承壓設(shè)備火災(zāi)損傷合于使用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用及探討

韓志遠(yuǎn) 謝國(guó)山 邵珊珊 王 輝

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控） 北京 100029）

石化裝置中壓力容器、壓力管道等承壓設(shè)備在火災(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)致的損傷，一般稱(chēng)為火災(zāi)損傷。經(jīng)受火災(zāi)損傷的承壓設(shè)備由于受到不同程度的加熱和冷卻，可能存在結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂、材質(zhì)劣化等損傷，因此其能否繼續(xù)安全使用成為企業(yè)最為關(guān)心的問(wèn)題。

由于國(guó)內(nèi)一直欠缺標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)承壓設(shè)備火災(zāi)損傷的安全評(píng)價(jià)一般參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API 579《Fitness For Service》進(jìn)行［1－3］。然而，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中的材料數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)方法等與我國(guó)存在一定差別，其適用性有待驗(yàn)證。針對(duì)這一問(wèn)題，我國(guó)相關(guān)科研院所及高校開(kāi)展了大量我國(guó)材料的火災(zāi)模擬及過(guò)火性能試驗(yàn)研究，以及過(guò)火設(shè)備的檢測(cè)評(píng)價(jià)工作，積累了豐富的材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［4－7］。在此基礎(chǔ)之上，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》于2018年正式頒布實(shí)施，其中第11部分規(guī)定了火災(zāi)損傷的評(píng)價(jià)方法，為我國(guó)承壓設(shè)備火災(zāi)損傷合于使用評(píng)價(jià)提供了標(biāo)準(zhǔn)方法支持［8］。

本文采用GB/T 35013—2018對(duì)某企業(yè)大面積過(guò)火壓力容器及工業(yè)管道開(kāi)展了火災(zāi)損傷的檢驗(yàn)及合于使用評(píng)價(jià)。一方面，初步驗(yàn)證了該標(biāo)準(zhǔn)中評(píng)價(jià)方法和技術(shù)路線的正確性及適用性；另一方面，也發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)中存在的一些問(wèn)題和不足之處。本文的研究為我國(guó)火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)方法的完善以及GB/T 35013—2018的進(jìn)一步修訂提供了依據(jù)。

1 火災(zāi)概況

發(fā)生外部火災(zāi)事故的裝置于2005年投入使用，火災(zāi)持續(xù)時(shí)間約1 h，火災(zāi)發(fā)生后采用消防水逐步降溫滅火，火災(zāi)發(fā)生時(shí)為2級(jí)東北風(fēng)，燃燒介質(zhì)主要為閃蒸汽、脫碳?xì)?、NHD（聚乙二醇二甲醚）等，未發(fā)生次生事故。

裝置內(nèi)5臺(tái)容器及20條管道受到火災(zāi)影響，容器本體及封頭材料為16MnR，管道材料為20鋼及0Cr18Ni9。所評(píng)價(jià)的下一檢驗(yàn)周期為1年。

2 我國(guó)承壓設(shè)備火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)技術(shù)路線

根據(jù)GB/T 35013—2018，承壓設(shè)備火災(zāi)損傷有3級(jí)評(píng)價(jià)方法：

1級(jí)評(píng)價(jià)根據(jù)收集的資料和檢測(cè)數(shù)據(jù)，將設(shè)備分配到其所處的火災(zāi)熱暴露區(qū)。當(dāng)承壓設(shè)備不存在機(jī)械損傷和尺寸變化時(shí)，確定設(shè)備或部件材料是否處于免評(píng)熱暴露區(qū)，如部件處于免評(píng)熱暴露區(qū)，則通過(guò)1級(jí)評(píng)價(jià)。

2級(jí)評(píng)價(jià)按照以下步驟進(jìn)行：1）對(duì)設(shè)備或部件進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和必要的無(wú)損檢測(cè)；2）對(duì)設(shè)備或部件進(jìn)行硬度和金相檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)；3）根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及硬度檢測(cè)結(jié)果確定火災(zāi)后材料的許用應(yīng)力；4）根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核；5）如果發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后設(shè)備或部件還存在其他類(lèi)型損傷，應(yīng)根據(jù)其他損傷評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3級(jí)評(píng)價(jià)從承受火災(zāi)損傷的部件上直接取樣（包括微試樣）進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，或依據(jù)火災(zāi)熱暴露溫度、時(shí)間、滅火方式，采用與承受火災(zāi)損傷的部件相同的材料進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn)，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果確定火災(zāi)后材料的許用應(yīng)力，并根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核。

