Повреждения технологического оборудования в результате температурных воздействий

Повреждение технологического производственного оборудования может произойти в результате образования не предусмотренных расчетом температурных перенапряжений в материале стенок аппаратов и трубопроводов, а также в результате ухудшения механических характеристик металлов при низких или высоких температурах.

Температурные перенапряженияв материале, из которого изготовлены аппараты и трубопроводы, наступают тогда, когда есть препятствия линейному изменению отдельных элементов (узлов) или конструкции в целом.

Если аппарат (трубопровод) при изменении температуры свободно меняет свои размеры, то повреждения не произойдет. При этом изменение длины будет равно:

, (33)

где ∆l_t – изменение длины, м;

α_t – коэффициент линейного расширения, 1/град;

∆t – изменение температуры, град;

l – длина конструкции, м.

Температурные напряжения наблюдаются:

– при жестком креплении трубопроводов;

– при наличии в аппаратах биметаллических конструкций или конструктивных элементов, находящихся под воздействием неодинаковых температур;

– в толстостенных конструкциях;

– при местных изменениях температур в материале аппарата.

Высокое температурное напряжение в материале труб, если не принять мер к его устранению, может разрушить трубопровод, арматуру, опоры и нанести повреждение оборудованию (насосам, фильтрам и т. п.) и резервуарам.

При поверочных расчетах толстостенных конструкций температуру наружной и внутренней поверхностей стенки принимают исходя из максимально возможного перепада температур как в процессе работы, так и в периоды пуска и остановки аппарата.

Длительное воздействие высоких температур на материал, из которого изготовлены технологические аппараты, приводит к появлению медленных пластических деформаций в этих аппаратах даже в тех случаях, когда напряжение от рабочих нагрузок не превышает предела текучести (при данной температуре). Такое явление носит название ползучести (крипа). Особенно существенные изменения в условиях длительной работы под нагрузкой при высокой температуре претерпевают углеродистые стали. Легированные и жаропрочные стали при действии высоких температур изменяют свои механические свойства незначительно.

Воздействие высоких температур на материал аппаратов возникает при ококсовании и загрязнении их теплообменной поверхности, при снижении в них уровня жидкости, в результате повреждения защитной футеровки. Подобные явления называют прогаром стенок.

Повреждение технологического оборудования может наступить в результате воздействия не только высоких, но и низких температур. При низких температурах работают холодильные установки (аммиачные, пропановые и другие), установки газофракционирования (при температуре минус 30 ⁰С и ниже); установки по производству жидкого воздуха, кислорода и азота (при температуре минус 180 ⁰С и ниже), а также установки, находящиеся на открытых площадках в районах Урала, Сибири и Крайнего Севера. В этих условиях эксплуатации оборудования возникает опасное явление хладоломкости стали, связанное с падением ударной вязкости.

Ударная вязкость углеродистых сталей резко (скачкообразно) падает при снижении температуры. Потеря ударной вязкости может привести к образованию трещин, а иногда к полному разрушению аппаратов из этих сталей даже при действии нормальных рабочих нагрузок.

С увеличением количества углерода и фосфора в стали хрупкость ее увеличивается. Анализ происшедших повреждений аппаратов показал, что почти во всех случаях имело место сочетание нескольких причин: хрупкость металла при низких температурах, жесткость конструкций (особенно сварных), значительные внутренние перенапряжения в отдельных узлах, появляющиеся под влиянием дополнительных факторов — перепада температуры, действия ветра, динамичности нагрузок и т. п.

При эксплуатации технологических аппаратов в условиях низких температур чаще всего наблюдаются случаи повреждения резервуаров и емкостей с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, а также со сжиженными газами, причем почти все случаи полного разрушения аппаратов происходят по одной и той же схеме: разрушается наиболее нагруженный конструктивный элемент — корпус резервуара, заполненный продуктом. Разрушается он по ломаной линии на полную высоту стенки, а затем в результате радиального усилия, связанного с выливанием большого количества жидкости, корпус отрывается от днища и отбрасывается в сторону. Одновременно крыша резервуара обрушивается на днище, которое обычно остается на месте или немного сдвигается в сторону.

Кроме случаев полного разрушения стенок резервуара часто на­блюдаются случаи образования трещин, нарушающих герметичность и создающих опасность дальнейшей эксплуатации резервуаров. Трещины в резервуарах появляются, как правило, в наиболее холодные месяцы года.

Аппараты и трубопроводы, работающие в условиях низких тем­ператур, чувствительны к различного рода динамическим воздействиям (ударам, сотрясениям и т. п.).