Химия өнеркәсібінде құрылымдық тұрақтықты қалай қамтамасыз ету керек?

Химия өнеркәсібіндегі болат конструкциялар тұрақтылығына әсер ететін ерекше қиыншылықтарды түсіну

Құбылыс: Химиялық зауыттардағы қоршаған орта мен жұмыс режимінің әсерлері

Химиялық өнеркәсіптегі болат конструкциялар өте қатаң жағдайлармен кездеседі. Олар тәулік бойы жұмыс істейтін ауыр машиналардан туындайтын термиялық циклдеу (плюстен минус 200 градус Фаренгейтке дейін), 0-ден 14-ке дейінгі рН спектріндегі химикаттармен тұрақты контакт және үздіксіз тербелістерге ұшырайды. Бұл барлық кернеулер жорғалау трещинаның пайда болуы мен кернеулі коррозия сияқты мәселелерді шынымен жылдамдатады. Сандар да өзінше сөйлейді — NACE-тің соңғы зерттеуі бойынша химиялық зауыттар жыл сайын тек коррозиялық зақымдануды жөндеуге шамамен 740 000 АҚШ долларын жұмсайды. Теңіз жағалауында орналасқан объектілерде жағдай одан да нашарлайды, мұнда тұзды ауа коррозия жылдамдығын ішкі аймақтарда бақыланатын деңгейден төрт есе дейін арттыруы мүмкін, бұл ASTM B117 стандартты тесттері арқылы расталған. Өнеркәсіптік есеп берулерге сүйенсек, құбыр сөредері мен реактор тіректері сияқты негізгі бөлшектердегі күрделі көпбағытты кернеулермен жұмыс істеген кезде жүктемелерді модельдеуге ерекше назар аудару қажет деген пікір біртіндеп кеңейіп барады.

Принцип: Материалды таңдаудың ұзақ мерзімді құрылымдық бүтіндіктегі рөлі

Материалдардың техникалық талаптарына сай болмауы химиялық өңдеу қондырғыларындағы құрылымдық бұзылулардың 38%-ына әкеп соғады (ASM International 2024). Тиімді болатты таңдау үшін үш негізгі қасиетті тепе-теңдікте ұстау қажет:

Беріктікке ғана емес, жұмыс ортасына негізделіп материалдарды таңдау ұзақ мерзімді сенімділікті қамтамасыз етеді және циклдық құнын төмендетеді.

Зертханалық жағдай: Мұнай-химиялық қондырғыдағы болат қолдау тіреулерінің бұзылуының талдауы

2022 жылы Гольфиялық жағалаудағы этилен зауытында құлап қалған құбыр көпірлері маңызды конструкторлық кемшіліктерді айқындады:

• Хлор буы аймақтарында көміртегілі болаттың (ASTM A36) қолданылуы
• Пісірілген жіктерде кернеулі коррозиялық сызаттардың байқалмауы
• Жеткіліксіз коррозияға қарсы резерв (талап етілетіні 3,2 мм, ал белгіленгені — 1,5 мм)

Металлографиялық талдау басты бұзылу механизмі ретінде дән ішілік коррозияны анықтады, ол 2,1 млн доллар шығын мен жоспарланбаған 14 күн тоқтауға әкелді. Бұл оқиға материалдардың таңдауын орташа әсермен сәйкестендірудің маңыздылығын көрсетеді.

Болашақ: Биік беріктік пен коррозияға төзімді құймалардың кеңейту қолданылуы

Әлемдегі химиялық төзімді болат үшін рынок 2030 жылға дейін жыл сайын 6,8% өсуі күтілуде (MarketsandMarkets 2024), мыналардың енгізілуі арқасында:

• Теңіз суын салқындату жүйелері үшін никель-алюминий бронзасы құймалары
• Күкірт қышқылы концентраторларындағы жоғары энтропиялы құймалар (HEAs)
• Хлорға бай орталардағы 2205 дуплекстің аз коррозияға төзімді болаты

Бұл материалдар ASTM G48 стандарттары бойынша үдеулі коррозиялық сынақтар кезінде дәстүрлі көміртегілі болаттарға қарағанда 3–5 есе ұзақ қызмет етеді, сондықтан жоғары деңгейде әсерге ұшырайтын аймақтар үшін маңызды.

