蔡榮秋

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州350008）

受火汽油分餾塔的檢驗(yàn)與評定

蔡榮秋

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州350008）

采用宏觀檢查、變形量測量、壁厚測定、磁粉檢測、超聲檢測、硬度測定和金相分析對某石化企業(yè)一臺受火汽油分餾塔的變形部位進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)第一強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，并進(jìn)行局部應(yīng)力強(qiáng)度分類評定。結(jié)果表明：該容器受火變形的B2筒節(jié)和B4/B5筒節(jié)存在壁厚減薄、母材硬度下降、材質(zhì)劣化等狀況，通過強(qiáng)度校核和局部應(yīng)力強(qiáng)度分類評定確定能滿足正常工況條件下的使用要求。

受火容器；檢驗(yàn)；評定

1 引言

石油化工企業(yè)發(fā)生火災(zāi)事故時，壓力容器等在用生產(chǎn)設(shè)備的損壞程度及其能否繼續(xù)使用是生產(chǎn)企業(yè)較為關(guān)心的問題。壓力容器受火時的受熱和冷卻過程可能造成筒體變形、開裂、高溫氧化、材質(zhì)劣化、強(qiáng)度下降、高殘余應(yīng)力等損傷或機(jī)械性能變化[1-2]。因此，有必要對受到火災(zāi)損傷的壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)和評定，以確定設(shè)備是否可以繼續(xù)使用。

某石油化工企業(yè)乙烯裝置一臺汽油分餾塔在大檢修拆卸填料時著火，持續(xù)時間約為7h，后經(jīng)消防噴水滅火。此次著火造成該臺容器部分筒體大面積變形。該容器設(shè)計壓力0.42MPa，設(shè)計溫度340℃，操作壓力0.382MPa，操作溫度102℃（塔頂）/205℃（塔底），材質(zhì)16MnR(正火)，內(nèi)徑11500mm。通過對該臺容器受火后的變形部位進(jìn)行檢驗(yàn)和評定，評估變形部位的安全性能，為整臺容器定期檢驗(yàn)周期的評定提供科學(xué)的依據(jù)。

2 現(xiàn)場檢驗(yàn)及結(jié)果

2.1 宏觀檢查情況

自塔頂而下的B2筒節(jié)、B4/B5筒節(jié)筒體受火部位變形嚴(yán)重，其中B2筒節(jié)筒體變形區(qū)域面積約為4200 mm×900 mm，B4/B5筒節(jié)筒體變形區(qū)域面積約為6100 mm×1200 mm，變形部位示意圖如圖2-1所示。變形部位表面附著一層暗灰色氧化皮，氧化皮較堅硬，厚度約1.5mm～3.0mm，周邊部分不銹鋼填料燒結(jié)成塊狀，外表面保溫層存在明顯鼓凸。

圖1 變形部位示意圖

2.2 變形量測量情況

從內(nèi)表面未變形的筒體上端沿筒壁布置鉛垂線作為測量母線，按網(wǎng)格測量筒體部位距離母線的變形量，正數(shù)表示測量部位向容器外凹，負(fù)數(shù)表示測量部位向容器內(nèi)凸。變形量測量結(jié)果如下：（1）B2筒節(jié)變形區(qū)域變形量為-32mm～+36mm，變形量最大處位于鼓包中心位置；（2）B4筒節(jié)變形區(qū)域變形量為-47mm～+47mm；（3）B5筒節(jié)變形區(qū)域變形量為-45mm～-5mm。

變形量測量結(jié)果表明：B2、B4/B5筒節(jié)受火部位的筒體存在嚴(yán)重變形，最大變形量為47mm。

2.3 壁厚測定情況

內(nèi)表面筒體清除氧化皮后，對B2、B4/B5筒節(jié)筒體的變形部位和未變形部位進(jìn)行壁厚測定，壁厚測定結(jié)果如下：（1）B2筒節(jié)變形區(qū)域的筒體壁厚為30.2mm～31.3mm；（2）B4/B5筒節(jié)變形區(qū)域的筒體壁厚為30.8 mm～31.3mm；（3）未變形區(qū)域的筒體壁厚為31.7 mm～32.1 mm。

壁厚測定結(jié)果表明：B2、B4/B5筒節(jié)變形區(qū)域的筒體高溫氧化減薄較嚴(yán)重，最大減薄量為1.8 mm，未變形區(qū)域的筒體壁厚正常。

2.4 磁粉檢測情況

對B2、B4/B5筒節(jié)的筒體變形部位，以及相鄰環(huán)縫和縱縫進(jìn)行內(nèi)表面磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)可記錄磁痕顯示。

