過(guò)火絕熱反應(yīng)器合于使用評(píng)價(jià)研究

孫艾

摘? 要：文章基于API579標(biāo)準(zhǔn)中的合于使用評(píng)價(jià)方法對(duì)某石化企業(yè)一臺(tái)過(guò)火后的絕熱反應(yīng)器進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)合火災(zāi)報(bào)告、宏觀檢查、無(wú)損檢測(cè)和理化檢測(cè)結(jié)果，在存在一定量局部減薄和平直度異常的情況下，通過(guò)1級(jí)評(píng)價(jià)和2級(jí)評(píng)價(jià)后認(rèn)為該壓力容器滿足使用要求，并根據(jù)腐蝕速率確定了該壓力容器的使用壽命。

關(guān)鍵詞：過(guò)火;絕熱反應(yīng)器;壓力容器;合于使用評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U214.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0078-04

Abstract： Based on the "Fitness-for-Service" Evaluation of API579-1/ASME FFS-1 2007， this paper evaluates a fire adiabatic reactor in a petrochemical enterprise. Combined with fire report， macro inspection， and the results of nondestructive testing， physical and chemical testing， it is considered that the pressure vessel meets the requirements of use through Level 1 evaluation and Level 2 evaluation， even if there is a certain amount of local thinning and flatness anomaly， and the service life of the pressure vessel is determined according to the corrosion rate.

Keywords： fire; adiabatic reactor; pressure vessel; "Fitness-for-Service" Evaluation

引言

某化工公司二醇醚裝置發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)事故調(diào)查組對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘查后認(rèn)定火災(zāi)的起火點(diǎn)為該裝置一層地面的環(huán)氧乙烷儲(chǔ)槽。位于裝置平臺(tái)第四層的絕熱反應(yīng)器過(guò)火，為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，該公司擬繼續(xù)使用該絕熱反應(yīng)器，需要對(duì)其進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，以保障其能夠繼續(xù)安全使用。

對(duì)于暴露在火災(zāi)高熱度條件下的壓力容器設(shè)備而言，其可能會(huì)發(fā)生目視可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)損害，如變形和開(kāi)裂，也可能會(huì)發(fā)生不可目視直接觀察的材料組織劣化，如碳鋼的球化、晶粒的生長(zhǎng)等，導(dǎo)致設(shè)備受壓構(gòu)件屈服強(qiáng)度和斷裂韌性降低。因此，在評(píng)價(jià)過(guò)火后的承壓設(shè)備能否繼續(xù)服役時(shí)，僅僅依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度校核，并用常規(guī)的檢測(cè)手段進(jìn)行宏觀和表面無(wú)損檢測(cè)，是不夠完善也是不合理的。采用API579標(biāo)準(zhǔn)的合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)為過(guò)火承壓構(gòu)件及設(shè)備的合于使用提供了一種定量的工程評(píng)價(jià)方法。

1 過(guò)火壓力容器合于使用評(píng)價(jià)方法與流程

基于合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)過(guò)火壓力容器評(píng)價(jià)的目的是指導(dǎo)過(guò)火壓力容器設(shè)備的運(yùn)行、維修或更換，即：

（1）過(guò)火承壓構(gòu)件及設(shè)備在當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)及適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)/檢查程序條件下是否能夠繼續(xù)安全服役。

（2）如在當(dāng)前條件下不能繼續(xù)安全使用，給出繼續(xù)服役的最大允許工況條件與監(jiān)測(cè)/檢查程序。

（3）設(shè)備維修及后續(xù)運(yùn)行的監(jiān)控與再評(píng)價(jià)。

（4）設(shè)備替換或報(bào)廢的判定。

（5）在役監(jiān)測(cè)和定期檢驗(yàn)的建議。

API579標(biāo)準(zhǔn)的合于使用評(píng)價(jià)按照評(píng)價(jià)水平分為1-3級(jí)，評(píng)價(jià)流程如圖1所示。進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)首先對(duì)過(guò)火壓力容器的參數(shù)信息和使用情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)的情況確定壓力容器所處的熱暴露區(qū)，然后進(jìn)行必要的過(guò)火設(shè)備檢測(cè)，最后按照評(píng)價(jià)原則進(jìn)行合于使用的1級(jí)或2級(jí)評(píng)價(jià)。1級(jí)和2級(jí)評(píng)價(jià)的步驟如圖1。