Уақыт өте коррозиялық орталар болатты қалай бүлдіреді

Химиялық зауыттарда құрылымдық мәселелердің негізгі себебі ретінде коррозия сақталып келеді және 2024 жылғы соңғы салалық деректерге сәйкес, онда барлық құрылымдық бұзылулардың шамамен 70% артығы осыған байланысты. Дүниежүзілік өнеркәсіптік сектор коррозиямен күресуге жылына 1,8 триллионнан астам доллар жұмсайды, ал химиялық өңдеу қондырғылары ғана осы үлкен шығынның шамамен төрттен бір бөлігін құрайды. Сонымен қатар, құбыр жүйелерінде жағдайды одан да нашарлататын микробиологиялық әсер ететін коррозия немесе қысқаша MIC деп аталатын құбылыс бар. Бактериялар нағыз мұндай құбырлардың бетінде өсіп, тамақтану кезінде сутегі сульфиді газын бөліп шығарады, бұл атмосфералық коррозиядан үш есе тезірек болат бетін бүлдіреді. Бұл биологиялық фактор өнеркәсіп бойынша қазірдің өзінде үлкен қиындық туғызатын техникалық қызмет көрсету мәселесіне тағы бір күрделілік қосады.

Коррозияның құрылымдық салдары: беріктіктің жоғалуы, шаршау және байланыстың төмендеуі

Коррозия құрылымдық өнімділікті бірнеше жолмен нашарлатады:

Хлорға бай орталарда бес жыл ішінде болаттың қаттылығы 25% төмендейді, бұл бұйымдардың бекіту орындарын әлсіретеді және фундаменттің бүтіндігін бұзады.

Зерттеу жағдайы: Хлор өңдеу зауытындағы коррозия шығуы және қайта жабдықтау шаралары

2022 жылдың басында Гульфиярде орналасқан зауытта ультрадыбыстық тексерулер таң қалдыратын нәрсені анықтады: суыту башнясының шашырауы ең күшті әсер еткен он екі тіреу бағанасының материалдық қалыңдығы тек сегіз он сегіз ай ішінде 18% -ға жуық жоғалтқан. Кәсіпорын жөндеуге шамамен төрт бүтін екі миллион доллар жұмсады. Олар бетінің SA 2,5 стандартына сай таза болуына дейін барлық ескі материалдарды тазалап, шамамен 75 микрон қалыңдықтағы цинк силликатты бастапқы қабат және одан кейін 125 микрондық алифатты полиуретанмен соңғы қаптама жағылды. Бұл жұмыстардан кейін жүргізілген үздіксіз тексерулер елеулі нәтиже көрсетті – коррозия жылдына 0,8 миллиметрден жылына 0,05 мм-ге дейін құлап, едәуір төмендеді. Дұрыс орындалған қаптама жүйелерінің қандай нәтижеге қол жеткізуі мүмкіндігін көрсететін мысал.

Жаңашылықтар: Қорғаныс үшін алдыңғы қатарлы қаптамалар мен бетін өңдеу

Коррозиядан қорғаудың келесі ұрпақ технологиялары оның қорғанысын түбегейлі өзгертуде:

• Графенмен күшейтілген эпоксидтік қаптамалар химиялық төзімділікті 200% жақсартады
• Тығыздағыштары бар термиялық шашыратылған алюминий (TSA) тұрақты бөгеттік қорғаныс қамтамасыз етеді
• Микрокапсуладағы ингибиторлары бар өзін-өзі емдейтін қаптамалар зақымдануға белсенді түрде жауап береді

Жүргізілген сынақтар сияқты қатты орталарда, мысалы күкірт қышқылын сақтауда, дәстүрлі бояу жүйелерімен салыстырғанда өмірлік шығындарды 62% азайтатын 3 жылдан 12 жылға дейінгі ұзақтықтағы техникалық қызмет көрсету интервалдарын ұзартатын шешімдерді көрсетеді.

