化工过程中关键装备失效机理及预防策略

引言：

在我国国民经济发展体系中，化工企业对社会效益提升具有显著的推动作用。了解化工产业运作特点，整体工艺相对复杂且需要运用多元化装备，一些关键的设备投入使用后长期面临着腐蚀性强、温度高等特殊的环境条件，在种种化学作用、应力干扰下，容易出现装备失效现象。为保证产业稳定运作，防范生产安全事故，应科学制定有效的预防策略，促进化工领域健康发展。

1. 化工领域的关键装备失效机理分析

1.1 机械失效机理

结合机械失效现象来看，失效形式多种多样，其中包含蠕变、磨损、疲劳等不同类型的情况。综合研究化工领域应用的装置，生产期间需要用到旋转设备，比如搅拌器、阀、泵等，若设备长时间投入使用，机械之间的摩擦作用增强，长时间运行下出现磨损情况。以磨损量作为切入口，即W，相关影响因素多元化，有关公式如下：

在上述公式中，关于 K ，表达的是磨损系数；关于 P ，表示的是接触中的压力作用；关于L、 H ，前者表示的是滑动距离，后者表示的是材料的硬度。

研究疲劳失效现象，它的出现通常是在循环荷载的影响条件下。细致观察换热器管板对应连接的部位，一方面面对热应力作用，另一方面面临机械应力作用，两者相互交替，而材料具有特定的疲劳极限，如果应力幅值大于这一极限，那么便会产生微裂纹。

1.2 腐蚀失效机理

化工生产领域中，一些关键的装备要长时间运行，且周围的环境条件比较复杂，面对的工作介质中，主要存在盐溶液、强碱或酸等条件，当与材料的表层区域产生接触，会自然产生电化学作用，或者引发化学反应，对金属材料会形成明显的影响，导致其厚度减少，如果长时间不加以处理，材料的使用功能便会缺失。以不锈钢反应釜为例，当所处的环境条件为硫酸形式，从铬元素来看，当和氧相互结合，能够产生较为致密的且具有保护作用的膜，然而，如果环境中的酸碱值变化，pH 不足 3.0 时，此种条件会导致氧化膜遭到破坏，对部分元素产生影响，如 Fe、Cr、Ni，使其在金属的表层区域被快速溶解，观察材料的表层部位，能够看到比较均匀的腐蚀现象 [1]。

1.3 材料劣化失效机理

当装备引进化工生产体系后，所处环境条件通常为温度水平较高、辐射作用强等条件，当经过较长的一段时间后，从微观视角来看，材料的结构渐渐产生变化，严重情况下其性能也会明显劣化。以装置体系中的高压加氢反应器为例，了解有关材料劣化失效现象，可知比较明显的是氢侵蚀。经过时间的推移，氢原子开始渗透，流进钢材晶格，这一过程中有机结合碳原子，形成的产物为甲烷，观察材料内部变化，会形成一定的微裂纹，还会存在高压气泡。

2. 预防化工过程中关键装备失效的可靠策略

2.1 引进监测与维护技术

化工装备种类较多，为做到装备失效的有效预防，要采取实时监测技术跟进装备的监管工作。当采取腐蚀监测技术时，为了检验现实环节的腐蚀速率水平，应以电阻探针作为辅助工具，调控好技术参数，其中在灵敏度层面，应保证达到 0.001mm/ 年，而对于数据采集过程，要留有合适的间隔时间，具体应为 60min，此条件下能够尽早查出腐蚀现象严重的部位，提前干预避免出现穿孔的事故问题。若运用声发射技术在设备中展开监测工作时，主要检验的现象是裂纹的拓展情况，此项技术对裂纹检测条件具有明确的要求，所支持的检测规格为 0.5mm 的形式，如果察觉存在异常情况，将进行失效风险预警 [2]。

