孫艾

摘? 要：文章基于API579標準中的合于使用評價方法對某石化企業(yè)一臺過火后的絕熱反應(yīng)器進行分級評價，結(jié)合火災(zāi)報告、宏觀檢查、無損檢測和理化檢測結(jié)果，在存在一定量局部減薄和平直度異常的情況下，通過1級評價和2級評價后認為該壓力容器滿足使用要求，并根據(jù)腐蝕速率確定了該壓力容器的使用壽命。

關(guān)鍵詞：過火;絕熱反應(yīng)器;壓力容器;合于使用評價

中圖分類號：U214.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）22-0078-04

Abstract： Based on the "Fitness-for-Service" Evaluation of API579-1/ASME FFS-1 2007， this paper evaluates a fire adiabatic reactor in a petrochemical enterprise. Combined with fire report， macro inspection， and the results of nondestructive testing， physical and chemical testing， it is considered that the pressure vessel meets the requirements of use through Level 1 evaluation and Level 2 evaluation， even if there is a certain amount of local thinning and flatness anomaly， and the service life of the pressure vessel is determined according to the corrosion rate.

Keywords： fire; adiabatic reactor; pressure vessel; "Fitness-for-Service" Evaluation

引言

某化工公司二醇醚裝置發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)事故調(diào)查組對火災(zāi)現(xiàn)場進行實地勘查后認定火災(zāi)的起火點為該裝置一層地面的環(huán)氧乙烷儲槽。位于裝置平臺第四層的絕熱反應(yīng)器過火，為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，該公司擬繼續(xù)使用該絕熱反應(yīng)器，需要對其進行合于使用評價，以保障其能夠繼續(xù)安全使用。

對于暴露在火災(zāi)高熱度條件下的壓力容器設(shè)備而言，其可能會發(fā)生目視可見的結(jié)構(gòu)損害，如變形和開裂，也可能會發(fā)生不可目視直接觀察的材料組織劣化，如碳鋼的球化、晶粒的生長等，導致設(shè)備受壓構(gòu)件屈服強度和斷裂韌性降低。因此，在評價過火后的承壓設(shè)備能否繼續(xù)服役時，僅僅依據(jù)設(shè)計規(guī)范進行簡單的強度校核，并用常規(guī)的檢測手段進行宏觀和表面無損檢測，是不夠完善也是不合理的。采用API579標準的合于使用評價技術(shù)為過火承壓構(gòu)件及設(shè)備的合于使用提供了一種定量的工程評價方法。

1 過火壓力容器合于使用評價方法與流程

基于合于使用評價技術(shù)對過火壓力容器評價的目的是指導過火壓力容器設(shè)備的運行、維修或更換，即：

（1）過火承壓構(gòu)件及設(shè)備在當前的運行參數(shù)及適當?shù)谋O(jiān)測/檢查程序條件下是否能夠繼續(xù)安全服役。

（2）如在當前條件下不能繼續(xù)安全使用，給出繼續(xù)服役的最大允許工況條件與監(jiān)測/檢查程序。

（3）設(shè)備維修及后續(xù)運行的監(jiān)控與再評價。

（4）設(shè)備替換或報廢的判定。

（5）在役監(jiān)測和定期檢驗的建議。

API579標準的合于使用評價按照評價水平分為1-3級，評價流程如圖1所示。進行合于使用評價時，應(yīng)首先對過火壓力容器的參數(shù)信息和使用情況進行數(shù)據(jù)收集，并根據(jù)現(xiàn)場火災(zāi)的情況確定壓力容器所處的熱暴露區(qū)，然后進行必要的過火設(shè)備檢測，最后按照評價原則進行合于使用的1級或2級評價。1級和2級評價的步驟如圖1。

1級評價方法是一種篩選準則，其允許過火壓力容器繼續(xù)服役的可接受性是基于指定的熱暴露區(qū)和被評價設(shè)備材料的冶金學知識。篩選準則是保守的，且不需要通過計算來確定設(shè)備是否繼續(xù)服役。一般對于處于Ⅳ級及以下熱暴露區(qū)的壓力容器，以1級評價為主。如果1級評價沒有通過，則需要對壓力容器進行：（1）修理、替換或者報廢設(shè)備/構(gòu)件;（2）進行2級或3級評價;（3）設(shè)備或構(gòu)件的再評價。

