一起氨氣緩沖罐著火事故的設(shè)備性能分析

李 寧，白 鑫

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院滄州分院，河北 滄州 061001）

氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激性的氣體，同時(shí)還具有腐蝕性和毒性，因此在其生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中都具有較高的危險(xiǎn)性。氨氣緩沖罐是為了安全存儲(chǔ)和運(yùn)輸氨氣而研制的一種壓力設(shè)備，不僅能夠在內(nèi)部緩沖裝置的作用下保證罐內(nèi)壓力穩(wěn)定在安全的范圍內(nèi)，而且通過(guò)向緩沖罐中添加冷卻劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨氣的及時(shí)有效冷卻，防止出現(xiàn)溫度過(guò)高導(dǎo)致的緩沖罐系統(tǒng)失控問(wèn)題。同時(shí)氨氣緩沖罐的密封性能良好，有效避免了氨氣泄漏產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，保證了工作人員和工作環(huán)境的安全性。本文將對(duì)一起因工人操作不當(dāng)導(dǎo)致的車間著火事故進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹氨氣緩沖罐在直接接觸火焰后的一系列檢測(cè)和評(píng)估情況。

1 氨氣緩沖罐介紹

氨氣緩沖罐是化工企業(yè)的重要組成壓力容器，在運(yùn)行過(guò)程中承受著高壓和介質(zhì)腐蝕的作用，壓力容器的使用安全關(guān)系著化工企業(yè)的安全運(yùn)行。氨氣緩沖罐失效十分常見(jiàn)，表現(xiàn)有氨應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕減薄等，主要的原因?yàn)榘睔馀c金屬發(fā)生一系列的反應(yīng)，加上高壓的作用導(dǎo)致壓力容器焊縫開(kāi)裂等。Q345R 是一種合金鋼，主要用于鍋爐壓力容器，其工藝性能和力學(xué)性能較穩(wěn)定，屬于低合金鋼，被廣泛用于石油、化工、電站、鍋爐等行業(yè)，一般用于制作反應(yīng)器、換熱器、分離器、導(dǎo)氣管、液化氣罐、鍋爐氣包及液化石油氣瓶等。同時(shí)，Q345R 用于壓力容器時(shí)，一般在常溫下使用，如遇到突然的高溫，容易造成材料劣化，強(qiáng)度降低，從而造成特種設(shè)備使用安全隱患。

某化工廠工程車間的氨氣緩沖罐（特種設(shè)備使用證登記號(hào)容1500639（19），產(chǎn)品編號(hào)R18674）因員工操作不當(dāng)車間發(fā)生著火，導(dǎo)致此氨氣緩沖罐北側(cè)直接接觸火焰，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15 min。該壓力容器于2015年正式投入運(yùn)行，均在常溫下使用，經(jīng)過(guò)3次壓力容器定期檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)過(guò)超標(biāo)缺陷，此次著火后，經(jīng)過(guò)磁粉探傷，也未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋?，F(xiàn)該設(shè)備用戶自行報(bào)廢處理。

本文采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該容器的著火側(cè)與背火側(cè)進(jìn)行分析，判斷母材及焊縫的性能有無(wú)下降，并根據(jù)分析結(jié)果提出相關(guān)建議，以避免特種設(shè)備使用事故的發(fā)生。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀觀察

此氨氣緩沖罐著火側(cè)如表1所示，背火側(cè)如圖2所示，從圖1與圖2的宏觀對(duì)比可以看出，氨氣緩沖罐并未發(fā)生明顯的鼓包、變形等宏觀缺陷。

圖1 氨氣緩沖罐著火側(cè)宏觀圖

圖2 氨氣緩沖罐背火側(cè)宏觀圖

2.2 金相檢驗(yàn)

在氨氣緩沖罐筒體著火側(cè)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)金相光學(xué)顯微鏡（400X）觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：氨氣緩沖罐筒體母材顯微組織為珠光體和鐵素體，并未發(fā)生任何由于高溫導(dǎo)致的珠光體球化、組織粗大等組織缺陷，組織仍保持原有的區(qū)域形態(tài)，根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，該組織平均晶粒度為11級(jí)。

圖3 氨氣緩沖罐筒體著火側(cè)現(xiàn)場(chǎng)金相圖（400X）

在氨氣緩沖罐筒體背火側(cè)金相現(xiàn)場(chǎng)金相分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)金相光學(xué)顯微鏡（400X）下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：氨氣緩沖罐筒體母材顯微組織為珠光體和鐵素體，也未發(fā)生任何由于高溫導(dǎo)致的珠光體球化、組織粗大等組織缺陷，組織仍保持原有的區(qū)域形態(tài)，根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，該組織平均晶粒度為10.5級(jí)。

圖4 氨氣緩沖罐筒體背火側(cè)現(xiàn)場(chǎng)金相圖（400X）

通過(guò)對(duì)該壓力容器著火側(cè)與背火側(cè)的筒體母材金相組織可知，火災(zāi)并未造成該壓力容器母材金相組織晶粒變得粗大，也并未因?yàn)楦邷卦斐芍楣怏w組織發(fā)生球化等組織的變化。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

為了進(jìn)一步分析該壓力容器金相組織由于火災(zāi)有無(wú)發(fā)生組織變化，采用掃描電鏡SEM（5 000X）分別對(duì)著火側(cè)筒體母材和背火側(cè)筒體母材進(jìn)行取樣分析，結(jié)果如圖5與圖6所示。