装备失效会影响生产工序的正常运作，为达到预防效果要科学制定维护决策，维护决策务必要合规科学，故而，可引进匹配的设备状态评估技术，获取多元化信息避免出现维护决策疏漏。一般来讲薄弱区域状态识别挑战性较高，此过程可利用超声波厚度测量技术，本着每秒 200mm 的扫描速度，获取精准参数信息后推进壁厚分布图的绘制。面对装备的表层部位，若要全面、清晰地识别裂纹状况，可利用的手段为磁粉探伤技术，调整灵敏度指标，保证达到2μm×0.5mm ，调控检测速度，每小时应达到 1 ㎡的效果，找出不易察觉的失效问题。

2.2 强化设计优化

围绕化工领域的工况条件，筛选适合各场景应用条件的材料。若设备运行期间要长时间面对带有较强腐蚀作用的环境，比如，设备隶属酸性水汽提装置体系内，要保证所应用的材料能够有效抵御腐蚀作用，重点应用哈氏合金、钛合金等材料；若设备所处条件温度水平较高，比如在延迟焦化装置内，要用到焦炭塔，其中要想选择材料应做到具有优良的氧化抵抗作用，还应具有高水平的高温强度。

关注结构设计，融入科学的设计理念，可促进设备在实际运行阶段不会过度出现应力集中的情况，从强度、稳定性角度增强设备的性能。当进行结构设计时，总结经验可知一些比较容易集中应力的部位为缺口、拐角等，对此，要确保应用的结构形式为圆滑过渡状态；一些部件投入使用时需要承载高强度的荷载，当进行结构设计时，需围绕强度指标准确计算，尽可能完善结构体系，满足现实工作荷载要求。要想获得强度、刚度过关的设备，也可采取其他处理方式，比如添加支撑结构、强筋等。此外，务必要提升对设备密封性的关注度，根据具体的工况条件，把握介质的属性，使密封形式符合要求。比如，经过多介质的分析，其属于容易燃烧爆炸、温度高等条件，当选择密封形式时，可应用性能水平较高的机械密封模式。

2.3 合理应用表面处理与防护技术

化工装备使用期间失效现象是影响设备运行的主要问题，要想提升失效预防水平，应及时应用表面处理技术。比如，当处理不锈钢材质的表层部位时，可落实电化学抛光技术，它能够改变表层部位的粗糙程度，当粗糙程度下降后，一些沉积物不能获得有效的附着条件，真正起到保护表层的作用。化工装备失效预防管理期间，还应注重涂层防护技术的利用。比如，针对储罐的内壁实现腐蚀防范处理，应结合具体说明和工况条件利用环氧酚醛涂层，其具有较强的附着作用，具体为 18MPa，且能够有效抵御高温环境，耐热性能可达 180^∘C ，该涂层防护技术投入使用后化工装备的使用年限进一步增加。

2.4 积极落实预防性维护举措

预防性维护是提前部署的一种技术手段，由专业人员设定周密的计划和标准的程序，在设备中细致展开维护与保养操作。比如，工作人员细致设定完整的预防性维护计划，针对一些重点部件，如泵的轴承，执行润滑维护手段，并根据计划安排，间隔半年完成一次密封件的更换操作，石化企业坚持将该计划落于实处，极大控制了泵故障发生的可能，促使泵的平均无故障运行时间明显变长，时间延长约 2000h^[3] 。

结语：

通过上述分析可知，为推动石化行业高效发展，应针对化工过程的关键设备执行科学的管控手段，细致分析关键装备失效机理，明确机械失效、腐蚀失效、材料劣化失效等机理内容，引进监测与维护技术，强化设计优化，合理应用表面处理与防护技术，积极落实预防性维护举措，推动石化产业有序运作。

参考文献：

[1] 章春明 . 化工装备腐蚀与防腐工程管理的优化策略研究 [A]2024 工程技术应用与施工管理交流会论文集（下）[C]. 中国智慧工程研究会 , 中国智慧工程研究会 ,2024:3.

[2] 郑宗娟 , 刘凯利 . 本质安全理论支持下的化工过程安全管理分析 [J].中国石油和化工标准与质量 ,2024,44(17):76-78.

[3] 葛涛 , 王玉 , 白宇 , 等 . 煤化工装备中关键阀内件的失效行为及表面强化技术 [J]. 流体机械 ,2024,52(02):1-7+39.