2.5 超聲檢測情況

對B2、B4/B5筒節(jié)的筒體變形部位，以及相鄰環(huán)縫和縱縫進(jìn)行超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷。

2.6 硬度測定情況

對B2、B4/B5筒節(jié)筒體的變形部位和未變形部位進(jìn)行內(nèi)表面硬度測定，硬度測定結(jié)果如下：（1）B2筒節(jié)變形區(qū)域的筒體硬度為HB96～HB109，實(shí)測最小硬度值位于鼓包處中心位置；（2）B4/B5筒節(jié)變形區(qū)域的筒體硬度為HB110～HB113；（3）未變形區(qū)域的筒體硬度值為HB134～HB140。

硬度測定結(jié)果表明：B2、B4/B5筒節(jié)變形區(qū)域的筒體母材有明顯的軟化現(xiàn)象，未變形區(qū)域的筒體母材硬度正常。

2.7 金相分析情況

對B2、B4筒節(jié)變形部位的筒體進(jìn)行現(xiàn)場金相分析，具體部位如圖2-2所示。金相結(jié)果如下：（1）B2筒節(jié)鼓包中心處組織（見圖3）為鐵素體+珠光體，晶粒較粗大，晶粒度為4～5級。鼓包開始處組織（見圖4、圖5）為鐵素體+珠光體，珠光體中度球化（4級），晶粒較鼓包中心處細(xì)小，晶粒度為6～7級。未鼓包的變形部位組織（見圖6、圖7）為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，珠光體輕度球化（3級），晶粒度為6～7級；（2）B4筒節(jié)鼓包處組織（見圖8）為鐵素體+珠光體，珠光體輕度球化（3級）。

圖2 金相分析部位示意圖

圖3 B2筒節(jié)鼓包中心處組織400X

圖4 鼓包上側(cè)開始處組織400X

圖5 鼓包左側(cè)開始處組織400X

圖6 未鼓包左側(cè)變形區(qū)組織400X

圖7 未鼓包上側(cè)變形區(qū)組織400X

圖8 B4筒節(jié)鼓包處組織400X

由圖3可見，B2筒節(jié)變形區(qū)域鼓包處中心位置組織為鐵素體+珠光體，無球化現(xiàn)象。與未受火的正常部位組織相比較，該區(qū)域的組織晶粒較粗大，形貌完整，無帶狀特征。說明該區(qū)域在受火過程中受熱溫度較高，達(dá)到AC3線以上，組織已完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，且受熱時間較長，發(fā)生晶粒長大，在降溫過程中，由于壁厚較大，外表面有保溫，該部位溫度緩慢下降，重新生成較大尺寸的鐵素體+珠光體組織，材料的實(shí)測硬度值也相對降低。

由圖4可見，B2筒節(jié)變形區(qū)域鼓包上側(cè)開始處的組織為鐵素體+珠光體，珠光體中度球化，珠光體區(qū)域中的碳化物已明顯分散，并向晶界聚集，而鼓包左側(cè)開始處的組織也為鐵素體+珠光體（見圖5），珠光體中度球化，但仍可觀察到珠光體團(tuán)塊組織，鐵素體與珠光體仍交替成帶狀分布，珠光體球化不均勻。說明鼓包左側(cè)開始處在受火的過程中受熱溫度比上側(cè)開始處低。B2筒節(jié)變形區(qū)域鼓包上側(cè)和左側(cè)在整個受火過程中，其受熱溫度、加熱和冷卻過程不完全相同，使得球化程度、組織變化也不相同。

另外，B2筒節(jié)未鼓包的變形部位（見圖6、圖7）和B4筒節(jié)鼓包處（見圖8）組織都存在珠光體輕度球化。球化現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)樵谑芑鸬亩虝r超溫狀態(tài)下，原子擴(kuò)散速度加快，具有高表面能的層片狀滲碳體自行向低能量的球狀滲碳體形狀轉(zhuǎn)變并緩慢聚集長大成球團(tuán)[3]。

3 強(qiáng)度校核及局部應(yīng)力分類評定

3.1 強(qiáng)度校核

該容器受火過熱，使筒體發(fā)生材質(zhì)劣化，實(shí)測最小硬度值為HB96，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，且現(xiàn)場實(shí)測壁厚存在一定程度的減薄。文中采用靜力計算（不考慮風(fēng)載荷、地震載荷）按照第一強(qiáng)度理論對設(shè)計工況下的變形部位筒體進(jìn)行強(qiáng)度校核。筒體的強(qiáng)度條件為：