2級評價是通過估計遭受火災(zāi)損害設(shè)備的材料強度，從而對其結(jié)構(gòu)的完整性做出較好的評價。評價方法包括對火災(zāi)發(fā)生期間的缺陷和損傷（如局部較薄區(qū)域、破裂類缺陷和管壁變形）的評價方法重新定級。一般處于熱暴露區(qū)Ⅴ級及以上的構(gòu)件、宏觀檢測時發(fā)現(xiàn)尺寸明顯變化、硬度值異常、金相顯微組織變化、局部減薄或裂紋缺陷時選擇2級評價。如果沒能通過2級評價，則需要對壓力容器進行：（1）維修、替換或報廢構(gòu)件;（2）通過應(yīng)用補救措施調(diào)整腐蝕余量;（3）通過執(zhí)行額外的檢測和重復(fù)評價調(diào)整焊縫系

數(shù);（4）執(zhí)行3級評價。

如果使用2級評價方法采用的簡化應(yīng)力分析得到的材料強度導致評價不可接受時，就可采用3級評價方法，即采用詳細的應(yīng)力分析技術(shù)、金相或材料測試以評價設(shè)備。

2 過火絕熱反應(yīng)器合于使用評價

2.1 數(shù)據(jù)收集

查閱該絕熱反應(yīng)器的設(shè)備檔案，未發(fā)現(xiàn)維修改造記錄，最近一次定期檢驗安全狀況等級為3級，相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1所示。根據(jù)火災(zāi)分析報告，起火點/火源的位置為地面的環(huán)氧乙烷儲罐。環(huán)氧乙烷的物理性質(zhì)為：

（1）沸點10.8℃，常溫下為無色氣體。

（2）易燃易爆，與空氣混合的爆炸極限為3～100%。

（3）自燃溫度為429℃，分解爆炸溫度為571℃。

（4）在空氣中燃燒后生成CO2和H2O。

火災(zāi)發(fā)生前工藝操作正常，火災(zāi)事故持續(xù)8小時左右后被撲滅。

2.2 過火設(shè)備檢測

2.2.1 外部宏觀檢查

該絕熱反應(yīng)器位于火源上方的四層平臺上，反應(yīng)器外部包裹硅酸鋁鎂保溫層。過火后的設(shè)備如圖2所示，保溫層外鐵皮呈藍色，局部有氧化結(jié)垢的黑色，由此可判斷設(shè)備處于重度熱暴露區(qū)Ⅴ（482℃左右），而設(shè)備本體呈黃色，處于中度熱暴露區(qū)Ⅳ。但是，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，絕熱反應(yīng)器的支撐鋼結(jié)構(gòu)過火彎曲，可見火焰溫度曾經(jīng)達到760℃或更高。

拆除保溫后發(fā)現(xiàn)，絕熱反應(yīng)器局部存在腐蝕現(xiàn)象，由于支撐鋼結(jié)構(gòu)過火彎曲，后續(xù)檢測中應(yīng)追加水平直線度檢測。

2.2.2 壁厚測定

對絕熱反應(yīng)器進行壁厚測定，筒體和封頭的實測最小壁厚未見異常，但是在彎頭處實測壁厚只有11.4mm，存在明顯的局部腐蝕。

2.2.3 表面無損檢測

按照NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》標準，對設(shè)備受火面焊縫進行100%磁粉檢測，接管進行滲透檢測，結(jié)果為Ⅰ級合格。

2.2.4 硬度結(jié)果

對設(shè)備熱暴露區(qū)的碳鋼構(gòu)件母材進行硬度測試，每個測試點測3次取平均值，其結(jié)果為124HV。硬度值按照API579標準附錄F中的表F.1可以轉(zhuǎn)換為構(gòu)件材料的極限抗拉強度?？紤]到設(shè)備材料為國內(nèi)材料標準，此次評價按照GB/T1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算后可以得到其抗拉強度大約為430MPa。

