过火设备损伤评价方法及其材料力学和耐腐蚀性能损伤评价的研究现状

王 伟，史 进，耿鲁阳，唐建群，巩建鸣

(1.南京工业大学机械与动力工程学院，极端承压装备设计与制造重点实验室, 南京 211816；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引 言

石油化工行业作为我国现代工业的重要支柱，在国民经济的发展中起着举足轻重的作用[1]。工艺过程的高参数化和复杂化使得越来越多的化工容器和管道等设备需要在高温、高压和腐蚀等较苛刻条件下长期服役。在服役过程中，设备的损伤或其他因素可能会导致火灾甚至是爆炸事故的发生，这不仅影响企业的正常生产，还可能导致人员伤亡、财产损失以及环境污染等问题[2-4]。

然而，受到火灾侵害的容器和管道等设备(即过火设备)经受了火灾发生时散发热量的加热以及灭火时的冷却作用，其材料的组织和性能会发生变化[5]；并且由于加热、保温和冷却作用以及设备材料的不同，设备受到的损伤程度和类型也不同。对于石化设备常用的碳钢和低合金钢，过火时会发生组织的球化、晶粒长大、蠕变[6]、变形等。在火灾过程中，材料显微组织的转变，往往会造成其性能也随之发生变化，例如当受到火灾侵害后，奥氏体不锈钢的强度、塑性、韧性等力学性能会发生变化，且火灾现场较高的温度以及较复杂的温度场易使其经历敏化温度区，导致材料发生敏化，增加晶间腐蚀(IGC)的敏感性[7-8]。通过对过火设备的损伤程度进行定级以及对损伤原因进行分析，可以确定过火设备是能够继续安全服役还是应降级使用或者维修更换，这可避免盲目更换或废弃设备，对于最大程度地减少火灾损失具有十分重要的工程意义[9]。为了给过火设备及其材料的评价提供参考，作者对石化行业中常用碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢过火设备的损伤评价方法及其材料的力学与耐腐蚀性能的国内外研究现状进行了综述。

1 过火设备的损伤评价方法

在火灾发生时，不同区域的温度、火灾持续时间以及灭火方式不同，导致设备损伤的程度和类型不同。因此，确定火灾致损伤的程度和类型是评估过火设备是否满足安全可靠使用的关键所在。

目前，过火设备的损伤评价可参考API 579-1/ASME FFS-1中的评价方法，分为1级评价、2级评价和3级评价。过火损伤评价的首要步骤是基于火灾过程记录及设备材料信息，划分火灾损伤区域特征温度。菊池務等[10]基于规范并按照在火灾期间的远场区域和近场区域设备受到的最大暴露特征温度区间，将过火设备的热损伤区域划分为无热、烟雾、轻度、中度、重度及极度损伤6个区域，分别对应于API 579-1中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级损伤。对石化行业火灾损伤区域进行温度划分时，应用最为广泛的是ISO-834和 ASTM-E119标准升温曲线，而我国现行标准采用的是ISO-834标准火灾升温曲线。

根据不同区域的损伤级别，按照三级评价程序对过火设备进行进一步评价。1级评价目的是获取并整理火灾现场的结果以及设备数据记录的信息，如过火设备所承受的最高温度、起火源位置、火灾时间以及设备不同区域的受火特征等，综合考虑各类因素，划定火灾热损伤区域及特征温度区间。大部分碳钢、低合金钢和不锈钢型设备的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级损伤区域可满足并遵循1级评价[11]，可以免受评价，适合继续安全服役；1级评价属于筛选准则，相对较为保守。而对于Ⅴ、Ⅵ级损伤区域，需要继续进行2级或3级评价，以确定其是否需要维修、更换或是否废弃使用。2级评价从过火设备材料的显微组织、硬度、壁厚、缺陷、变形等方面来评价过火设备的结构完整性，这些评价程序通常应用于目视检测时有尺寸变化或遭受Ⅴ级以上的损伤区域。当利用2级评价判定过火设备材料的强度降至不可接受时，就必须采用3级评价准则。3级评价主要对材料进行显微组织分析和力学性能测试。显微组织分析是过火损伤设备材料劣化检验的重要指标，需要对损伤部位与未损伤部位设备材料或者相同材料不同损伤区域之间的显微组织进行对比。

押韵修辞格包括元韵(Assonance)和头韵（alliteration）等。元韵“是指连续几个词重复同一个或近似的元音，求取悦耳效果的辞格”，而头韵读来则很有节奏感。（范纯海，2010）头韵是法学论文常用的一种修辞。例如：