Құрылымның қызмет ету мерзімін ұзарту үшін алдын ала техникалық қызмет көрсету және цифрлық бақылау

Өнеркәсіптік болаттан жасалған құрылымдардағы жиі кездесетін бұзылу үлгілері

Химиялық зауыттардың болат конструкцияларындағы ең кең тараған істен шығу түрлеріне кернеулі коррозиялық сындар (жағдайлардың 27%), 150°C асатын температура өзгерістерінен туындайтын жылулық шаршау (34%) және қышқыл ортада сутегінің индукцияланған сындары (22%) жатады. 1200 мұнайхимиялық тіректерге 2024 жылғы шолу нәтижесінде пайдаланудың сегіз жыл ішінде олардың 63%-ы рұқсат етілген коррозия порогынан асып кеткені анықталды (Materials Performance Report 2024).

Бағалы активтерді басқару және жабдықтардың сенімділігі бойынша ең жақсы тәжірибелер

Жоғары нәтиже көрсететін кәсіпорындар төрт негізгі стратегияны қолданады:

• Жоғары қысымды аймақтарда жарты жылда бір рет ультрадыбыстық қалыңдықты өлшеу
• Қаптаманың бұзылуын автоматтандырылған ұшатын аппараттар көмегімен карталау
• Агрегатты тоқтату кезеңдерінде қалдық кернеуді бағалау
• ISO 55001 стандартына сәйкес келетін активтерді басқару жұмыс үдерістері

Осы практикаларды енгізген зауыттар реактивті техникалық қызмет көрсетуге қарағанда 40–60% ұзақ қызмет ету мерзімін есептейді (Asset Integrity Management Review 2023).

Зерттеу мысалы: Аммиак өндіретін зауытта алдын ала техникалық қызмет көрсету арқылы тоқтап тұру уақытын азайту

Орталықтың бір аммиак өндіретін кәсіпорнында болжамды техникалық қызмет көрсету жүйесін маңызды болат конструкцияларға таратқаннан кейін құрылымдық авариялар 58% азайды. Бірінші кезеңдегі тербеліс талдауы 12 жоғары дәрежедегі қауіпті қосылыстарды анықтады және 4,7 миллион доллар шығынды болдырмақшы болды. Бағдарлама 18 ай ішінде 320% ROI көрсеткішіне жетті (Process Industry Weekly 2024).

Дамып келе жатқан бағыт: Құрылымдық денсаулықты бақылауда Интернет заттары мен сандық егіздер

Қазіргі заманның бақылау жүйесі 15-тен астам сенсор түрін машиналық оқыту алгоритмдерімен интеграциялайды. 2023 жылғы пилоттық жоба көрсеткенінше, цифрлық егіздер химиялық өңдеу құрылымдарының 94% ауқымында 2 мм дәлдікпен арқалықтың иілуін болжай алады. Бұл (Smart Manufacturing Digest 2024) деректері бойынша, зақымдануларды қолмен тексеруден 85% жылдам бағалауға мүмкіндік береді және істен шығу алдында уақытылы салынуға мүмкіндік туғызады.

Қатаң Химиялық Өңдеу Орталары Үшін Төзімді Болат Құрылымдарды Жобалау

Құбыр қаңқалары мен Жабдық Қолдауларындағы Жүктеме, Тербеліс және Жылулық Кернеуге Арналған Инженерлік Есептеулер

Болат құрылымдар реактор ыдыстары үшін 500 тоннаға дейін жететін пайдалану жүктемелері сияқты әртүрлі кернеулермен бірге 15-30 Гц аралығындағы гармоникалық тербелістерге, оның ішінде температура айырмашылығы 300 градус Фаренгейтке жететін жылу циклдарына да шыдай алуы керек. 2023 жылы NACE International жасаған соңғы зерттеулерде хлор булары немесе күкірт қышқылы буы сияқты қатты химикаттарға ұшыраған кезде болаттан жасалған тіреулердің шамамен үштен екісі дәл пісіру жіктерінде болатыны анықталды. Сондықтан заманауи инженерлік тәсілдер модульді құрылыс әдістерін жақсырақ материалдармен ұштастыруды қажет етеді. Дуплекс болат және ASTM A572 50-ші маркасы көбінесе ылғалдылық мәселесі әрқашан туындайтын жерлерде маңызды болып табылатын көміртегі болатымен салыстырғанда деформацияны шамамен 40 пайызға дейін азайтады.

