受火反應(yīng)釜合于使用評(píng)價(jià)研究

吳磊，楊銳，劉海光，高雷(.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院棗莊分院，山東 棗莊 77800； .德州市產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究院，山東 德州 53000)

0 引言

化工過(guò)程控制設(shè)備，不論是自身原因還是外界因素受到火災(zāi)波及，受火設(shè)備在火災(zāi)過(guò)程中都會(huì)受到不同程度的加熱和冷卻作用，造成不同程度的損傷，對(duì)于是否需要報(bào)廢、維修更換或者繼續(xù)使用，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)損傷合于使用評(píng)價(jià)。

1 受火反應(yīng)釜基本情況

某化工企業(yè)一臺(tái)反應(yīng)釜，作業(yè)人員在取樣過(guò)程中操作失誤，導(dǎo)致釜底取樣裝置閥門(mén)失效，大量可燃介質(zhì)泄漏引起火災(zāi)事故發(fā)生，造成多臺(tái)相鄰壓力容器和相連接管道及所處框架電線(xiàn)電纜在火災(zāi)中整體受火燒損，該臺(tái)反應(yīng)釜受火最為嚴(yán)重，雖然燃火及時(shí)撲滅，但這對(duì)于該設(shè)備能否繼續(xù)正常安全運(yùn)行，還需要進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，受火反應(yīng)釜基本參數(shù)如表1所示，受火部位如圖1所示。

圖1 反應(yīng)釜受火部位圖

表1 受火反應(yīng)釜基本參數(shù)

2 合于使用評(píng)價(jià)流程

GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》[1]給出了壓力容器、壓力管道、儲(chǔ)罐壁板承壓部件在火災(zāi)中受火焰沖擊、熱輻射，或在使用過(guò)程中因工藝超溫導(dǎo)致?lián)p傷的合于使用評(píng)價(jià)。

2.1 受火損傷

受火對(duì)承壓設(shè)備可能造成的損傷主要包括：

(1)變形、結(jié)構(gòu)損傷及由變形、拘束以及失去支撐引起的高殘余應(yīng)力、金屬開(kāi)裂。

(2)力學(xué)性能退化，主要表現(xiàn)在材料的軟化和脆化。軟化主要是由珠光體球化或回火導(dǎo)致，降低了材料的硬度；脆化主要包括因生成馬氏體、貝氏體和魏氏體等淬硬組織導(dǎo)致的脆化，高溫過(guò)熱表面滲碳導(dǎo)致的脆化。

(3)金相組織異常，主要表現(xiàn)在碳鋼和低合金鋼的晶粒長(zhǎng)大、馬氏體和魏氏體的轉(zhuǎn)變、珠光體的球化、蠕變孔洞的產(chǎn)生以及高碳合金的脫碳，失去正常金相組織，這是受火承壓設(shè)備常見(jiàn)的損傷形式，也是檢驗(yàn)的重點(diǎn)之一。

(4)耐蝕性、耐環(huán)境斷裂及耐蠕變性能退化。

2.2 評(píng)價(jià)流程

對(duì)受火承壓設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)前，需要獲取火災(zāi)記錄及設(shè)備信息，并根據(jù)其在火災(zāi)中達(dá)到的最高溫度將其劃分為不同等級(jí)的熱暴露區(qū)，在此基礎(chǔ)上，才可以進(jìn)一步對(duì)受火承壓設(shè)備進(jìn)行不同水平的受火評(píng)價(jià)，GB/T 35013—2018將評(píng)價(jià)方法分為3級(jí)，即1級(jí)評(píng)價(jià)、2級(jí)評(píng)價(jià)及3級(jí)評(píng)價(jià)。

(1) 1級(jí)評(píng)價(jià)是一種篩選評(píng)價(jià)方法，當(dāng)部件在火災(zāi)中所處的熱暴露區(qū)等級(jí)對(duì)部件材質(zhì)不會(huì)造成損傷時(shí)，可免予評(píng)價(jià)，繼續(xù)服役。

(2) 2級(jí)評(píng)價(jià)是通過(guò)對(duì)火災(zāi)部件的金相組織、硬度及尺寸變化的檢測(cè)，來(lái)評(píng)價(jià)火災(zāi)后部件的結(jié)構(gòu)完整性，包括對(duì)火災(zāi)期間部件產(chǎn)生的其他缺陷和損傷的評(píng)價(jià)。2級(jí)評(píng)價(jià)一般用于高級(jí)熱暴露區(qū)內(nèi)，或目視發(fā)現(xiàn)外形明顯變化的部件的評(píng)價(jià)。

(3)如果2級(jí)評(píng)價(jià)通不過(guò)，可采用3級(jí)評(píng)價(jià)，3級(jí)評(píng)價(jià)主要采用直接在火災(zāi)部件上取樣或采用模擬火災(zāi)熱處理試驗(yàn)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以消除2級(jí)評(píng)價(jià)的保守性。

2.3 火災(zāi)基本信息

按照GB/T 35013—2018規(guī)定，需要收集的火災(zāi)基本信息如表2所示。

表2 火災(zāi)基本信息匯總表

2.4 火災(zāi)熱暴露區(qū)劃分

按照GB/T 35013—2018的規(guī)定，火災(zāi)熱暴露區(qū)共劃分為6個(gè)等級(jí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況局部受火反應(yīng)釜熱暴露區(qū)等級(jí)可劃分為V級(jí)和Ⅲ級(jí)，分布及描述如表3所示，受火區(qū)域抽檢分布示意圖如圖2所示。

表3 受火反應(yīng)釜熱暴露區(qū)等級(jí)劃分對(duì)應(yīng)表

圖2 受火區(qū)域抽檢分布示意圖

2.5 1級(jí)評(píng)價(jià)