尽管国内外学者已经对各类设备材料过火后的力学性能进行了一定的探索，但对其相关的理论力学模型鲜有研究。MARAVEAS等[25]从不同过火设备上收集大量试样进行力学性能测试，基于实验室测试数据，提出了用于估算过火设备材料力学性能的简化公式。WANG等[26]在实验室条件下对不同温度保温不同时间并冷却至室温的304奥氏体不锈钢进行力学性能测试，结合测试结果提出了奥氏体不锈钢过火后的简化应力-应变模型。TAO等[27]对奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相不锈钢进行不同温度(20～1 200 ℃)的过火试验，通过拉伸试验分析了温度对弹性模量、屈服强度、抗拉强度、应变极限等的影响；基于回归分析，对已有奥氏体不锈钢应力-应变模型进行了适当的修正，修正后的模型可用于评估这3种不锈钢的过火行为。但是，这些过火损伤理论力学模型的研究尚未成熟，需要进行进一步完善，使其能够综合表征过火设备材料的显微组织和力学性能演变规律。

基于全面提升防渗层质量的目的，采用了两种施工工艺，即C20变态混凝土和C20碾压混凝土，以粗骨料粒径为基准，两类材料达到二级配标准，对应龄期均为90d；前者厚度为0.5m，后者介于2.0～4.5m范围内，以确保抗渗等级达到W8水平。对于下游坝面亦采用上述两种施工工艺，以粗骨料粒径为基准，二者达到三级配标准，对应龄期均为90d，且厚度均为0.5m，最终确保抗渗等级达到W6水平。大坝基础部分则采用C20常态混凝土工艺，此阶段达到二级配标准，对应龄期为90d，以确保其抗渗等级达到W8水平。

目前，尚未有比较成熟的过火设备损伤评价方法，发生火灾后按照API 579-1/ASME FFS-1中的过火设备损伤评价程序，可在一定程度上避免盲目更换和废弃过火设备，或是安排不必要的安全性评价，从而可在保证设备安全服役的同时，减少经济损失[15]。但是，火灾现场环境的复杂性给过火损伤评价带来了不确定性。因此，过火设备的损伤区域识别和损伤程度评价准则尚存在一定不足之处，仍有一些问题需要进一步考虑：(1)火灾发生时，可燃物的燃烧特性、类型和分布等都影响着过火设备的升温过程；(2)难以判断不同区域的火灾暴露温度随时间变化规律、最大暴露温度以及不同灭火方式的冷却速率；(3)在实际火灾中，火场温度受烟雾、可燃物类型、数量等因素影响，温度并不完全遵循ISO-834标准升降温曲线过程，因此迫切需要进一步研究不同火灾条件下更加接近实际火灾的升降温曲线模型。

2 过火设备材料的力学性能评价

在工业火灾中，近场区域主要受燃烧时产生的高温以及灭火时冷却作用的影响，直接造成设备力学和耐腐蚀性能的变化；远场区域主要受物质燃烧时产生的腐蚀性烟气的非热损伤作用的影响，腐蚀性烟气会凝结在设备表面；同时烟气所具有的扩散性和短时快速腐蚀效应以及灭火时的高湿度环境还可以进一步促进腐蚀的发生，影响设备零件的精度以及设备的可靠性，从而造成严重的设备腐蚀损伤[34]。研究表明，与烟气腐蚀有关的损伤比因高温和灭火冷却造成的损伤要更为严重[35]，短时间暴露就可能导致较大程度的腐蚀损伤[36]。PATTON等[37]研究发现，304不锈钢、碳钢以及铜镍合金在聚氯乙烯燃烧产生的烟气中均具有高度的腐蚀敏感性。刘絮霏[38]利用聚氯乙烯燃烧产生的烟气模拟火灾现场烟雾，发现：随着时间的延长，304不锈钢在聚氯乙烯烟气中的点蚀特征愈发明显，并产生少量的凹坑和锈蚀凸起物；根据304不锈钢表面出现不同形貌和腐蚀产物时对应的质量损失阈值，提出了腐蚀程度评估模型，并分析验证了该模型的可靠性，为工业火灾后烟气损失判定和及时施救提供了依据。

石油化工行业中常用的碳钢和低合金钢设备所服役环境的腐蚀性一般不太强，过火后主要考虑的是设备材料可能的组织转变对其力学性能的影响，而对耐腐蚀性能变化的研究相对较少。但是，石油化工行业中广泛使用的在较强腐蚀性环境下服役的奥氏体不锈钢设备经历火灾后，其耐腐蚀性能可能有较大幅度的降低，这与经历高温火灾后在晶界处析出的碳化物，即过火敏化密切相关。在火灾发生过程中，奥氏体不锈钢中Cr23C6型富铬碳化物优先在奥氏体晶界析出而造成晶界附近贫铬；当其继续在腐蚀性环境中服役时，晶间贫铬区将形成“小阳极-大阴极”的微电池，加速晶界贫铬区的腐蚀，进而发生严重的晶间腐蚀[28]。当服役环境中存在较大拉应力时，还可能进一步诱发晶间型应力腐蚀开裂(IGSCC)[29]。