圖5 著火側(cè)筒體母材掃描電鏡SEM（5 000X）圖

圖6 背火側(cè)筒體母材掃描電鏡SEM（5 000X）圖

由圖5可知：著火側(cè)組織的珠光體依舊為片層狀，未發(fā)生任何改變，同時(shí)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有過(guò)熱、過(guò)燒的跡象。圖6為背火側(cè)筒體的SEM 形貌，由圖6可以看出：組織與圖5 的類似，也并未發(fā)現(xiàn)任何組織的異常與改變。通過(guò)圖5與圖6的對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)此次短暫的火災(zāi)，并未對(duì)該壓力容器的筒體母材造成組織的劣化。

2.4 焊縫的力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)筒體與封頭連接的焊縫進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，在著火側(cè)和背火側(cè)處分別取樣，試樣厚度為12 mm，拉伸試樣夾持端長(zhǎng)度為25 mm（便于安裝）。按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣，利用萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：在室溫條件下，著火側(cè)與背火側(cè)的封頭與筒體焊縫連接焊縫的抗拉強(qiáng)度差別不大，并且通過(guò)查詢GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，Q345R 的抗拉強(qiáng)度在500～630 MPa，著火側(cè)抗拉強(qiáng)度為582 MPa，背火側(cè)抗拉強(qiáng)度為605 MPa，均在合格范圍內(nèi)。

圖7 著火側(cè)與背火側(cè)焊縫抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖

2.5 硬度測(cè)試

根據(jù)GB/T 17394.1—2014《里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，用里氏硬度計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)著火側(cè)筒體母材里氏硬度為409、412、407，背火側(cè)筒體母材的里氏硬度為426、403、408，兩側(cè)的硬度也均無(wú)太大差別。

3 未發(fā)生材質(zhì)劣化原因分析

經(jīng)過(guò)一系列的檢測(cè)得出結(jié)論，該氨氣緩沖罐母材、焊縫的力學(xué)性能并未為因火災(zāi)導(dǎo)致材料力學(xué)性能、物理性能下降。具體原因分析如下。

1）該企業(yè)發(fā)現(xiàn)著火事故后，及時(shí)切斷火源，該氨氣緩沖罐并未長(zhǎng)時(shí)間在火焰中炙烤，材料并未發(fā)生過(guò)熱或者過(guò)燒。

2）Q345R 的常規(guī)使用溫度上限為475℃，其相變溫度為600～720℃，由于此次事故火焰較小，加之燃燒時(shí)間短，氨氣緩沖罐處于開(kāi)放空間，該容器受燃燒時(shí)的溫度并未達(dá)到使材料發(fā)生劣化的極端溫度，所以材料并未發(fā)生明顯的高溫劣化。

4 結(jié)論與建議

1）著火側(cè)與背火側(cè)宏觀外形完好，未發(fā)生形變。

2）著火側(cè)與背火側(cè)筒體母材顯微組織正常，未發(fā)現(xiàn)珠光體球化現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱過(guò)燒等異?，F(xiàn)象。

3）著火側(cè)與背火側(cè)筒體與封頭焊縫抗拉強(qiáng)度為582 MPa 與605 MPa，焊縫力學(xué)性能正常。

4）著火側(cè)與背火側(cè)筒體母材的里氏硬度相差不大，里氏硬度檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

根據(jù)以上結(jié)論，給出以下建議。

1）嚴(yán)格運(yùn)行管理，以防止由人員操作不當(dāng)引起的火災(zāi)導(dǎo)致容器發(fā)生過(guò)熱。

2）應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新工藝，對(duì)氨氣緩沖罐外表面進(jìn)行刷涂處理等工藝，防止設(shè)備銹蝕，消除應(yīng)力集中，增加設(shè)備的使用強(qiáng)度。

3）對(duì)壓力部件的焊接接頭進(jìn)行檢查，常規(guī)無(wú)損探傷、硬度檢測(cè)與厚度檢測(cè)，加強(qiáng)對(duì)筒體與封頭等測(cè)量點(diǎn)的維護(hù)，加強(qiáng)對(duì)母材的質(zhì)量檢查，以便盡早發(fā)現(xiàn)母材及焊縫的腐蝕隱患與開(kāi)裂隱患。

4）采用壓力容器壽命管理系統(tǒng)，記錄使用溫度與使用時(shí)間，評(píng)估設(shè)備的剩余壽命，避免其超期運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

氨氣緩沖罐具有穩(wěn)定性高、安全性高、節(jié)省空間的顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氨氣、液化氣等一些化工產(chǎn)品和危險(xiǎn)品的儲(chǔ)存和運(yùn)輸中。此起著火事故對(duì)氨氣緩沖罐的外觀漆面造成了一定損壞，但是在多項(xiàng)理化檢測(cè)，如宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡（SEM）分析、焊縫的力學(xué)性能測(cè)試、硬度測(cè)試等，均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。為了更加有效地保障生產(chǎn)的安全性，用戶對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了報(bào)廢處理。在氨氣緩沖罐的使用過(guò)程中，一定要嚴(yán)格規(guī)范工作人員的操作流程，對(duì)氨氣緩沖罐進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并進(jìn)行處理，根據(jù)氨氣緩沖罐的使用周期對(duì)其使用情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，避免出現(xiàn)氨氣緩沖罐超期運(yùn)行的情況，保障使用安全。