韓志遠 謝國山 邵珊珊 王 輝

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險防控） 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，或在使用過程中因工藝超溫導(dǎo)致的損傷，一般稱為火災(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)心的問題。

由于國內(nèi)一直欠缺標準方法，對承壓設(shè)備火災(zāi)損傷的安全評價一般參照美國標準API 579《Fitness For Service》進行［1－3］。然而，國外標準中的材料數(shù)據(jù)、檢驗方法等與我國存在一定差別，其適用性有待驗證。針對這一問題，我國相關(guān)科研院所及高校開展了大量我國材料的火災(zāi)模擬及過火性能試驗研究，以及過火設(shè)備的檢測評價工作，積累了豐富的材料試驗數(shù)據(jù)和工程實踐經(jīng)驗［4－7］。在此基礎(chǔ)之上，我國標準GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評價》于2018年正式頒布實施，其中第11部分規(guī)定了火災(zāi)損傷的評價方法，為我國承壓設(shè)備火災(zāi)損傷合于使用評價提供了標準方法支持［8］。

本文采用GB/T 35013—2018對某企業(yè)大面積過火壓力容器及工業(yè)管道開展了火災(zāi)損傷的檢驗及合于使用評價。一方面，初步驗證了該標準中評價方法和技術(shù)路線的正確性及適用性；另一方面，也發(fā)現(xiàn)了標準中存在的一些問題和不足之處。本文的研究為我國火災(zāi)損傷評價方法的完善以及GB/T 35013—2018的進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)生時為2級東北風(fēng)，燃燒介質(zhì)主要為閃蒸汽、脫碳氣、NHD（聚乙二醇二甲醚）等，未發(fā)生次生事故。

裝置內(nèi)5臺容器及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。所評價的下一檢驗周期為1年。

2 我國承壓設(shè)備火災(zāi)損傷評價技術(shù)路線

根據(jù)GB/T 35013—2018，承壓設(shè)備火災(zāi)損傷有3級評價方法：

1級評價根據(jù)收集的資料和檢測數(shù)據(jù)，將設(shè)備分配到其所處的火災(zāi)熱暴露區(qū)。當承壓設(shè)備不存在機械損傷和尺寸變化時，確定設(shè)備或部件材料是否處于免評熱暴露區(qū)，如部件處于免評熱暴露區(qū)，則通過1級評價。

2級評價按照以下步驟進行：1）對設(shè)備或部件進行宏觀檢驗和必要的無損檢測；2）對設(shè)備或部件進行硬度和金相檢驗及評價；3）根據(jù)設(shè)備設(shè)計準則及硬度檢測結(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)計準則進行強度校核；5）如果發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后設(shè)備或部件還存在其他類型損傷，應(yīng)根據(jù)其他損傷評定方法進行評價。

3級評價從承受火災(zāi)損傷的部件上直接取樣（包括微試樣）進行力學(xué)性能測試，或依據(jù)火災(zāi)熱暴露溫度、時間、滅火方式，采用與承受火災(zāi)損傷的部件相同的材料進行熱處理模擬試驗，并進行力學(xué)性能測試。根據(jù)設(shè)備設(shè)計準則及力學(xué)性能測試結(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)計準則進行強度校核。

評價技術(shù)路線圖如圖1所示：

圖1 評價流程圖

根據(jù)本文第2部分中的技術(shù)路線，對受火設(shè)備開展相應(yīng)檢驗及評價分析。

3 評價過程及結(jié)果

3.1 宏觀檢測

首先對受火設(shè)備受火范圍進行了現(xiàn)場宏觀檢測，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，并檢查變形、開裂、泄漏等問題。宏觀檢測發(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級評價

GB/T 35013—2018中火災(zāi)熱暴露區(qū)共劃分為6個等級，對于本次評估的材料免評熱暴露區(qū)為I～Ⅳ級。結(jié)合GB/T 35013—2018以及宏觀檢測結(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，達到了外部鋁合金外皮的熔點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，溫度達到了480 ℃以上，其他漆皮完好或無明顯變化部位則溫度未達到400 ℃，因此受火設(shè)備受火范圍根據(jù)表1可定為Ⅴ～Ⅵ級熱暴露區(qū)，不能通過基于GB/T 35013—2018的火災(zāi)損傷1級評價，需進行2級評價。