1級(jí)評(píng)價(jià)方法是一種篩選準(zhǔn)則，其允許過(guò)火壓力容器繼續(xù)服役的可接受性是基于指定的熱暴露區(qū)和被評(píng)價(jià)設(shè)備材料的冶金學(xué)知識(shí)。篩選準(zhǔn)則是保守的，且不需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定設(shè)備是否繼續(xù)服役。一般對(duì)于處于Ⅳ級(jí)及以下熱暴露區(qū)的壓力容器，以1級(jí)評(píng)價(jià)為主。如果1級(jí)評(píng)價(jià)沒(méi)有通過(guò)，則需要對(duì)壓力容器進(jìn)行：（1）修理、替換或者報(bào)廢設(shè)備/構(gòu)件;（2）進(jìn)行2級(jí)或3級(jí)評(píng)價(jià);（3）設(shè)備或構(gòu)件的再評(píng)價(jià)。

2級(jí)評(píng)價(jià)是通過(guò)估計(jì)遭受火災(zāi)損害設(shè)備的材料強(qiáng)度，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)的完整性做出較好的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法包括對(duì)火災(zāi)發(fā)生期間的缺陷和損傷（如局部較薄區(qū)域、破裂類缺陷和管壁變形）的評(píng)價(jià)方法重新定級(jí)。一般處于熱暴露區(qū)Ⅴ級(jí)及以上的構(gòu)件、宏觀檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)尺寸明顯變化、硬度值異常、金相顯微組織變化、局部減薄或裂紋缺陷時(shí)選擇2級(jí)評(píng)價(jià)。如果沒(méi)能通過(guò)2級(jí)評(píng)價(jià)，則需要對(duì)壓力容器進(jìn)行：（1）維修、替換或報(bào)廢構(gòu)件;（2）通過(guò)應(yīng)用補(bǔ)救措施調(diào)整腐蝕余量;（3）通過(guò)執(zhí)行額外的檢測(cè)和重復(fù)評(píng)價(jià)調(diào)整焊縫系

數(shù);（4）執(zhí)行3級(jí)評(píng)價(jià)。

如果使用2級(jí)評(píng)價(jià)方法采用的簡(jiǎn)化應(yīng)力分析得到的材料強(qiáng)度導(dǎo)致評(píng)價(jià)不可接受時(shí)，就可采用3級(jí)評(píng)價(jià)方法，即采用詳細(xì)的應(yīng)力分析技術(shù)、金相或材料測(cè)試以評(píng)價(jià)設(shè)備。

2 過(guò)火絕熱反應(yīng)器合于使用評(píng)價(jià)

2.1 數(shù)據(jù)收集

查閱該絕熱反應(yīng)器的設(shè)備檔案，未發(fā)現(xiàn)維修改造記錄，最近一次定期檢驗(yàn)安全狀況等級(jí)為3級(jí)，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所示。根據(jù)火災(zāi)分析報(bào)告，起火點(diǎn)/火源的位置為地面的環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐。環(huán)氧乙烷的物理性質(zhì)為：

（1）沸點(diǎn)10.8℃，常溫下為無(wú)色氣體。

（2）易燃易爆，與空氣混合的爆炸極限為3～100%。

（3）自燃溫度為429℃，分解爆炸溫度為571℃。

（4）在空氣中燃燒后生成CO2和H2O。

火災(zāi)發(fā)生前工藝操作正常，火災(zāi)事故持續(xù)8小時(shí)左右后被撲滅。

2.2 過(guò)火設(shè)備檢測(cè)

