董紅磊 李邦憲 張君鵬 高兆江 中國特種設(shè)備檢測研究院

長管拖車氣瓶火燒損傷分析及安全評定

董紅磊 李邦憲 張君鵬 高兆江 中國特種設(shè)備檢測研究院

結(jié)合長管拖車的結(jié)構(gòu)和火災(zāi)事故特點(diǎn)，對瓶體常見損傷模式進(jìn)行分析，并根據(jù)損傷程度的不同制定安全評定流程和相應(yīng)指標(biāo)。若漆層完好僅發(fā)生熏黃、熏黑，可進(jìn)行正常定期檢驗(yàn)；若漆層發(fā)生燒黑、碳化或脫落，拋丸后瓶體未發(fā)生顏色異常，則對著火部位硬度測定，合格則正常定檢，不合格進(jìn)行金相分析；若拋丸后瓶體顏色發(fā)生變化或微量凸起，則進(jìn)行硬度測定、金相分析和水壓試驗(yàn)；若瓶體發(fā)現(xiàn)明顯變形，則直接判廢。硬度評定合格指標(biāo)為183＜HB＜269，在269＜HB＜286范圍內(nèi)的需結(jié)合化學(xué)成分和金相組織綜合評定；金相組織以索氏體為主，不允許出現(xiàn)鐵素體和珠光體；水壓試驗(yàn)要求容積殘余變形率小于10%。

長管拖車 火災(zāi)損傷評定 水壓試驗(yàn) 容積殘余變形率

TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》附件D對國內(nèi)長管拖車定期檢驗(yàn)，明確指出氣瓶遭受火焰損傷應(yīng)對材質(zhì)的損傷程度進(jìn)行評價，損傷程度嚴(yán)重的不得繼續(xù)使用。統(tǒng)計2010～2012年檢驗(yàn)案例，定期檢驗(yàn)火災(zāi)事故車8輛，因火燒硬度不合格報廢鋼瓶11只，金相組織不合格報廢鋼瓶14只，水壓殘余變形率不合格報廢鋼瓶2只，框架報廢4臺，后艙管路或安全附件報廢3臺。不論是拖車本身原因起火或者其它火災(zāi)事故波及，氣瓶總會受到不同程度的損傷，繼續(xù)使用會產(chǎn)生一定安全隱患。

1 長管拖車常見火燒損傷模式和評定

國內(nèi)目前對過火壓力容器的檢驗(yàn)及安全評定主要參考API 579《合于使用》中的評價方法，整個過程包括：1）對過火壓力容器劃定受熱帶；2）制定不同受熱帶中壓力容器的檢驗(yàn)方案并實(shí)施檢驗(yàn)；3）根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行安全評價[2～3]。統(tǒng)計國內(nèi)長管拖車著火事故，90%以上是后輪胎著火引起。后輪胎氣動剎車片失效，車輛運(yùn)行過程中一直處于磨損狀態(tài)而引發(fā)火災(zāi)。

根據(jù)長管拖車結(jié)構(gòu)和火災(zāi)事故特點(diǎn)，過火后通常表現(xiàn)為瓶體漆層燒損、材質(zhì)劣化、變形和后操作艙管路、閥門、安全附件的燒壞等。漆層主要起到美觀和防銹保護(hù)作用，火燒傷損由弱到強(qiáng)依次表現(xiàn)為表層熏黃熏黑、碳化和脫落，其中表層熏黃熏黑不會產(chǎn)生瓶體損傷，碳化或脫落可能對瓶體產(chǎn)生損傷需進(jìn)一步進(jìn)行判定；材質(zhì)劣化主要表現(xiàn)為金屬過度氧化導(dǎo)致壁厚損失、被重新淬火或回火導(dǎo)致硬度偏高、偏低或組織異常；瓶體變形主要指由于火燒引起瓶體變軟和內(nèi)壓升高導(dǎo)致瓶體出現(xiàn)局部凸起或明顯鼓包[4-5]。但瓶體是主要承壓部件且價格昂貴，其損傷程度分析是安全評定的關(guān)鍵，也是能否正常進(jìn)行定期檢驗(yàn)的前提。根據(jù)其損傷模式，長管拖車鋼瓶過火后的一般的評定流程如圖1所示。