2.2.5 金相結(jié)果

對設(shè)備熱暴露區(qū)構(gòu)件的母材進行金相檢測抽查，觀察組織形貌，參照DL/T674-1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》進行球化等級評定。

對于16MnR等低合金鋼材料，正常的金相組織為鐵素體+珠光體。珠光體由片狀的滲碳體和鐵素體相間組成。由于片狀珠光體是一種亞穩(wěn)態(tài)組織，在一定溫度和持續(xù)時間下，滲碳體將轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钐蓟铮⒋嬖诰奂L大的趨勢。這種變化將導致材料高溫和常溫的抗拉強度和屈服強度的降低。通常在649～732℃溫度范圍，幾個小時的暴露時間，就可以發(fā)生珠光體的球化。從抽檢的金相組織照片（見圖3）可見，絕熱反應(yīng)器的金相組織仍然是鐵素體+珠光體組織，其球化等級為2級，屬于傾向性球化，因此設(shè)備不可能處于熱暴露區(qū)Ⅴ。

2.2.6 平直度檢測

采用全站儀對絕熱反應(yīng)器進行水平偏移測量，結(jié)果表明，從進料口至第一個90°彎頭的直管段，水平偏移量最大值為75mm。

2.3 合于使用評價

2.3.1 熱暴露區(qū)的確定

依據(jù)2.1收集的火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和2.2.1宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的溫度跡象，可以確定絕熱反應(yīng)器所處的空間溫度較高，處于熱暴露區(qū)Ⅴ，但是由于設(shè)備外部包裹了硅酸鋁鎂保溫層，絕熱良好，設(shè)備本體的熱暴露區(qū)比所在位置的外部空間低，經(jīng)2.2.4硬度檢測和2.2.5金相照片能夠印證以上的判斷，并且可以確定設(shè)備本體處于熱暴露區(qū)Ⅳ。

2.3.2 1級評價

由2.2.2設(shè)備壁厚測量結(jié)果可知，絕熱反應(yīng)器壁厚發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)首先對其進行強度校核。另外由2.2.6可知，設(shè)備的水平偏移量較大，也有必要進行評價后再對設(shè)備的影響進行1級評價。

（1）絕熱反應(yīng)器強度校核

由于該設(shè)備長徑比較大，且采用固定管托和滑動管托等支撐，因此采用管道設(shè)計標準GB/T20801.3-2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3部分：設(shè)計和計算進行壁厚校核。

由于實測最小壁厚在反應(yīng)器90°彎頭處，可根據(jù)GB/T20801.3標準第6.2條款中彎頭的計算厚度公式進行壁厚校核，其公式如下：

（1）

彎頭中心線：I=1.0 （4）

其中：tw為計算厚度，mm;p為設(shè)計壓力，MPa;D為管道外徑，mm;S為設(shè)計溫度下材料的許用壓力;？準為管道縱焊縫的焊接接頭系數(shù);I和Y均為計算系數(shù)。

依據(jù)表1，將p=5.5MPa，D=426mm，S=158MPa，？準=1.0，Y=0.4代入上面公式，那么：

彎頭內(nèi)側(cè)：I=1.11，計算壁厚tw=8.1mm;

彎頭外側(cè)：I=0.774，計算壁厚tw=5.68mm;

彎頭中心線：I=1.0，計算壁厚tw=7.31mm。

而彎頭實測壁厚最小值為11.4mm，扣除腐蝕余量C2=1.0mm，仍然大于計算壁厚，強度校核合格。

（2）絕熱反應(yīng)器平直度評價

由絕熱反應(yīng)器平直度測量2.2.6可知，其水平偏移量最大值為75mm。由于絕熱反應(yīng)器長徑比較大，可以參照工業(yè)管道對水平管道平直度的要求進行評價。依據(jù)GB50235-2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》中7.3.19條款和GB50184-2011《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中7.3.11條款之規(guī)定，對于？準426的水平管道，平直度≤3‰的管道有效長度，最大為80mm。由圖紙可知，絕熱反應(yīng)器從進料口至第一個90°彎頭的直管段，總長度為25.45m，其平直度要求偏移最大值為76.35mm，水平偏移量滿足標準要求。

