发布日期：2026-1-6 10:23:49
引言
随着经济的发展，石油需求量迅速增长，2023 年石油原油产量突破 2.09 亿吨，原油进口量更是达到 5.9 亿吨｡为了保障能源战略安全，确保经济稳定发展，我国在各地修建了大量石油储存及加工厂｡石油储存及加工离不开化工设备，包括反应设备､输送设备､分离设备､加热设备､冷却设备､容器及储存设备和工艺管道设备｡在实际运行中，化工设备运行环境复杂，存在腐蚀､高温高压､磨损､应力等工况，长期运行极易产生失效问题，而且不能准确预测失效在何时何地发生｡出现多起因损伤失效而导致设备故障，造成了不可挽回的经济损失 [1-3]｡
因此，本文总结了特殊环境中化工设备失效问题，研究化工设备的失效特征与机理，为化工设备的防护发展方向提供建议，达到降低化工设备损伤，进而减少经济财产损失的目的｡
1、特殊环境中化工设备损伤研究现状
化工设备在使用中不可避免在特殊环境中运行，例如，腐蚀性环境､磨损环境､高温高压环境､及复合环境，这些环境中运行使化工设备的损伤机制和损伤形式各有不同｡
1.1 腐蚀环境中化工设备损伤现状
腐蚀环境中运行的化工设备常年受到腐蚀离子的侵蚀作用，例如硫离子､氯离子等，为保证石油化工设备的稳定运行，需要研究化工设备的腐蚀机理，进而制定防护策略｡费璟璐 [4] 等人对化工设备中的蒸汽异径管失效开展研究，该异径管短时间内出现了严重的腐蚀问题，分析得出蒸汽管道中过量的氯离子是导致点蚀和冲刷腐蚀的根本原因｡针对这方面的研究，Yuping Liu､J.G. Castaño [5-6] 等研究不同介质环境中腐蚀机理，其中硫离子中的盐酸降低了钝化膜的防护能力，导致加速腐蚀｡而在氯离子环境中，溶解在液膜层中的氯离子会影响金属上液膜层的导电性，增加腐蚀产物的溶解度，并导致钝化膜的破坏｡而 Y. Ma [7] 等发现低碳钢表面的 β-FeOOH 相只有氯离子含量高的环境中才能检测到，并且 β-FeOOH 相的存在加速了腐蚀过程，在 Cl 离子浓度低的情况下，腐蚀产物主要是 γ-FeOOH 和 α-FeOOH｡田雨 [8] 等总结得到化工设备的腐蚀来源有三种：一､化工厂使用的化学试剂自身存在一定的腐蚀性；二､油裂解反应生成的物质多为腐蚀性物质；三､生产设备自身发生电化学腐蚀｡
1.2 磨损环境中的损伤现状
化工设备在运行过程中相互接触的构件不可避免地出现磨损现象｡张清道 [9] 研究化工用转炉失效问题，发现转炉托轮磨损严重，更换性能更好托轮，但磨损程度并未减轻｡王新明 [10] 等人对化工设备磨损的问题进行分析，得到轴瓦表面出现较为清晰的分界线，磨损深度在 0.3 mm 左右，伴随粗糙度增加｡磨损表面有许多分布着无规则性凹坑，伴随磨屑存在，凹坑直径为 30~125μm, 深度为 5~9μm｡分析表明，轴瓦配合中未形成油膜是导致磨损的根本原因，会造成轴瓦表面因高温磨损产生颗粒，导致轴瓦磨损｡此外，滕烁 [11] 等人发现化工运输管道的冲蚀失效问题，通过 Fluent 中的 DPM 和 k-ε 模型模拟管道的多相流冲蚀现象，结果表明，在弯头内侧 45° 区域流场压强､流速最大，同时冲蚀量在此处达到最大｡其中，Rui Zhou [12] 等人对失效过程中的接触载荷和应力演变进行了总结，随着磨损导致的径向游隙增大，轴承的载荷区和受载滚子数量减少｡最大载荷滚子上的接触载荷增加，而其他滚子分担的载荷减少｡内圈滚道的接触应力大于外圈滚道，且随着轴承磨损程度的增加，内圈和外滚道的接触应力均上升，其中内圈滚道的上升幅度大于外圈滚道｡总之，化工设备磨损失效，主要集中在相接触的构件，在外部载荷､摩擦､冲击等作用下产生剥离或转移｡
1.3 高温高压环境中的损伤现状
近年来，化工设备在高温高压环境下发生失效的事故越来越多｡其中法兰是典型的失效构件，高温高压环境中法兰泄露失效，影响整个化工系统安全 [13]｡刘川 [14] 等人针对法兰失效的事故原因进行了深入分析，总结出三个原因：一､法兰出现温差应力；二､法兰筒壁温度升高会产生膨胀变形，造成泄漏；三､法兰垫片承载的压力增大，导致泄漏事故｡高温高压环境下，除了法兰泄露失效之外，还会高温腐蚀失效｡孙玉莲 [15] 等人研究发现石油在高温环境下，原油自身存在的腐蚀元素能与设备发生反应，设备发生高温腐蚀失效｡Yuping Liu [16] 等总结出高温下金属腐蚀失效的机理，指出 pH 值､氧气､硫化物､卤化物､CO､CO 2 ､ N 2 等气体､温度､磨损和应力､生物因素等均会影响高温金属腐蚀失效速率｡
1.4 复合环境中的损伤现状