表1 火災(zāi)損傷的熱暴露區(qū)等級

3.3 受火設(shè)備的2級評價

根據(jù)GB/T 35013—2018，對不通過1級評價的受火設(shè)備受火范圍Ⅴ～Ⅵ級熱暴露區(qū)開展2級評價，進行受火設(shè)備的壁厚檢測、表面缺陷無損檢測、埋藏缺陷無損檢測、金相檢測、硬度檢測，根據(jù)檢測結(jié)果確定許用應(yīng)力，并按設(shè)計準則進行最大允許操作壓力的校核。

受火設(shè)備的檢測結(jié)果顯示：

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

2）磁粉檢測（MT）及滲透檢測（PT）評定等級均為I級，所有受火設(shè)備，未見表面缺陷。

3）容器超聲檢測（UT）均為I級未見超標埋藏缺陷；而對于管道UT及射線檢測（RT）評定等級為Ⅲ～Ⅳ級，且存在不滿足TSG D7005—2018規(guī)定的安全狀況等級2級的未熔合、未焊透、氣孔等超標缺陷。對這些缺陷進行了返修處理并復(fù)驗合格。

4）對受火范圍典型位置進行現(xiàn)場金相檢測。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，母材球化等級最高為3級；不銹鋼管道母材為奧氏體組織，未見敏化。典型金相檢測結(jié)果見圖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）對受火范圍典型位置進行現(xiàn)場布氏硬度檢測，硬度檢測結(jié)果未見異常。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)力折算及強度校核。根據(jù)GB/T 35013—2018，由式（1）將現(xiàn)場硬度測定值轉(zhuǎn)換得到抗拉強度，再由抗拉強度計算受火材料的許用應(yīng)力進行強度校核。承受火災(zāi)損傷材料的許用應(yīng)力計算見式（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)場硬度測定值轉(zhuǎn)換得到的抗拉強度換算值，MPa；

［σ］a——現(xiàn)場硬度測量溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

［σ］t——設(shè)計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)計標準中抗拉強度對應(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)換得到的抗拉強度確定許用應(yīng)力時采用的安全系數(shù)，一般取1.2，對于Q245R和Q345R，nh可取1.05。

依據(jù)受火設(shè)備的硬度檢測結(jié)果，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》及GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》，將受火設(shè)備硬度測量值轉(zhuǎn)換為抗拉強度值［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量值，受火管道取母材的最小硬度測量值進行轉(zhuǎn)化，以保證評價的保守性。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)計標準進行了強度校核。所評價的5臺受火容器及26條受火管道強度校核均通過，同時通過無損檢測驗證了無應(yīng)力腐蝕開裂損傷，并對超標制造缺陷進行了排查和修復(fù)，因此這些受火設(shè)備能夠通過基于GB/T 35013—2018的火災(zāi)損傷2級評價。

3.4 火災(zāi)損傷評價結(jié)果的驗證

受火設(shè)備在投入使用后運行良好，目前已安全服役近4年時間，未出現(xiàn)失效事故或其他故障。本次火災(zāi)損傷評價為企業(yè)受火設(shè)備的繼續(xù)安全運行提供了依據(jù)，同時也進一步驗證了GB/T 35013—2018中火災(zāi)評價方法的可行性和正確性。