2.2.1 外部宏觀檢查

該絕熱反應(yīng)器位于火源上方的四層平臺(tái)上，反應(yīng)器外部包裹硅酸鋁鎂保溫層。過(guò)火后的設(shè)備如圖2所示，保溫層外鐵皮呈藍(lán)色，局部有氧化結(jié)垢的黑色，由此可判斷設(shè)備處于重度熱暴露區(qū)Ⅴ（482℃左右），而設(shè)備本體呈黃色，處于中度熱暴露區(qū)Ⅳ。但是，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，絕熱反應(yīng)器的支撐鋼結(jié)構(gòu)過(guò)火彎曲，可見(jiàn)火焰溫度曾經(jīng)達(dá)到760℃或更高。

拆除保溫后發(fā)現(xiàn)，絕熱反應(yīng)器局部存在腐蝕現(xiàn)象，由于支撐鋼結(jié)構(gòu)過(guò)火彎曲，后續(xù)檢測(cè)中應(yīng)追加水平直線度檢測(cè)。

2.2.2 壁厚測(cè)定

對(duì)絕熱反應(yīng)器進(jìn)行壁厚測(cè)定，筒體和封頭的實(shí)測(cè)最小壁厚未見(jiàn)異常，但是在彎頭處實(shí)測(cè)壁厚只有11.4mm，存在明顯的局部腐蝕。

2.2.3 表面無(wú)損檢測(cè)

按照NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備受火面焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，接管進(jìn)行滲透檢測(cè)，結(jié)果為Ⅰ級(jí)合格。

2.2.4 硬度結(jié)果

對(duì)設(shè)備熱暴露區(qū)的碳鋼構(gòu)件母材進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)3次取平均值，其結(jié)果為124HV。硬度值按照API579標(biāo)準(zhǔn)附錄F中的表F.1可以轉(zhuǎn)換為構(gòu)件材料的極限抗拉強(qiáng)度?？紤]到設(shè)備材料為國(guó)內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)，此次評(píng)價(jià)按照GB/T1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》進(jìn)行換算后可以得到其抗拉強(qiáng)度大約為430MPa。

2.2.5 金相結(jié)果

對(duì)設(shè)備熱暴露區(qū)構(gòu)件的母材進(jìn)行金相檢測(cè)抽查，觀察組織形貌，參照DL/T674-1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行球化等級(jí)評(píng)定。

對(duì)于16MnR等低合金鋼材料，正常的金相組織為鐵素體+珠光體。珠光體由片狀的滲碳體和鐵素體相間組成。由于片狀珠光體是一種亞穩(wěn)態(tài)組織，在一定溫度和持續(xù)時(shí)間下，滲碳體將轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钐蓟铮⒋嬖诰奂L(zhǎng)大的趨勢(shì)。這種變化將導(dǎo)致材料高溫和常溫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的降低。通常在649～732℃溫度范圍，幾個(gè)小時(shí)的暴露時(shí)間，就可以發(fā)生珠光體的球化。從抽檢的金相組織照片（見(jiàn)圖3）可見(jiàn)，絕熱反應(yīng)器的金相組織仍然是鐵素體+珠光體組織，其球化等級(jí)為2級(jí)，屬于傾向性球化，因此設(shè)備不可能處于熱暴露區(qū)Ⅴ。

2.2.6 平直度檢測(cè)

采用全站儀對(duì)絕熱反應(yīng)器進(jìn)行水平偏移測(cè)量，結(jié)果表明，從進(jìn)料口至第一個(gè)90°彎頭的直管段，水平偏移量最大值為75mm。

2.3 合于使用評(píng)價(jià)