Қауіпсіздік пен құны: Құрылымдық жаңартуларға инвестицияны теңестіру

Понменнің 2024 жылғы есебіне сәйкес, ржисып кеткен құбыр сөреді түзету шамамен сызықтық футына 450-740 доллар аралығында болады, бірақ көптеген компаниялар қаражат азайған кезде осындай жөндеу жұмыстарын кешіріп қояды. Соңғы кездері инфрақұрылымын жаңартқан бір аммиак өңдеу құрылғысын алайық. Алдын ала отыз негізгі тіреу арқасын беріктеп, олар бес жыл ішінде күтпеген тоқтап қалуларды шамамен 40 пайызға дейін азайтты. Қазіргі кезде жаңа бақылау технологиялары инженерлердің бөлшектер толық сынбай тұрып оларды ауыстыруына мүмкіндік береді. Мұндай тәсілді қабылдаған компаниялар әдетте бірдеңе сынғанша күтіп, содан кейін ғана жөндеуге қарағанда өмірлік үнемдеуі шамамен 18-22 пайыз болады.

Тактика: Беріктік үшін болат таңдау мен құрылымдық дизайнды оптимизациялау

Жетекші қондырғылар химиялық әсер ету үлгілерін модельдеу үшін сандық сұйықтық динамикасын (CFD) қолданады, ол жалын шоғырының тірегіндегі жоғары температуралық қорытпа штифті болттар сияқты бағытталған жаңартуларға мүмкіндік береді. Бұл дәлдікті инженерлік жұмыстар ASTM A923 стандартындағы денеаралық коррозияға төзімділікті қамтамасыз ете отырып, қызмет көрсету мерзімін 12–15 жылға созады.

Жиі қойылатын сұрақтар

Химиялық зауыттардағы болат конструкциялар тұрақтылығына қандай негізгі қиыншылықтар туындайды?

Химиялық зауыттар болат конструкцияларды температураның тербелісіне, pH спектрі бойынша химиялық әсерге, тербелістерге және жағалаулық коррозия қаупіне ұшыратады, соның салдарынан шаршау тресінуі мен коррозиялық кернеу мәселелері пайда болады.

Материалды таңдау химиялық өңдеу қондырғыларындағы құрылымдық беріктікті қалай жақсартуға мүмкіндік береді?

Ақау беріктігі, сынғыштық беріктігі және коррозияға төзімділігі сияқты қажетті қасиеттерге ие материалдарды, мысалы ASTM A572 50-ші маркалы және 316L арнайы болатты таңдау ұзақ мерзімді сенімділікті және циклдық құнын төмендетуді қамтамасыз етеді.

Химиялық зауыттардағы коррозиямен күресуде қандай инновациялар көмектесуде?

Графенмен күшейтілген эпоксидтер, жылулық ерітінділердегі алюминий және өзін-өзі түзету қабаттары сияқты күрделі қаптамалар техникалық қызмет көрсету интервалдарын біршама ұзартады және шығындарды азайтады.

Химиялық зауыттардағы болат конструкциялардың қызмет ету мерзімін ұзартуда алдын ала сақтандыру қалайша рөл атқарады?

Ультрадыбыстық қалыңдық өлшеулері, дрондар арқылы тексерулер мен болжау негізіндегі техникалық қызмет көрсету жүйелері сияқты технологияларды пайдалану авариялар болғанға дейін уақытылы араласу мүмкіндігін беру арқылы оқиғаларды азайтады және қызмет ету мерзімін ұзартады.