温度因素对化工设备环境可靠性检测的影响分析

引言：化工设备广泛用于石油化工、精细化工和材料合成等领域，其能否安全稳定的运行直接决定了生产效益和人身安全。而温度作为评价设备环境可靠性的重要的一个因素，在温度的高低上会直接影响设备材料性能、设备结构完整性和检测数据是否准确。一方面，高温条件加快了高分子密封件的热氧化、机械失效应力松弛等老化过程；另一方面，低温条件下，会使金属构件变得脆弱，容易产生脆性断裂。

、温度作用机理分析

1、温度对材料老化的影响

在高温环境中会加速热氧化、化学降解。对于高分子材料如聚四氟乙烯、氟橡胶等密封件，高分子会在连续高温下出现链断裂及交联，从而使密封件弹性模数下降、密封性能下降；而金属材料经长时间热循环会产生物理层氧化皮和晶间腐蚀，导致金属材料表面粗糙度增大，使得与金属材料配合的密封件密封配合面性能下降；另外高温还会加速材料内部缺陷的发展，形成材料表面裂纹，最终造成材料疲劳损坏。了解并把握材料的热老化规律对于确定材料的环境检测寿命有一定的指导作用。

2、温度诱发热应力与疲劳

当化工设备有温度梯度存在时，在其内部不同部位由于热膨胀系数的不同会导致出现热应力；金属管道、容器以及构件等由于导热性能差，容易在连接位置或者壁厚突变的位置出现高应力集中，从而产生疲劳裂纹。热应力循环也会加速焊缝金属的循环疲劳，使结构件的疲劳寿命下降。采用有限元热应力分析的方法可以得到热应力峰值位置，并且根据热应力值去改进结构的设计；同时结合热应力试验和循环温场载荷，可以模拟工况中设备在高温下的温度波动状态对设备的寿命进行有效的预测，并对设备的可靠性做出合理的评定。

3、温度对检测仪器与传感器精度的影响

环境可靠性检测需要温度传感器、压力传感器、在线检测仪器等元件工作的准确，这些工作元件又是温度敏感元件，过高过低的环境温度都会引起传感器的输出漂移、电子元器件的热漂移，增大测量误差；高、低温都会使信号的传输阻抗发生变化，从而影响数据采集的稳定性。所以在高温或低温的工作环境下要对其进行标定与校准，在这种极端环境下对检测仪器在恒温试验箱中进行标定，得到不同温度下对应的误差曲线，然后在每次检测过程中都加入对温度的补偿，就能更好地保证检测的精确性。

二、温度因素对化工设备环境可靠性检测的影响

1、高温环境下设备老化评估

通常情况下，在高温条件下对化工设备开展环境可靠性检测时需要关注其材料因老化引起的性能退化问题。评估老化情况主要通过热老化箱实施加速实验，即将试样放置于规定的高温环境中规定的时间长度之后测得的关键性能指标的变化，对于密封件而言可通过实施拉伸试验、硬度试验得知弹性模量、硬度随老化时间的衰减规律；用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)等仪器分析材料热学性能变化，得到材料的玻璃化温度(tg)、分解温度(Td等热参数；结合现场采样及实验室老化的结果建立加速老化模型，预测高温工况下设备的实际寿命。

2、低温条件下脆性失效检测

在低温环境下工作时，金属材料的冲击韧度会明显降低，所以在做环境可靠性试验的时候，需要加入低温冲击试验、断口韧性试验等测试。用不同温度区间的夏比冲击试验吸收能量随温度变化趋势曲线来确定脆性转变温度值。关键焊缝处可以通过做低温拉伸试验和低温疲劳试验来模拟设备实际运转状况中，在低温冲击和振动载荷共同作用下可能出现的破坏模式；还可以利用声发射技术和实时检测的方法，在低温冲击加载下，实时监测裂纹扩展的信号，达到在线检测的目的。

3、温度波动对检测重复性与可靠性的干扰

化工设备在工作过程中时刻都在进行着温度的变化，这对环境可靠性检测造成一定的重复性和可靠性困难，因为在温度发生改变时会使得测量的基准发生漂移，造成结果有较大的差别。为了保证检测的重复性，可以在检测的过程中添加温度稳定化步骤，比如将检测设备和样本放在温控箱中达到恒温状态后再测量关键参数；也可以多做几次试验再用统计的方法来进行分析，比如把各个测试数据求出它们的方差，根据方差来判断温度的影响程度；还可以在检测结果上对一些非常敏感于温度的参数(比如压力、流量、振动等)增加温度补偿算法，比如可以考虑加一个温度校正系数。

4、数值模拟与实验结合的温度影响分析

通过对温度的影响因素较为复杂的局面，可以采用数模和实测相结合的方式开展可靠性检测工作，一方面可以针对具体的设备三维模型开展热一结构耦合有限元分析，模拟不同温度工况下的应力分布及变形状态，确定重要的热应力和高温区域；另一方面，还可以基于试验台架对不同的温度循环加载条件展开试验测试，利用热电偶、应变片等传感器同时记录试验温度以及应变变化，并为数值模型的修正做准备；然后，在试验的基础上，可对运行过程中采集到的在线监测信号及试验数据利用机器学习方法建立相关联的模型，用于完成对温度的影响与设备性能退化之间的关联性预测工作；再者，根据具体的模拟及试验情况，提出切实可行的检测方案以及日常维护方案。

三、结语

针对化工设备在自然环境中，受到温度因素的影响，本文着重介绍了高温老化、低温脆性、温度波动干扰以及数模结合检测方法等研究。研究发现：温度是影响材料特性和检测精度的重要因素，可通过加速老化试验、低温力学测试、温度补偿耦合以及检测数值模拟等，将上述方法进行互相结合的方式，建立起全方位检测系统，在该过程中能够提早识别出设备可能的失效情况，并且优化检测流程，保证检测结果准确无误且可靠，能更好地提高化工生产的安全稳定性。

参考文献：

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