評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖如圖1所示：

圖1 評(píng)價(jià)流程圖

根據(jù)本文第2部分中的技術(shù)路線，對(duì)受火設(shè)備開(kāi)展相應(yīng)檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)分析。

3 評(píng)價(jià)過(guò)程及結(jié)果

3.1 宏觀檢測(cè)

首先對(duì)受火設(shè)備受火范圍進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢測(cè)，以分析設(shè)備表面受火痕跡及燃燒物燒損特征，并確定熱暴露區(qū)等級(jí)，并檢查變形、開(kāi)裂、泄漏等問(wèn)題。宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)典型受火容器及管道受火范圍內(nèi)的表面黑色氧化皮，以及保溫或保冷破損、脫落情況，見(jiàn)圖2。

圖2 典型受火設(shè)備表面氧化層及保溫破損、脫落情況

受火設(shè)備支撐及吊架的變形情況見(jiàn)圖3，這些支撐及吊架的變形已經(jīng)后續(xù)修復(fù)并復(fù)檢合格。

圖3 受火設(shè)備支撐或支吊架的變形情況

3.2 火災(zāi)熱暴露區(qū)劃分及1級(jí)評(píng)價(jià)

GB/T 35013—2018中火災(zāi)熱暴露區(qū)共劃分為6個(gè)等級(jí)，對(duì)于本次評(píng)估的材料免評(píng)熱暴露區(qū)為I～Ⅳ級(jí)。結(jié)合GB/T 35013—2018以及宏觀檢測(cè)結(jié)果可以判定受火設(shè)備存在保溫及保冷破損的受火范圍，達(dá)到了外部鋁合金外皮的熔點(diǎn)655 ℃；受火設(shè)備存在表面黑色氧化皮及氧化跡象的受火范圍，溫度達(dá)到了480 ℃以上，其他漆皮完好或無(wú)明顯變化部位則溫度未達(dá)到400 ℃，因此受火設(shè)備受火范圍根據(jù)表1可定為Ⅴ～Ⅵ級(jí)熱暴露區(qū)，不能通過(guò)基于GB/T 35013—2018的火災(zāi)損傷1級(jí)評(píng)價(jià)，需進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)。

表1 火災(zāi)損傷的熱暴露區(qū)等級(jí)

3.3 受火設(shè)備的2級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 35013—2018，對(duì)不通過(guò)1級(jí)評(píng)價(jià)的受火設(shè)備受火范圍Ⅴ～Ⅵ級(jí)熱暴露區(qū)開(kāi)展2級(jí)評(píng)價(jià)，進(jìn)行受火設(shè)備的壁厚檢測(cè)、表面缺陷無(wú)損檢測(cè)、埋藏缺陷無(wú)損檢測(cè)、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定許用應(yīng)力，并按設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行最大允許操作壓力的校核。

受火設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果顯示：

1）受火設(shè)備壁厚均未見(jiàn)明顯減薄，容器壁厚減薄均在腐蝕裕量之內(nèi)，管道減薄滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壁厚要求且滿(mǎn)足TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》中局部減薄的2級(jí)要求。

2）磁粉檢測(cè)（MT）及滲透檢測(cè)（PT）評(píng)定等級(jí)均為I級(jí)，所有受火設(shè)備，未見(jiàn)表面缺陷。

3）容器超聲檢測(cè)（UT）均為I級(jí)未見(jiàn)超標(biāo)埋藏缺陷；而對(duì)于管道UT及射線檢測(cè)（RT）評(píng)定等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，且存在不滿(mǎn)足TSG D7005—2018規(guī)定的安全狀況等級(jí)2級(jí)的未熔合、未焊透、氣孔等超標(biāo)缺陷。對(duì)這些缺陷進(jìn)行了返修處理并復(fù)驗(yàn)合格。

4）對(duì)受火范圍典型位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)。結(jié)果顯示，除1條管道彎頭母材存在魏氏組織外，其他設(shè)備及部位金相組織基本正常。低合金鋼壓力容器及碳鋼管道母材及焊縫為鐵素體、珠光體、貝氏體，母材球化等級(jí)最高為3級(jí)；不銹鋼管道母材為奧氏體組織，未見(jiàn)敏化。典型金相檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 Q345R鋼容器受火后典型金相組織

圖5 20鋼管道受火后典型金相組織

圖5 20鋼管道受火后典型金相組織（續(xù)）

圖6 0Cr18Ni9不銹鋼管道受火后典型母材金相組織

圖7 碳鋼管道受火后異常金相組織

圖7 碳鋼管道受火后異常金相組織（續(xù)）

5）對(duì)受火范圍典型位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)結(jié)果未見(jiàn)異常。其中：16MnR容器母材硬度范圍為128～165 HB，熱影響區(qū)為168～183 HB，焊縫為165～179 HB；20鋼管道母材硬度范圍為111～148 HB，熱影響區(qū)為164～178 HB，焊縫為160～178 HB；不銹鋼管硬度范圍為115～118 HB。