4 火災(zāi)損傷評價方法存在問題的探討

4.1 受火材料更加準確的硬度值與抗拉強度定量關(guān)系

受火設(shè)備硬度測量值轉(zhuǎn)換為抗拉強度值是火災(zāi)損傷2級評價的關(guān)鍵步驟，GB/T 35013—2018中給出的參考標準為 GB/T 1172—1999［9］。一方面，該標準目前版本較老，其中的方法也與現(xiàn)行的硬度測試標準有不協(xié)調(diào)之處，例如該標準在較低硬度范圍內(nèi)還采用鋼制壓頭（HBS）測量結(jié)果折算抗拉強度，而當前GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》中，已無HBS的定義而均采用硬質(zhì)合金球壓頭（HBW）進行測量［11］。另一國家標準GB/T 33362—2016也同樣給出了硬度轉(zhuǎn)換抗拉強度的方法［10］，但同樣規(guī)定不大于450 HB的情況下采用鋼球測定，這就給硬度標準轉(zhuǎn)化方法的適用性帶來了問題。另外，圖8展示了兩標準以及API 579中碳鋼材料轉(zhuǎn)化結(jié)果的比較，同樣還有Shao等人針對受火Q345R材料的試驗結(jié)果［4］，可見兩標準方法的轉(zhuǎn)化關(guān)系存在一定差異，且GB/T 33362—2016與API 579以及文獻［4］中的試驗結(jié)果符合更好。因此有必要總結(jié)相應(yīng)研究成果，根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)建立我國受火災(zāi)損傷材料硬度轉(zhuǎn)化抗拉強度關(guān)系，為火災(zāi)損傷評價提供更翔實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖8 標準中碳鋼硬度值與抗拉強度定量關(guān)系對比

4.2 受火承壓設(shè)備無損檢測比例及缺陷評價方法

火災(zāi)損傷評價中的2級評價需要進行表面缺陷及埋藏缺陷的無損檢測測試，以確定設(shè)備是否存在裂紋等損傷。但在標準中這一檢測過程如何實施及其結(jié)果如何評價并沒有相應(yīng)說明。富陽等人曾在實踐中按照當時的TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》規(guī)定的比例進行抽檢［12－13］，而本文案例中則采用了在受火區(qū)域可檢范圍內(nèi)進行100%比例的檢測，檢測比例的合理性和保守性還需進一步研究驗證。另外，本文案例中管道的射線檢測不可避免地發(fā)現(xiàn)了焊接埋藏缺陷，雖然這些埋藏缺陷可以通過TSG D7005—2018確定安全狀況等級以判斷是否超標［14］，但對于受火管道這一法規(guī)規(guī)定是否適用，目前還沒有定論。尤其是該法規(guī)規(guī)定了除非“滿足材料韌性良好，未出現(xiàn)材料性能劣化以及劣化趨向”才可進行定級，否則定為4級。因此，對于受火設(shè)備而言，更加詳細的評判準則仍需進一步明確。

4.3 常見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級評價中需要進行硬度測試，并且在GB/T 35013—2018附錄D中給出了常見材料的硬度范圍。通過本文案例中的實際檢測結(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?，F(xiàn)象。同時，2級評價中的硬度及金相評價部分還規(guī)定，對于碳鋼和低合金鋼，當硬度結(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，不通過2級評價。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《鋼的顯微組織評定方法》魏氏組織按嚴重程度可分為1～5級［15］，出現(xiàn)輕微魏氏組織并不意味著組織發(fā)生了劣化。如果認為焊縫硬度高于GB/T 35013—2018標準附錄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法通過2級評價。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)進一步細化或規(guī)范，例如給出焊縫的正常硬度范圍，或規(guī)定魏氏組織到達一定級別后才屬于組織異常等。

5 結(jié)論

本文采用GB/T 35013—2018對某企業(yè)大面積過火壓力容器及工業(yè)管道開展了火災(zāi)損傷的檢驗及合于使用評價，開展了火災(zāi)損傷的1級評價及2級評價。結(jié)果顯示受火設(shè)備能夠通過基于GB/T 35013—2018的火災(zāi)損傷2級評價。受火設(shè)備在投入使用后運行良好，目前已安全服役近4年時間，未出現(xiàn)失效事故或其他故障，驗證了GB/T 35013—2018中火災(zāi)評價方法的可行性和正確性。

本文還結(jié)合本次評價工作對評價過程中標準方法存在的問題進行了探討，給出了建立受火材料硬度值與抗拉強度定量關(guān)系、明確受火承壓設(shè)備無損檢測比例及缺陷評價方法、細化常見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)評價方法的完善和修訂提供了依據(jù)。