透，以及材料的金相组织不均匀等均为裂纹的诱发因素。

5 局部变形

局部变形是指设备壳体上出现局部的凹入或凸出的现象。局部变形会严重降低设备运行的可靠性。造成局部变形的主要原因是结构设计不合理或操作不规范。设备结构造成的应力集中，如开孔未按规定补强、焊缝交叉或过于密集等均可使材料的内应力超过屈服极限而发生塑性变形。而当操作不规范时，就会使设备局部过热，又因为材料强度的降低就会在相应的部位出现塑性变形。薄壁设备在外压的情况下，若操作中实际工作压力超过临界压力，设备容易被压扁或产生褶皱现象，即引起失稳变形。

6 静电和火花

由静电造成的灾害性事故在化工厂主要表现为人体电击和因火花放电引起的燃烧与爆炸。如树脂类粉末在流动时会因摩擦而带电，若操作人员触及运输这些带电粉粒管道或设备即可遭电击。当人们无意中触及其他带静电的金属设备时也往往会感到不同程度的电击。电击虽然不会直接对人体产生很大危害，但操作人员可能因此而感到神经紧张，甚至会因不慎摔倒而造成二次事故。金属设备不仅可以积蓄电荷，而且容易引起火花放电。这对处理可燃流体是一种潜在的不安全因素。特别是可燃性介质在高速流动时常因与金属壁面摩擦造成的带电和火花放电而引起爆炸。因此对易燃易爆性危险场所可能产生静电的物体必须采取静电接地。对非易燃易爆性场所的设备如果因为静电妨碍生产操作从而影响产品质量或使人体受到静电电击时也应该采取静电接地。在正常情况下对运输和盛装易燃、易爆介质的管道和设备应每年检测，检查一次静电接地情况是否良好。

总之，要想从根本上保证化工设备安全稳定、运行可靠，就必须保证设备至始至终都处于良好的工作状态。然而一旦设备故障率过高，就很难达到这样的目标。所以想方设法降低设备故障率是至关重要的。同时加强设备的管理与维护，最终的目的也是让设备无故障运行或是出现故障后，可以在最短的时间内修复。但由于化工生产是连续不断运行的，所以化工设备已经接近于超负荷运转的状态。如果平时不注意设备管的理和设备的维护，或维护保养不及时、不到位，那么化工设备运行过程中就会先出现小故障，小故障慢慢变成大故障，大故障如果不及时维修就会造成设备停车，给化工企业带来重大的经济损失。因此，提高设备的管理水平、加强维修保养的基础能力、做到维修保养到位、强化日常保养对化工企业来说是非常重要的。