6）許用應(yīng)力折算及強(qiáng)度校核。根據(jù)GB/T 35013—2018，由式（1）將現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)定值轉(zhuǎn)換得到抗拉強(qiáng)度，再由抗拉強(qiáng)度計(jì)算受火材料的許用應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。承受火災(zāi)損傷材料的許用應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)式（1）：

式中：

［σ］afd——承受火災(zāi)損傷的材料的許用應(yīng)力，MPa；

σht——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］a——現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)量溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

［σ］t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

nism——在用安全系數(shù)，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——由硬度轉(zhuǎn)換得到的抗拉強(qiáng)度確定許用應(yīng)力時(shí)采用的安全系數(shù)，一般取1.2，對(duì)于Q245R和Q345R，nh可取1.05。

依據(jù)受火設(shè)備的硬度檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》及GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》，將受火設(shè)備硬度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為抗拉強(qiáng)度值［9－10］。其中受火容器分別取筒體母材和封頭母材的最小硬度測(cè)量值，受火管道取母材的最小硬度測(cè)量值進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以保證評(píng)價(jià)的保守性。然后，按式（1）確定了承受火災(zāi)損傷設(shè)備本體材料的許用應(yīng)力，并按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。所評(píng)價(jià)的5臺(tái)受火容器及26條受火管道強(qiáng)度校核均通過(guò)，同時(shí)通過(guò)無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)證了無(wú)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂損傷，并對(duì)超標(biāo)制造缺陷進(jìn)行了排查和修復(fù)，因此這些受火設(shè)備能夠通過(guò)基于GB/T 35013—2018的火災(zāi)損傷2級(jí)評(píng)價(jià)。

3.4 火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證

受火設(shè)備在投入使用后運(yùn)行良好，目前已安全服役近4年時(shí)間，未出現(xiàn)失效事故或其他故障。本次火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)為企業(yè)受火設(shè)備的繼續(xù)安全運(yùn)行提供了依據(jù)，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了GB/T 35013—2018中火災(zāi)評(píng)價(jià)方法的可行性和正確性。

4 火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)方法存在問(wèn)題的探討

4.1 受火材料更加準(zhǔn)確的硬度值與抗拉強(qiáng)度定量關(guān)系

受火設(shè)備硬度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為抗拉強(qiáng)度值是火災(zāi)損傷2級(jí)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵步驟，GB/T 35013—2018中給出的參考標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 1172—1999［9］。一方面，該標(biāo)準(zhǔn)目前版本較老，其中的方法也與現(xiàn)行的硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有不協(xié)調(diào)之處，例如該標(biāo)準(zhǔn)在較低硬度范圍內(nèi)還采用鋼制壓頭（HBS）測(cè)量結(jié)果折算抗拉強(qiáng)度，而當(dāng)前GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》中，已無(wú)HBS的定義而均采用硬質(zhì)合金球壓頭（HBW）進(jìn)行測(cè)量［11］。另一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33362—2016也同樣給出了硬度轉(zhuǎn)換抗拉強(qiáng)度的方法［10］，但同樣規(guī)定不大于450 HB的情況下采用鋼球測(cè)定，這就給硬度標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化方法的適用性帶來(lái)了問(wèn)題。另外，圖8展示了兩標(biāo)準(zhǔn)以及API 579中碳鋼材料轉(zhuǎn)化結(jié)果的比較，同樣還有Shao等人針對(duì)受火Q345R材料的試驗(yàn)結(jié)果［4］，可見(jiàn)兩標(biāo)準(zhǔn)方法的轉(zhuǎn)化關(guān)系存在一定差異，且GB/T 33362—2016與API 579以及文獻(xiàn)［4］中的試驗(yàn)結(jié)果符合更好。因此有必要總結(jié)相應(yīng)研究成果，根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立我國(guó)受火災(zāi)損傷材料硬度轉(zhuǎn)化抗拉強(qiáng)度關(guān)系，為火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)提供更翔實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)中碳鋼硬度值與抗拉強(qiáng)度定量關(guān)系對(duì)比

4.2 受火承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)比例及缺陷評(píng)價(jià)方法