圖1 火燒鋼瓶的檢驗(yàn)評定

對火燒鋼瓶進(jìn)行宏觀檢查，若表面漆層完好僅發(fā)生熏黃、熏黑現(xiàn)象，說明溫度未超過漆層耐熱溫度(400℃左右)，可初步判斷鋼瓶不會損傷；若漆層發(fā)生燒黑、碳化或脫落，說明溫度超過漆層耐熱溫度，鋼瓶可能損傷。對存在損傷可能的鋼瓶進(jìn)行火燒區(qū)域標(biāo)定后拋丸處理，若瓶體未發(fā)生異常，則對著火部位進(jìn)行硬度測定，合格則氣瓶繼續(xù)使用，不合格進(jìn)行金相組織分析；若拋光后瓶體顏色發(fā)生變化（如圖2所示）或微量凸起，則對著火部位進(jìn)行硬度測定、金相分析和水壓試驗(yàn)，否則不允許使用；若鋼瓶發(fā)現(xiàn)明顯凸起變形，如凸起部位圓度大于該截面平均直徑的2%，圓周伸長率大于1%，則鋼瓶直接判廢[6]。

定期檢驗(yàn)是保障容器在使用周期內(nèi)安全運(yùn)行的必要手段，TSG R7001-2013附件D規(guī)定長管拖車的瓶體檢驗(yàn)分為氣瓶拆卸檢驗(yàn)和氣瓶不拆卸檢驗(yàn)。對著火鋼瓶一般應(yīng)實(shí)行氣瓶拆卸檢驗(yàn)，包括宏觀檢驗(yàn)、全自動超聲檢測和壁厚測定、磁粉檢測、滲透檢測和外測法水壓試驗(yàn)等。

圖2 著火鋼瓶拋丸前后瓶體顏色變化

2 鋼瓶硬度和金相組織評定指標(biāo)的確定

鑒于硬度測定的簡便性及硬度和抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性，可通過硬度測定來評估火災(zāi)后鋼瓶的強(qiáng)度性能。文獻(xiàn)[1]結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給定的材料抗拉強(qiáng)度和硬度的相關(guān)關(guān)系，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)和材料質(zhì)量證明書的統(tǒng)計分析，得出了長管拖車鋼瓶的硬度驗(yàn)收范圍：183＜HB＜269。為了保證現(xiàn)場硬度測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對測量區(qū)域的進(jìn)行表面打磨處理，去掉約0.5mm的氧化皮及表面滲碳層和脫碳層[7]。

長管拖車鋼瓶材質(zhì)一般選用4130X或30CrMo，正常軋態(tài)組織為F+P，調(diào)質(zhì)組織為S。鋼瓶著火后，可能被淬硬或二次回火，組織出現(xiàn)晶粒粗大、軟化或變硬。圖3是某臺拖車同一只著火鋼瓶不同硬度范圍對應(yīng)的金相組織，1#硬度最低為HB150，2#硬度偏低為HB160～170，3#硬度合格HB220～229，4#硬度偏高為HB285。金相分析由國家鋼鐵材料測試中心完成，試樣經(jīng)磨制拋光后用過飽和苦味酸腐蝕。從結(jié)果可以看出，1#和2#部位組織為F+P(鐵素體＋珠光體)，1#晶粒偏大，故硬度偏低；3#和4#組織為S(索式體)，晶粒度等級分別為8.0和8.5級。4#硬度雖然超過HB269，但組織滿足要求。

圖3 鋼瓶不同硬度金相組織

硬度上限不超過HB269是DOT-E8009基于盛裝介質(zhì)對鋼瓶的應(yīng)力腐蝕敏感性提出，認(rèn)為將UTS上限控制在869MPa以內(nèi)就完全可以消除硫化氫應(yīng)力腐蝕的影響。但隨著冶煉技術(shù)對P、S含量控制技術(shù)的提高，相關(guān)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)對4130X材料進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)證明，即使UTS高于869MPa的材料對硫化氫應(yīng)力腐蝕也不敏感。另外，歐盟標(biāo)準(zhǔn)ISO11120、11439和歐洲氫氣氣瓶標(biāo)準(zhǔn)TN-26-81-E已經(jīng)將UTS上限控制在950MPa(相當(dāng)于HB286)，經(jīng)過多年運(yùn)行未發(fā)生惡劣事故，顯然DOT-E8009的控制相對保守。另外，DOT特許令允許14792要求遭受火焰損傷的DOT-3AAX鋼瓶硬度超過30HRC（286HB）和DOT-3T鋼瓶硬度超過35HRC（327HB）應(yīng)當(dāng)重新熱處理或報廢。因此，提出對于著火部位顏色未發(fā)生變化的鋼瓶，若P、S含量控制在較低范圍，硬度在269＜HB＜286范圍內(nèi)可通過金相組織進(jìn)行驗(yàn)證。若金相合格，可以進(jìn)行正常定期檢驗(yàn)。

3 水壓試驗(yàn)指標(biāo)的確定

水壓試驗(yàn)是確定氣瓶整體性能的重要手段，通過容積殘余變形率的測定可以了解氣瓶的水壓試驗(yàn)壓力是否接近或超過氣瓶的整體屈服應(yīng)力，因此容積殘余變形率成為評定氣瓶耐壓試驗(yàn)合格與否的重要指標(biāo)。

