1.3.Причины возникновения отказов

Разработка научно обоснованных мероприятий по назначению, обеспечению и поддержанию оптимального уровня надежности производств базируется на глубоком изучении физической, химико-технологической и структурно-технической природы отказов отдельных ХТП, аппаратов, машин и технологических схем в целом. Отказы ХТП, единиц оборудования и технологических схем могут быть вызваны различными причинами или факторами на всех этапах существования, или жизни, ХТС: проектирования, изготовления и сооружения, а также эксплуатации [1,2,4].

Выделим три класса отказов ХТС (элементов) по причинам их возникновения: проектно-конструкционные, производственно-изготовительные и эксплуатационно-технологические отказы [1,2,7-9].

Проектно-конструкционный отказ - это отказ, возникший» вследствие несовершенства используемых методов проектирования ХТП, технологических схем и методов конструирования оборудования, в результате нарушения установленных правил и норм проектирования ХТП, технологических схем, инженерно-транспортных коммуникаций и производственных сооружений;. в результате несоблюдения установленных правил и норм конструирования аппаратов, машин и трубопроводов, правил и норм размещения оборудования и трассировки трубопроводов, а также вследствие малой достоверности принимаемых проектно-конструкторских решений и ошибок разработчика (проектировщика или конструктора).

Производственно-изготовительный отказ - это отказ, возникший вследствие нарушения или несовершенства технологических процессов изготовления, сборки или ремонта оборудования и инженерно-транспортных коммуникаций; неудовлетворительного качества монтажа, профилактического обслуживания, очистки и подготовки к пуску аппаратов, машин и трубопроводов, а также в результате ошибок различных специалистов, которые участвуют в изготовлении, монтаже и ремонте оборудования.

Эксплуатационно-технологический отказ—это отказ, возникший вследствие нарушения принятых в технологическом регламенте оптимальных значений параметров функционирования ХТП; установленных правил или условий эксплуатации оборудования и инженерно-транспортных коммуникаций, а также в результате различного рода повреждений, естественных процессов старения и износа оборудования и трубопроводов; вследствие неисправной работы АСУ ТП, систем защитных блокировок, систем водо-, тепло- и электроснабжения; вследствие влияния агрессивных перерабатываемых веществ на ХТП и тяжелых режимов функционирования ХТП (высокие температуры, давления и т. п.), а также в результате непредусмотренных воздействий окружающей среды на ХТП и ошибок обслуживающего персонала.

Известно немало случаев в зарубежной практике освоения крупнотоннажных агрегатов, когда дефекты конструкций или изготовления оборудования, неправильно примененные материалы, неудовлетворительное качество монтажа оборудования и очистки его, а также плохая подготовка оборудования к пуску были причинами длительных задержек ввода агрегатов в эксплуатацию, серьезных неполадок и аварий [1,13].

Результаты многолетних исследований надежности различных производств свидетельствуют о том, что по удельному весу в общем числе отказов указанные три класса отказов по причинам их возникновения в среднем распределяются следующим образом [2]: 40 - 50%проектно-конструкционные отказы; 30 - 40%производственно-изготовительные и 15 - 25%эксплуатационно-технологические. Возникновение любых отказов ХТС (элементов) при ее функционировании обусловлено совокупностью ряда различных причин, влияющих на работоспособность системы или элемента в процессе их проектирования, изготовления и эксплуатации. Указанные причины можно подразделять на объективные, или внешние; и субъективные, или внутренние [11,29].

Рассмотрим некоторые важнейшие причины, приводящие к возникновению проектно-конструкционных отказов, которые наиболее существенно влияют на надежность и безопасность производств.

К объективным причинам относится объективно существующая на стадии проектирования неполнота экспериментальной информации о параметрах равновесия и физико-химических свойств веществ и их смесей при различных температурах и давлениях, неопределенность исходной информации об изменении активности катализаторов, о кинетических параметрах химических, диффузионных и теплообменных процессов, имеющих сложную детерминированно-стохастическую природу, а также неполнота информации о сложной гидродинамической структуре потоков внутри аппаратов [1,4,32].Кроме того, к неопределенной информации относятся стохастически изменяющиеся параметры сырья, топлива и энергии, внешние, климатические условия функционирования ХТС, конъюнктурные изменения производительности ХТС по выпуску некоторого продукта. Указанная неполнота исходной информации существенно влияет на степень достоверности или надежности принимаемых проектных решений. Достоверное проектное решение должно давать такие значения конструкционных параметров оборудования ХТС и такие значения, или пределы, изменения оптимизирующих технологических переменных процессов, которые при функционировании ХТС обеспечивают выполнение с некоторой степенью вероятности, или статистической оптимальности, требований задания на проектирование при любых значениях неопределенных параметров ХТП и возмущающих воздействиях внутри области их допустимых значений и при соблюдении заданных в регламенте технологических ограничений [1].

Весьма существенной объективно-субъективной причиной является научно-технический уровень используемых методов проектирования ХТП и технологических схем, а также методов конструирования оборудования [1-3,38,43-51].