（3）1級評價

由于絕熱反應(yīng)器本體的最高熱暴露區(qū)為Ⅳ，按照API579標準中表11.12的規(guī)定，對于低合金鋼設(shè)備，處于熱暴露區(qū)Ⅳ及以下的均滿足1級評價準則，可以繼續(xù)使用。因此絕熱反應(yīng)器滿足1級評價準則，可以繼續(xù)使用。

2.3.3 2級評價

由于該絕熱反應(yīng)器屬于核心設(shè)備，并且宏觀出現(xiàn)明顯的水平偏移量，雖然滿足標準要求，但是出于安全性考慮，仍然需要對其進行2級評價。

2級評價需要首先根據(jù)硬度檢測結(jié)果中推算出的極限抗拉強度計算出過火構(gòu)件的許用應(yīng)力，其公式如下：

其中：Safd為過火材料的許用應(yīng)力，MPa;S為基于硬度測試得到的極限抗拉強度，MPa;SaT為在設(shè)計溫度下原始設(shè)計規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，MPa;SaA為在硬度測試時的室溫條件下原始設(shè)計規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力，MPa;Cism為原始設(shè)計制造標準中基于極限抗拉強度的安全系數(shù)。

根據(jù)2.2.4可知，過火后16MnR構(gòu)件的極限抗拉強度S=430MPa，設(shè)計溫度200℃下的材料許用應(yīng)力SaT=158MPa，室溫條件下材料的許用應(yīng)力SaA=163MPa。依據(jù)GB/T20801.3設(shè)計標準，基于抗拉強度的安全系數(shù)Cism=3.0。將以上數(shù)據(jù)代入公式（5），可以計算得出過火16Mn構(gòu)件的許用應(yīng)力Safd=138.9MPa，較設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力的SaT小，證明材料變軟。

彎頭最大允許工作壓力MAWP計算公式如下：

從表1可知，設(shè)計壓力Pc=5.5MPa，外徑D=426mm，最小壁厚？啄m=11.4mm，腐蝕余量C2=1.0mm，？準=1.0，Safd=138.9MPa，由公式（6）可以計算得出MAWP。

彎頭內(nèi)側(cè)：I=1.11，MAWP=6.23MPa;

彎頭外側(cè)：I=0.774，MAWP=8.93MPa;

彎頭中心線：I=1.0，MAWP=6.91MPa。

過火構(gòu)件表面經(jīng)外部宏觀檢查和表面無損檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其他缺陷，也未發(fā)生蠕變?nèi)毕?，最大允許工作壓力MAWP>設(shè)計壓力Pc，因此滿足2級評價準則。

2.4 剩余壽命估算

對于受火災(zāi)影響的設(shè)備，API579標準并未提供與專門的剩余壽命估算方法，設(shè)備的剩余壽命是基于其受到的其他損傷形式而決定的。

對于絕熱反應(yīng)器，彎頭部位存在嚴重的局部腐蝕，需要計算腐蝕速率，估算其剩余壽命。

查閱絕熱反應(yīng)器設(shè)備檔案可知，該設(shè)備自投用以來已使用5年，設(shè)備公稱壁厚16mm，此次檢測發(fā)現(xiàn)彎頭實測最小壁厚？啄m為11.4mm，可估算腐蝕速率v為0.92mm/yr。根據(jù)彎頭處最大計算厚度tw為8.1mm，可估算其剩余壽命T如下：

T=（？啄m-tw-C2）/v=（11.4-8.1-1）/0.92=2.5年。

3 結(jié)束語

（1）由現(xiàn)場溫度跡象以及金相檢測結(jié)果可以判斷，評價設(shè)備本體處于中度熱暴露區(qū)Ⅳ及以下。

（2）本次合于使用評價采用API579標準，絕熱反應(yīng)器滿足2級評價準則，可以繼續(xù)使用。

（3）絕熱反應(yīng)器水平偏移量最大值為75mm，經(jīng)評價可以繼續(xù)使用。

（4）絕熱反應(yīng)器的90°彎頭壁厚明顯減薄，絕熱反應(yīng)器檢驗周期不應(yīng)超過2.5年，可結(jié)合檢修更換減薄部位的彎頭后繼續(xù)使用。

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