随着我国石油化工产业的快速发展，化工设备运行的环境也越来越复杂｡面临腐蚀､磨损或应力共存的工况｡例如某工厂化工设备交还蕹鱿指从肽ニ鸶春匣肪呈В谠诵惺狈肿由附捍嬖诳帕＃岫陨璞冈斐闪瞬煌潭鹊母春湍ニ穑送猓涟韫讨谢崾刮锪霞缴璞福斐刹煌潭鹊那质春涂帕５哪ニ� [17]｡关于磨损腐蚀的机理研究，A. Stachowiak [18] 等采用 304 不锈钢材料进行腐蚀磨损实验，发现磨损导致腐蚀介质更快传递，在高温､强酸环境中加速腐蚀，而腐蚀通过引起材料脱落来增强磨损｡D.Y. Peña Ballesteros [19] 等认为磨损通过去除钝化层而增强腐蚀，至于腐蚀增强磨损，推测是颗粒撞击表面导致后者的劣化，并且腐蚀溶解加工硬化表面增加表面粗糙度｡除了磨损腐蚀之外外，也存在应力与腐蚀共同出现，赵玉峰 [20] 指出了化工设备天然气管道应力腐蚀复合失效问题｡赵倩茹 [21-22] 等对应力腐蚀失效原因进行了分析，指出化工设备制造过程中的焊接､热处理或机械加工存在残余应力；机械载荷､热膨胀或冷缩､振动等因素引发工作应力；还有结构设计不合理或安装缺陷导致局部拉应力集中，这些都会造成应力腐蚀，应力与腐蚀共同作用，往往比单一的损伤更严重｡
2、化工设备损伤防护的改进方案
石油行业安全关系着国家能源安全和国民经济命脉，化工设备的失效直接影响着石化工厂的安全运行｡针对化工设备失效，许多学者都提出了一系列优化改进方案，主要集中在三方面：一､新材料替代；二､材料表面涂层处理；三､化工设备的优化设计｡
2.1 新材料替代
为提高化工设备防护能力，首先考虑的是用高性能的材料进行替代，达到延长使用寿命的目的｡陈富荣 [23] 等人针对高温高压环境下化工设备失效问题，指出用满足高温高压环境使用金属合金替代原本材料｡Jiapeng Fu [24] 等人研究 TP347HFG 奥氏体耐热钢在不同压力下的热腐蚀，发现当压力增大时，奥氏体的耐蚀性更好，而过高的压力则会导致微裂纹和缺陷的形成，降低材料的耐蚀性，可采用 TP347HFG 奥氏体耐热钢替代｡此外，吴勇 [25] 等人通过实验研究合金 Inconel625 和 Inconel601 在 1100℃高温氯离子腐蚀工况下的腐蚀数据，结果表明，Inconel625 合金由于 Nb 元素存在，增大了氧化膜的附着力，使其耐蚀性优于 Inconel601 合金｡
2.2 材料表面涂层处理
除了寻找高性能材料之外，另一址椒ㄊ嵌曰ど璞附斜砻娲恚袼� [26] 等以 1045 不锈钢作为基体，配制特殊镍溶液，制备出防腐镀层｡试验表明，制备的防腐镀层腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度下降，有良好的耐腐蚀性｡除此之外，也有学者利用涂层制备技术，制备高性能涂层，冯进宇 [27] 等制备不同粉末配比的 Ti-Al-(C,N) 涂层，合适的配比对组织具有细化和弥散强化作用，硬度提高 2.4 倍｡周璇 [28] 等制备 TiAl 涂层研究其在 600~1000℃氧化 50h 的氧化行为及氧化机理等，表明 TiAl 涂层在不同温度的氧化增重仅为 TC4 的 12.5%~55.6%, 抗高温氧化性能优异｡总之，在化工设备表面进行涂层处理，能极大提高化工设备的使用寿命｡
2.3 化工设备的优化设计
此外，对化工设备进行优化设计也成为一种新方式｡娄秀鹏 [29] 等人发现高温高压环境下，化工设备极易产生复杂的热应力，不仅会导致局部应力集中，甚至热疲劳和结构损伤，针对这一问题，提出一种新型压力容器的优化设计方案｡武培森､徐龙武 [30-31] 等人针对化工工程管道存在问题，提出管材选取和布置的优化方案｡Rui Yang [32] 等人提出了一种基于机器学习的旋转设备优化系统，用于优化 C5 轻烃混合物分离工艺中预加氢进料泵的流量控制，通过采集石化厂 4200 组数据，筛选出液位､阀门开度､泵入口压力､泵出口压力 4 个关键特征变量，并进行控制时催化剂损失降低｡
3、总结与展望
总的来说，特殊环境中化工设备损伤失效的研究工作取得了长足的发展，在腐蚀､磨损､高温高压及复合环境方面进行了分析和总结｡但是，随着化工设备在越来越复杂环境中运行，其的失效变得更加频繁，所以针对未来对化工设备的损伤研究，有以下几个方面:
1) 特殊环境下失效机制和损伤规律以及交互协同影响的机理与本质研究较少｡随着我国化工行业的发展，在特殊环境中运行成为不可避免的趋势，多种因素交互作用下引起化工设备失效问题已成为更加亟需解决的难题｡
2) 针对化工设备进行失效分析，建立化工设备寿命预测和可靠性分析｡构建适合于复杂工况下化工设备的失效模型，建立化工设备的失效行为和环境介质的对应关系，并根据模型进行可靠性分析｡
3) 服役的化工设备在特殊环境中失效问题，可考虑具有更高性能的防护材料代替；其次，对化工设备易失效的部位进行涂层处理，增加化工设备使用寿命；另外，可以对化工设备优化设计｡
参考文献
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（注，原文标题：特殊环境中化工设备损伤与防护进展研究）