2.3.1 熱暴露區(qū)的確定

依據(jù)2.1收集的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和2.2.1宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的溫度跡象，可以確定絕熱反應(yīng)器所處的空間溫度較高，處于熱暴露區(qū)Ⅴ，但是由于設(shè)備外部包裹了硅酸鋁鎂保溫層，絕熱良好，設(shè)備本體的熱暴露區(qū)比所在位置的外部空間低，經(jīng)2.2.4硬度檢測(cè)和2.2.5金相照片能夠印證以上的判斷，并且可以確定設(shè)備本體處于熱暴露區(qū)Ⅳ。

2.3.2 1級(jí)評(píng)價(jià)

由2.2.2設(shè)備壁厚測(cè)量結(jié)果可知，絕熱反應(yīng)器壁厚發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)首先對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。另外由2.2.6可知，設(shè)備的水平偏移量較大，也有必要進(jìn)行評(píng)價(jià)后再對(duì)設(shè)備的影響進(jìn)行1級(jí)評(píng)價(jià)。

（1）絕熱反應(yīng)器強(qiáng)度校核

由于該設(shè)備長(zhǎng)徑比較大，且采用固定管托和滑動(dòng)管托等支撐，因此采用管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行壁厚校核。

由于實(shí)測(cè)最小壁厚在反應(yīng)器90°彎頭處，可根據(jù)GB/T20801.3標(biāo)準(zhǔn)第6.2條款中彎頭的計(jì)算厚度公式進(jìn)行壁厚校核，其公式如下：

（1）

彎頭中心線：I=1.0 （4）

其中：tw為計(jì)算厚度，mm;p為設(shè)計(jì)壓力，MPa;D為管道外徑，mm;S為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用壓力;？準(zhǔn)為管道縱焊縫的焊接接頭系數(shù);I和Y均為計(jì)算系數(shù)。

依據(jù)表1，將p=5.5MPa，D=426mm，S=158MPa，？準(zhǔn)=1.0，Y=0.4代入上面公式，那么：

彎頭內(nèi)側(cè)：I=1.11，計(jì)算壁厚tw=8.1mm;

彎頭外側(cè)：I=0.774，計(jì)算壁厚tw=5.68mm;

彎頭中心線：I=1.0，計(jì)算壁厚tw=7.31mm。

而彎頭實(shí)測(cè)壁厚最小值為11.4mm，扣除腐蝕余量C2=1.0mm，仍然大于計(jì)算壁厚，強(qiáng)度校核合格。

（2）絕熱反應(yīng)器平直度評(píng)價(jià)

由絕熱反應(yīng)器平直度測(cè)量2.2.6可知，其水平偏移量最大值為75mm。由于絕熱反應(yīng)器長(zhǎng)徑比較大，可以參照工業(yè)管道對(duì)水平管道平直度的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)GB50235-2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》中7.3.19條款和GB50184-2011《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中7.3.11條款之規(guī)定，對(duì)于？準(zhǔn)426的水平管道，平直度≤3‰的管道有效長(zhǎng)度，最大為80mm。由圖紙可知，絕熱反應(yīng)器從進(jìn)料口至第一個(gè)90°彎頭的直管段，總長(zhǎng)度為25.45m，其平直度要求偏移最大值為76.35mm，水平偏移量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）1級(jí)評(píng)價(jià)

由于絕熱反應(yīng)器本體的最高熱暴露區(qū)為Ⅳ，按照API579標(biāo)準(zhǔn)中表11.12的規(guī)定，對(duì)于低合金鋼設(shè)備，處于熱暴露區(qū)Ⅳ及以下的均滿足1級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，可以繼續(xù)使用。因此絕熱反應(yīng)器滿足1級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，可以繼續(xù)使用。

2.3.3 2級(jí)評(píng)價(jià)

由于該絕熱反應(yīng)器屬于核心設(shè)備，并且宏觀出現(xiàn)明顯的水平偏移量，雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是出于安全性考慮，仍然需要對(duì)其進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)。