式中，Pc為設(shè)計壓力，MPa；Di為實(shí)測最大內(nèi)徑，mm；δe為實(shí)測最小壁厚，mm；[σ]t為設(shè)計溫度下筒體材料的許用應(yīng)力值，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取1.0。

經(jīng)計算求得設(shè)計工況下變形區(qū)域筒體的最大應(yīng)力當(dāng)量為80.5MPa，小于材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力126Mpa。

若參照經(jīng)驗(yàn)公式最小抗拉強(qiáng)度σb= 3.55HB [4]，以變形區(qū)域筒體現(xiàn)場實(shí)測的最小硬度HB96來保守計算，取安全系數(shù)為3，許用應(yīng)力為113.6MPa，也大于設(shè)計工況下變形區(qū)域筒體的最大應(yīng)力當(dāng)量。

強(qiáng)度校核結(jié)果表明：B2筒節(jié)和B4/B5筒節(jié)變形區(qū)域的筒體強(qiáng)度滿足設(shè)計工況下的安全使用要求。

3.2 局部應(yīng)力強(qiáng)度分類評定

該容器受火過熱使B2 、B4/B5筒節(jié)產(chǎn)生較大面積變形，可能導(dǎo)致附加的局部應(yīng)力。為更準(zhǔn)確了解變形部位的局部應(yīng)力情況，采用應(yīng)力分類法對B2、B4/B5筒節(jié)的最大應(yīng)力處、鼓包最大位移處等危險截面的有限元計算應(yīng)力當(dāng)量進(jìn)行歸類，對一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行評定[5]。評定條件為：

式中，SⅡ?yàn)橐淮尉植勘∧?yīng)力強(qiáng)度，MPa；SⅣ為一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；PL為一次局部薄膜應(yīng)力，MPa；K為載荷組合系數(shù)，取1.0；Sm為材料的設(shè)計許用應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；Pb為一次彎曲應(yīng)力，MPa；Q 為二次應(yīng)力，MPa。

B2、B4/B5筒節(jié)的局部應(yīng)力分類與應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果分別見表1和表2。

表1 B2筒節(jié)局部應(yīng)力分類與應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果

表2 B4/B5筒節(jié)局部應(yīng)力分類與應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果

應(yīng)力強(qiáng)度分類評定結(jié)果表明：B2筒節(jié)和B4/ B5筒節(jié)變形部位局部應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度值均小于許用極限，滿足正常工況條件下的應(yīng)力強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論與建議

（1）該容器受火造成B2筒節(jié)和B4筒節(jié)筒體大面積變形，經(jīng)檢驗(yàn)檢測和評定，變形部位存在壁厚減薄、母材硬度降低、材質(zhì)劣化等狀況，但變形部位未產(chǎn)生裂紋等危害性缺陷，筒體強(qiáng)度和局部應(yīng)力強(qiáng)度滿足正常工況條件下的安全使用要求。若其他未變形部位檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)損傷或超標(biāo)缺陷，該容器完全可以在正常服役條件下繼續(xù)使用。

（2）在今后的使用過程中，該容器應(yīng)嚴(yán)格控制工藝操作，防止超溫超壓運(yùn)行。有條件的話，應(yīng)在變形部位外壁搭設(shè)平臺，設(shè)置測量工裝，加強(qiáng)對變形部位變形情況的跟蹤監(jiān)測。

[1]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[J].石油化工設(shè)備，2009, 38(2): 64-70.

[2]GB/T 30579-2014,承壓設(shè)備損傷模式識別[S].

[3]徐鵬，艾志斌.20鋼珠光體球化對材質(zhì)損傷程度的試驗(yàn)研究[J].壓力容器,2003,20（12）:12-14.

[4]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008.206-208.

[5]JB 4732-1995(2005確認(rèn))，鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

Inspection and Safety Assessment of Gasoline Fractionator Heated in Fire

CAI Rong-Qiu
(Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute , Fuzhou 350008, Fujian,China)

The deformed cylinder of gasoline fractionator heated in fire were detected by visual examination, deformation measurement, wall thickness measurement, magnetic particle test, ultrasonic test, hardness measurement and metallographic examination. According to the theory of maximum tensile stress, the strength check of the deformed cylinder were verified. The stress classification and strength evaluation of the local stress were introduced. The results showed that the wall thickness and brinell hardness of the deformed cylinder reduced. The coarse grain and pearlite spheriodization lead to the performance of material degraded. But the analysis of the stress strength and the local stress confirmed that the deformed cylinder could be used for genernal operating condition.

Pressure vessel heated in fire; Inspection; Safety assessment

2015-03-18

蔡榮秋，男，福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，石化設(shè)備檢驗(yàn)中心，副主任，工程師