目前，長管拖車鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)DOT-3AAX、DOT-3T、ISO11120和相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定采用外測法進(jìn)行水壓試驗(yàn)，要求永久體積膨脹量不超過試驗(yàn)壓力下總膨脹量的10%[8]。對于壁厚均勻的鋼瓶，容積殘余變形率與筒體的環(huán)向殘余應(yīng)變存在一定對應(yīng)關(guān)系。假設(shè)試驗(yàn)時不計兩端變形約束的影響，忽略在小塑性變形的軸向殘余應(yīng)變，當(dāng)容積殘余變形率為10%時，所對應(yīng)的環(huán)向殘余應(yīng)變約0.02%，尚屬彈性變形范圍內(nèi)，故將10%作為水壓試驗(yàn)合格指標(biāo)[9-10]。

4 結(jié)束語

1）結(jié)合長管拖車的結(jié)構(gòu)和火災(zāi)事故特點(diǎn)，按瓶體損傷程度劃分為：表面漆層完好僅發(fā)生熏黃、熏黑；漆層發(fā)生燒黑、碳化或脫落；瓶體凸起變形三種狀態(tài)。根據(jù)不同的損傷程度，提出相應(yīng)的安全評定流程和指標(biāo)。

2）對鋼瓶宏觀檢查，若漆層完好僅發(fā)生熏黃、熏黑現(xiàn)象，可初步判斷鋼瓶不會損傷，進(jìn)行正常定期檢驗(yàn)；若漆層發(fā)生燒黑、碳化或脫落，則標(biāo)定火燒區(qū)域后拋光處理。若拋光后瓶體未發(fā)生顏色異常情況，則對著火部位硬度測定，合格則繼續(xù)使用，不合格進(jìn)行金相分析；若拋光后瓶體顏色發(fā)生變化或微量凸起，則進(jìn)行硬度測定、金相分析和水壓試驗(yàn)；若鋼瓶發(fā)現(xiàn)明顯凸起變形，則鋼瓶直接判廢。

3）鋼瓶硬度合格范圍為183＜HB＜269，若P、S含量控制在較低，可對硬度在269＜HB＜286范圍內(nèi)通過金相組織進(jìn)行驗(yàn)證；金相組織正常以索氏體為主，不允許出現(xiàn)鐵素體和珠光體；水壓試驗(yàn)的容積殘余變形率小于10%。

1 董紅磊,李邦憲,張君鵬,等.長管拖車鋼瓶硬度控制范圍和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的探討.壓力容器,2012,29(10):47－50

2 王紀(jì)兵,張斌,張金偉,等.受火壓力容器的檢驗(yàn)與安全評定.石油化工設(shè)備,2009,38(2):64－70

3 API RP579-2000,Fitness for Service

4 董紅磊,李邦憲,薄柯,等.關(guān)于長管拖車鼓包鋼瓶評定指標(biāo)的探討.壓力容器,2011,28(11):59－63

5 王宗印.淺析鋼質(zhì)壓力容器在火災(zāi)現(xiàn)場中的破壞形式.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2007,6:47－49

6 陳勇,蔣炳炎.硬度法檢測飛機(jī)火燒構(gòu)件的準(zhǔn)確性分析.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006,6(3):28－30

7 王洪海.DOT-3AAX氣瓶及其運(yùn)輸設(shè)備的安全設(shè)計.化工設(shè)備與管道,2000,37:10－14

8 王會賞,杜爽.大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶外測法水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.中國特種設(shè)備安全, 2007,24(1):7－9

9 王俊,姜德春.氣瓶檢驗(yàn)安全技術(shù).大連:大連理工大學(xué)出版社,1993

10 吳粵桑.長管拖車氣瓶設(shè)計制造中的幾個問題.特種設(shè)備安全國際論文集, P176－183

Common damage models of cylinder were analyzed according to the structure and fre accident features. Safety assessment program and relative index were also given according to different degrees of damage. The normal periodic inspection can be conducted if paint layer of the cylinder was just smoking yellow and black. If the paint layer was blackening, charring or dropping out, shot blasting treatment should be taken. Hardness test of fre location was performed while the color of cylinder was the same before fre. The periodic inspection can be conducted if the result of hardness was qualifed, or the metallographic analysis should be given. If the color was changed or micro bulge after fre, the hardness, microstructure and hydraulic test should be performed. The cylinder should be dammed if the transformation was obvious. Hardness assessment of conformity index was 183＜HB＜269. Chemical compositions and microstructure should be given to comprehensive assessment if the hardness was 269＜HB＜286. The proper microstructure was main sorbite, while ferrite and pearlite was not allowed. The ratio of permanent volumetric expansion was less than 10% in hydraulic test.

Tube trailer Assessment on fre damage Hydraulic test Ratio of permanent volumetric expansion

2013－10－30）