2級(jí)評(píng)價(jià)需要首先根據(jù)硬度檢測(cè)結(jié)果中推算出的極限抗拉強(qiáng)度計(jì)算出過(guò)火構(gòu)件的許用應(yīng)力，其公式如下：

其中：Safd為過(guò)火材料的許用應(yīng)力，MPa;S為基于硬度測(cè)試得到的極限抗拉強(qiáng)度，MPa;SaT為在設(shè)計(jì)溫度下原始設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，MPa;SaA為在硬度測(cè)試時(shí)的室溫條件下原始設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，MPa;Cism為原始設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)中基于極限抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)。

根據(jù)2.2.4可知，過(guò)火后16MnR構(gòu)件的極限抗拉強(qiáng)度S=430MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃下的材料許用應(yīng)力SaT=158MPa，室溫條件下材料的許用應(yīng)力SaA=163MPa。依據(jù)GB/T20801.3設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，基于抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)Cism=3.0。將以上數(shù)據(jù)代入公式（5），可以計(jì)算得出過(guò)火16Mn構(gòu)件的許用應(yīng)力Safd=138.9MPa，較設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力的SaT小，證明材料變軟。

彎頭最大允許工作壓力MAWP計(jì)算公式如下：

從表1可知，設(shè)計(jì)壓力Pc=5.5MPa，外徑D=426mm，最小壁厚？啄m=11.4mm，腐蝕余量C2=1.0mm，？準(zhǔn)=1.0，Safd=138.9MPa，由公式（6）可以計(jì)算得出MAWP。

彎頭內(nèi)側(cè)：I=1.11，MAWP=6.23MPa;

彎頭外側(cè)：I=0.774，MAWP=8.93MPa;

彎頭中心線：I=1.0，MAWP=6.91MPa。

過(guò)火構(gòu)件表面經(jīng)外部宏觀檢查和表面無(wú)損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其他缺陷，也未發(fā)生蠕變?nèi)毕?，最大允許工作壓力MAWP>設(shè)計(jì)壓力Pc，因此滿足2級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

2.4 剩余壽命估算

對(duì)于受火災(zāi)影響的設(shè)備，API579標(biāo)準(zhǔn)并未提供與專門(mén)的剩余壽命估算方法，設(shè)備的剩余壽命是基于其受到的其他損傷形式而決定的。

對(duì)于絕熱反應(yīng)器，彎頭部位存在嚴(yán)重的局部腐蝕，需要計(jì)算腐蝕速率，估算其剩余壽命。

查閱絕熱反應(yīng)器設(shè)備檔案可知，該設(shè)備自投用以來(lái)已使用5年，設(shè)備公稱壁厚16mm，此次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)彎頭實(shí)測(cè)最小壁厚？啄m為11.4mm，可估算腐蝕速率v為0.92mm/yr。根據(jù)彎頭處最大計(jì)算厚度tw為8.1mm，可估算其剩余壽命T如下：

T=（？啄m-tw-C2）/v=（11.4-8.1-1）/0.92=2.5年。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）由現(xiàn)場(chǎng)溫度跡象以及金相檢測(cè)結(jié)果可以判斷，評(píng)價(jià)設(shè)備本體處于中度熱暴露區(qū)Ⅳ及以下。

（2）本次合于使用評(píng)價(jià)采用API579標(biāo)準(zhǔn)，絕熱反應(yīng)器滿足2級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，可以繼續(xù)使用。

（3）絕熱反應(yīng)器水平偏移量最大值為75mm，經(jīng)評(píng)價(jià)可以繼續(xù)使用。

（4）絕熱反應(yīng)器的90°彎頭壁厚明顯減薄，絕熱反應(yīng)器檢驗(yàn)周期不應(yīng)超過(guò)2.5年，可結(jié)合檢修更換減薄部位的彎頭后繼續(xù)使用。

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