К структурно-техническим особенностям крупнотоннажных ХТС, которые весьма существенно влияют на возникновение проектно-конструкционных отказов, относятся многомерность системы по числу входящих в нее единиц оборудования и по числу технологических связей между оборудованием; сложность структуры технологических связей между единицами оборудования; большая неравномерность распределения числа технологических связей, принадлежащих каждой единице оборудования. К наиболее часто встречающимся в проектах крупнотоннажных агрегатов недоработкам и ошибкам, которые приводят к снижению их безопасности и надежности, относятся: недостаточно глубокое изучение свойств исходного сырья и конструкционных материалов, а также физико-химической сущности ХТП, в которых могут возникнуть благоприятные условия для взрывов и пожаров; отсутствие научно обоснованных решений по созданию высококачественных систем автоматического регулирования (САР) и систем защитных блокировок, которые являются функциональными подсистемами распределенных АСУ ТП, по созданию надежных систем электро-,тепло- и водоснабжения агрегатов; по выбору оптимальной компоновки оборудования с целью снижения взрывоопасности агрегатов.

Рассмотрим более подробно некоторые примеры этих недоработок и ошибок [13], являющихся причинами возникновения проектно-конструкционных отказов. При выборе исходного сырья и конструкционных материалов не всегда изучаются полные характеристики всех имеющихся примесей и их роль в технологическом процессе, что исключает своевременную разработку мер для устранения отрицательного влияния примесей на ХТП (элементы) и предотвращения возможности возникновения аварийных ситуаций.

Например, известны случаи, когда неучтенный хлор в углеводородном сырье вызывал коррозию реакционных труб печи парового риформинга и другого оборудования, отравлял некоторые катализаторы и загрязнял получаемый продукт. Аналогичные результаты получались при использовании загрязненного хлором воздуха в качестве сырья для производства аммиака по схеме с двухступенчатым риформингом углеводородного газа и нефти. Появление в природном газе ранее отсутствовавших органических соединений серы привело к снижению активности катализатора парокислородного риформинга и к изменению его температурного режима. В результате этих факторов в синтез-газе появились примеси ацетилена, которые на стадии очистки медно-аммиачным раствором в установке получения водорода образовали при нарушении режима регенерации осадок взрывчатой ацетиленовой меди.

В одном из крупнотоннажных агрегатов аммиака с применением высокой низкотемпературной конверсии оксида углерода было предусмотрено внешнее использование избыточного высокопотенциального пара, получаемого при рекуперации внутренней тепловой энергии экзотермического технологического процесса. Получение пара было предусмотрено из глубоко деминерализованной воды с добавкой к ней конденсата, образующегося при охлаждении реакционных смесей пара с синтез-газом.

После пуска агрегата были обнаружены в избыточном паре и конденсате большие количества аммиака и органических соединений. Аммиак и органические соединения были найдены при выяснении причин нарушений плотности арматуры паропроводов у потребителей пара и конденсата на заводе; была нарушена также работа химической водоочистки. Исследованиями установлено, что аммиак и органические соединения образуются при конверсии СО в результате побочных реакций. Для обеспечения безопасности работы других потребителей пара и конденсата, загрязненных аммиаком и органическими соединениями, пришлось разработать и осуществить ряд дополнительных принципиальных и дорогостоящих мероприятий.

Не меньшее значение для обеспечения безопасности агрегатов имеет глубокое и всестороннее изучение физико-химической сущности процессов, в которых могут создаваться благоприятные условия для взрывов и пожаров. К таким ХТП следует прежде всего отнести процессы окисления, нитрования, гидрирования, хлорирования и др. Для разработки мер по предупреждению взрывов при осуществлении новых ХТП должны быть изучены: механизм и кинетика химических реакций; условия образования и накопления промежуточных и побочных продуктов; взрывоопасность всех продуктов; интенсивность и равномерность отвода реакционного тепла, а также равномерность распределения реагирующих компонентов в аппарате; роль температуры и давления, а также других факторов, на основании которых должны быть определены оптимальные технологические параметры ХТП, конструкции аппаратов, разработаны средства защиты и предупреждения взрывов.

При проектировании крупнотоннажных агрегатов следует иметь в виду, что сохранение проверенных в эксплуатации конструкций аппаратов допустимо до определенных размеров, выше которых ухудшаются гидроаэродинамические показатели, тепло - и массообмен, появляются застойные зоны и т. д. По этим причинам и для интенсификации аппаратов, а также для создания крупнотоннажных аппаратов с габаритами, позволяющими осуществлять их транспортировку по железным дорогам необходимо разрабатывать новые конструкции аппаратов.

При выборе конструкционных материалов для оборудования и трубопроводов, а также типоконструкций аппаратов следует обращать особое внимание на возможность коррозионного растрескивания сталей в агрессивных рабочих средах, в том числе и в аммиаке.

Ряд аварий произошел вследствие того, что при проектировании и эксплуатации крупнотоннажных агрегатов не была предусмотрена возможность течения газа или жидкости в обратном направлении [23].Однако обратное движение потоков газов или жидкостей иногда может происходить, и для подобных случаев необходимо предусмотреть меры предосторожности[64].