按照GB/T 35013—2018規(guī)定，1級(jí)評(píng)價(jià)根據(jù)收集的資料和數(shù)據(jù)，將部件分配到其所處的火災(zāi)熱暴露區(qū)。

本次評(píng)定的受火反應(yīng)釜主要材質(zhì)為Q345R，宏觀檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)存在機(jī)械損傷及尺寸變化，其免評(píng)熱暴露區(qū)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)，D、E、F三處區(qū)域熱暴露區(qū)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，故通過(guò)1級(jí)評(píng)價(jià)；A、B、C區(qū)域熱暴露區(qū)等級(jí)為Ⅴ級(jí)，未通過(guò)1級(jí)評(píng)價(jià)，需進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)。

2.6 2級(jí)評(píng)價(jià)

按照GB/T 35013—2018規(guī)定按以下步驟進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)：

(1)對(duì)受火反應(yīng)釜進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、熱暴露區(qū)磁粉檢測(cè)及超聲檢測(cè)[2-3]，壁厚測(cè)定實(shí)測(cè)最小壁厚為14.27 mm，宏觀檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷及尺寸變化等異常，磁粉檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)相關(guān)顯示，超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

(2)利用金相顯微鏡對(duì)Ⅴ級(jí)熱暴露區(qū)的A、B、C三處代表區(qū)域取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)[4]，未發(fā)現(xiàn)馬氏體、魏氏體組織，均為珠光體+鐵素體組織[5]，A區(qū)金相圖如圖3所示，B區(qū)金相圖如圖4所示，C區(qū)金相圖如圖5所示。

圖3 A區(qū)金相圖(X500)

圖4 B區(qū)金相圖(X500)

圖5 C區(qū)金相圖(X500)

(3)繼續(xù)對(duì)Ⅴ級(jí)熱暴露區(qū)進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 抽檢部位金相分析結(jié)果及其硬度平均值對(duì)應(yīng)表

此時(shí)，應(yīng)確定火災(zāi)后材料的許用應(yīng)力，按照GB/T 35013—2018給出了許用應(yīng)力的確定方法。

①根據(jù)GB/T 1172《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》[6]將硬度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為抗拉強(qiáng)度值，高合金鋼應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)的分散性和誤差。

②由下式來(lái)確定承受火災(zāi)損傷材料的許用應(yīng)力，nism可取原始設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，如果nism未知也可取推薦值3.0；nh一般取1.2，對(duì)于Q345R，nh可取1.05。

式中：[σ]afd為承受火災(zāi)損傷的材料的許用應(yīng)力(MPa)；σht為由現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)定值轉(zhuǎn)換得到的抗拉強(qiáng)度換算值(MPa)；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力(MPa)；[σ]a為現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)量溫度下材料許用應(yīng)力(MPa)。

根據(jù)GB/T 1172將硬度測(cè)量值轉(zhuǎn)化為抗拉強(qiáng)度值，如表5所示。

表5 硬度平均值換算抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)表

根據(jù)GB 150—201《1壓力容器》[7]，得到[σ]t=185.4 MPa，[σ]a= 189 MPa，計(jì)算得到：

(4)根據(jù)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》[3]，進(jìn)行強(qiáng)度校核：

該反應(yīng)釜Di=3 200 mm,φ=0.85,Ph=0.9 MPa,取C處[σ]afd進(jìn)行強(qiáng)度校核，計(jì)算得到δ=13.52 mm,小于筒體實(shí)測(cè)最小壁厚14.27 mm,故滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

(5) 2級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如下：

①對(duì)承受火災(zāi)損傷的部件按原設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核；

②如存在其他損傷，應(yīng)根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)章節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)；

③如以上強(qiáng)度校核和損傷評(píng)價(jià)結(jié)論均為可接受，則通過(guò)2級(jí)評(píng)價(jià)。

該反應(yīng)釜經(jīng)宏觀檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷及尺寸變化，經(jīng)硬度測(cè)定發(fā)現(xiàn)夾套局部位置硬度值異常，后經(jīng)該部位的金相檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)組織異常，經(jīng)強(qiáng)度校核符合要求，故可通過(guò)2級(jí)評(píng)價(jià)，可以繼續(xù)服役。

3 結(jié)語(yǔ)

受火反應(yīng)釜按照GB/T 35013—2018提供的火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)方法，將熱暴露區(qū)域等級(jí)劃分為Ⅲ級(jí)、Ⅴ級(jí)2個(gè)熱暴露區(qū)，對(duì)各熱暴露區(qū)的受火安全評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

(1)Ⅲ級(jí)熱暴露區(qū)處于免評(píng)熱暴露區(qū)，通過(guò)1級(jí)評(píng)價(jià)；

(2)Ⅴ級(jí)熱暴露區(qū)經(jīng)過(guò)相關(guān)的檢驗(yàn)檢測(cè)及強(qiáng)度校核，通過(guò)了2級(jí)評(píng)價(jià)，可以繼續(xù)服役。

受火設(shè)備的合于使用評(píng)價(jià)是特殊情況下的應(yīng)急處置方法，通過(guò)宏觀檢驗(yàn)，壁厚測(cè)定，熱暴露區(qū)的無(wú)損檢測(cè)、硬度檢測(cè)和金相分析等結(jié)果綜合分析表明，該臺(tái)反應(yīng)釜可以在原設(shè)計(jì)參數(shù)下繼續(xù)服役。在復(fù)產(chǎn)投運(yùn)期間，建議企業(yè)對(duì)受火設(shè)備加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控，落實(shí)危險(xiǎn)源安全管理制度，完善安全操作規(guī)程，建立健全應(yīng)急救援預(yù)案并定期演練，確保設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。