發(fā)布日期：2026-1-6 10:23:49
引言
隨著經(jīng)濟的發(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，原油進口量更是達到 5.9 億噸｡為了保障能源戰(zhàn)略安全，確保經(jīng)濟穩(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｡在實際運行中，化工設(shè)備運行環(huán)境復(fù)雜，存在腐蝕､高溫高壓､磨損､應(yīng)力等工況，長期運行極易產(chǎn)生失效問題，而且不能準確預(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)備的失效特征與機理，為化工設(shè)備的防護發(fā)展方向提供建議，達到降低化工設(shè)備損傷，進而減少經(jīng)濟財產(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)境中運行使化工設(shè)備的損傷機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)定運行，需要研究化工設(shè)備的腐蝕機理，進而制定防護策略｡費璟璐 [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)境中腐蝕機理，其中硫離子中的鹽酸降低了鈍化膜的防護能力，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)生電化學腐蝕｡
1.2 磨損環(huán)境中的損傷現(xiàn)狀
化工設(shè)備在運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､流速最大，同時沖蝕量在此處達到最大｡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�，宰曊b惺狽腫由附捍嬖誑帕�，会峨E璞岡斐閃瞬煌潭鵲母春湍ニ穡送�，綕i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)于磨損腐蝕的機理研究，A. Stachowiak [18] 等采用 304 不銹鋼材料進行腐蝕磨損實驗，發(fā)現(xiàn)磨損導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)更快傳遞，在高溫､強酸環(huán)境中加速腐蝕，而腐蝕通過引起材料脫落來增強磨損｡D.Y. Peña Ballesteros [19] 等認為磨損通過去除鈍化層而增強腐蝕，至于腐蝕增強磨損，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)力腐蝕失效原因進行了分析，指出化工設(shè)備制造過程中的焊接､熱處理或機械加工存在殘余應(yīng)力；機械載荷､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重｡
2、化工設(shè)備損傷防護的改進方案
石油行業(yè)安全關(guān)系著國家能源安全和國民經(jīng)濟命脈，化工設(shè)備的失效直接影響著石化工廠的安全運行｡針對化工設(shè)備失效，許多學者都提出了一系列優(yōu)化改進方案，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)備防護能力，首先考慮的是用高性能的材料進行替代，達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�，姜玉�� [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，也有學者利用涂層制備技術(shù)，制備高性能涂層，馮進宇 [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化和彌散強化作用，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器學習的旋轉(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)境下失效機制和損傷規(guī)律以及交互協(xié)同影響的機理與本質(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材料代替；其次，對化工設(shè)備易失效的部位進行涂層處理，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，原文標題：特殊環(huán)境中化工設(shè)備損傷與防護進展研究）
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