火災(zāi)損傷評(píng)價(jià)中的2級(jí)評(píng)價(jià)需要進(jìn)行表面缺陷及埋藏缺陷的無(wú)損檢測(cè)測(cè)試，以確定設(shè)備是否存在裂紋等損傷。但在標(biāo)準(zhǔn)中這一檢測(cè)過(guò)程如何實(shí)施及其結(jié)果如何評(píng)價(jià)并沒(méi)有相應(yīng)說(shuō)明。富陽(yáng)等人曾在實(shí)踐中按照當(dāng)時(shí)的TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定的比例進(jìn)行抽檢［12－13］，而本文案例中則采用了在受火區(qū)域可檢范圍內(nèi)進(jìn)行100%比例的檢測(cè)，檢測(cè)比例的合理性和保守性還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。另外，本文案例中管道的射線檢測(cè)不可避免地發(fā)現(xiàn)了焊接埋藏缺陷，雖然這些埋藏缺陷可以通過(guò)TSG D7005—2018確定安全狀況等級(jí)以判斷是否超標(biāo)［14］，但對(duì)于受火管道這一法規(guī)規(guī)定是否適用，目前還沒(méi)有定論。尤其是該法規(guī)規(guī)定了除非“滿(mǎn)足材料韌性良好，未出現(xiàn)材料性能劣化以及劣化趨向”才可進(jìn)行定級(jí)，否則定為4級(jí)。因此，對(duì)于受火設(shè)備而言，更加詳細(xì)的評(píng)判準(zhǔn)則仍需進(jìn)一步明確。

4.3 常見(jiàn)材料焊縫硬度正常范圍及組織異常情況

最后，火災(zāi)損傷2級(jí)評(píng)價(jià)中需要進(jìn)行硬度測(cè)試，并且在GB/T 35013—2018附錄D中給出了常見(jiàn)材料的硬度范圍。通過(guò)本文案例中的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，20鋼碳鋼管道母材硬度尚符合附錄D要求，但焊縫和熱影響區(qū)卻普遍高于該范圍。對(duì)于一般碳鋼低合金材料，由于存在貝氏體等組織，焊縫和熱影響區(qū)的硬度值高于母材的，屬于正常現(xiàn)象。同時(shí)，2級(jí)評(píng)價(jià)中的硬度及金相評(píng)價(jià)部分還規(guī)定，對(duì)于碳鋼和低合金鋼，當(dāng)硬度結(jié)果出現(xiàn)異常，且金相檢查結(jié)果存在魏氏組織、球化等異?；蛄踊闆r時(shí)，不通過(guò)2級(jí)評(píng)價(jià)。然而，碳鋼管道焊縫，尤其是熱影響區(qū)中不可避免出現(xiàn)魏氏組織，按照GB/T 13299—91《鋼的顯微組織評(píng)定方法》魏氏組織按嚴(yán)重程度可分為1～5級(jí)［15］，出現(xiàn)輕微魏氏組織并不意味著組織發(fā)生了劣化。如果認(rèn)為焊縫硬度高于GB/T 35013—2018標(biāo)準(zhǔn)附錄D中正常范圍要求屬于硬度異常，而出現(xiàn)魏氏組織就屬于組織劣化，那么很多未受火的普通碳鋼焊縫都無(wú)法通過(guò)2級(jí)評(píng)價(jià)。因此，GB/T 35013—2018中附錄D硬度的正常范圍以及組織異常中的魏氏組織，應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化或規(guī)范，例如給出焊縫的正常硬度范圍，或規(guī)定魏氏組織到達(dá)一定級(jí)別后才屬于組織異常等。

5 結(jié)論

本文采用GB/T 35013—2018對(duì)某企業(yè)大面積過(guò)火壓力容器及工業(yè)管道開(kāi)展了火災(zāi)損傷的檢驗(yàn)及合于使用評(píng)價(jià)，開(kāi)展了火災(zāi)損傷的1級(jí)評(píng)價(jià)及2級(jí)評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示受火設(shè)備能夠通過(guò)基于GB/T 35013—2018的火災(zāi)損傷2級(jí)評(píng)價(jià)。受火設(shè)備在投入使用后運(yùn)行良好，目前已安全服役近4年時(shí)間，未出現(xiàn)失效事故或其他故障，驗(yàn)證了GB/T 35013—2018中火災(zāi)評(píng)價(jià)方法的可行性和正確性。

本文還結(jié)合本次評(píng)價(jià)工作對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)方法存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討，給出了建立受火材料硬度值與抗拉強(qiáng)度定量關(guān)系、明確受火承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)比例及缺陷評(píng)價(jià)方法、細(xì)化常見(jiàn)材料焊縫硬度正常范圍及組織異常情況等建議，為GB/T 35013—2018中火災(zāi)評(píng)價(jià)方法的完善和修訂提供了依據(jù)。