过火温度的高低是造成各种设备材料力学性能变化的原因之一。周杨飞等[18]研究发现，随着加热温度的升高，过火SPV490Q钢焊接接头的冲击韧性明显下降，但保温时间对冲击韧性的影响不大。杨景标等[19]通过不同温度、保温时间和冷却速率的热处理来模拟材料的过火过程，发现经空冷和水冷后，07MnNiMoDR钢冲击功和断裂韧度急剧下降的临界温度为650 ℃。07MnNiMoDR钢过火后拉伸性能急剧下降的临界温度也为650 ℃[20]。范圣刚等[21]研究发现，当加热温度不低于600 ℃时，温度和冷却方式对304奥氏体不锈钢弹性模量、名义屈服强度和断后伸长率均会产生影响，且抗拉强度随温度的升高而略微增大，但冷却方式对抗拉强度几乎没有影响。LIU等[22]研究发现：当温度超过600 ℃时，Q235钢和Q345钢的屈服强度和抗拉强度开始下降，且后者的降低幅度大于前者的；当温度为800 ℃时，Q235钢的屈服强度和抗拉强度分别降至常温的87%和91%，Q345钢的屈服强度和抗拉强度分别降至室温下的83%和87%。AZHARI等[23]对名义屈服强度为1 200 MPa的超高强钢进行了过火模拟试验，发现：当过火温度为470 ℃时，钢的强度开始下降；当温度达到600750 ℃时，强度降低得最为显著；当温度高于750 ℃后，强度降低的趋势较平缓。GAO等[24]对304不锈钢和316不锈钢进行过火模拟试验，发现：当过火温度达到1 100 ℃时，304不锈钢和316不锈钢的屈服强度分别下降约30%和20%，弹性模量先增加后减小；但冷却方式和保温时间对过火冷却后不锈钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等力学性能的影响较小。

目前，主要参考ASTM A262-15与BS EN ISO 12732-2018，采用晶间腐蚀测试方法对过火不锈钢设备的腐蚀损伤进行定性分析和定量评价[30]。也有学者通过实验室模拟烟气腐蚀损伤来评价材料的耐蚀性能[31]。DELLA等[32]先用草酸腐蚀试验对火灾致敏奥氏体不锈钢设备的腐蚀倾向进行初步筛选，再用硫酸-硫酸铁溶液热酸浸泡试验得到腐蚀速率，并用其来量化奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度，发现：火灾致敏奥氏体不锈钢的腐蚀速率远远大于未暴露于火灾中的；未暴露于火灾中的奥氏体不锈钢表面比较光滑，只存在轻微的腐蚀痕迹，而火灾致敏奥氏体不锈钢表面可观察到明显的晶间腐蚀现象，且部分区域存在晶粒脱落现象，表明其晶间腐蚀程度严重，且比采用加热法来使材料敏化所遭受的晶间腐蚀程度更严重。DELLA等[32]还利用双环电化学动电位再活化(DL-EPR)方法测得的敏化度来量化奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感度，发现该测试方法具有不受金属表面处理的影响以及不会破坏设备结构完整性的特性，更加适用于现场检测，且DL-EPR测试结果与草酸腐蚀测试结果有很好的对应性。AQUINO等[33]研究发现，火灾致损材料中局部腐蚀的发生率和发生程度更高，并成为断裂的裂纹源。

BAKHTIARI等[12]和富阳等[13]基于API 579-1标准，对热损伤区域进行划分，并运用标准中提到的损伤评价技术，定性评估遭受火灾影响的压力容器等过火设备的性能；但在对热损伤区域屈服强度、抗拉强度等力学性能的测试中，并没有涉及到火灾暴露条件与力学性能退化程度之间的定量关系，且力学性能测试需要从过火设备上取样，具有一定的破坏性，对设备的完整性有一定的影响。CHEN等[14]在对API 579-1标准研究的基础上，提出了一种在火灾事故信息不明确、热损伤区域难以区分、现场取样受限的情况下也可进行完整性评估的方法，即基于ISO-834标准中火灾发生时的温度-时间响应曲线，在实验室的条件下模拟火灾环境温度，在此温度下处理与过火设备相同的材料，研究火灾时的暴露温度、火灾持续时间和灭火方式对设备材料显微组织、力学性能、耐腐蚀性能和疲劳断裂行为的影响，得到火灾评估所需的各种性能数据，实现对过火设备的安全适用性评价。

3 过火设备材料的耐腐蚀性能评价

处于火灾中的奥氏体不锈钢设备所承受的火灾温度往往已经达到甚至超过不锈钢的临界敏化温度，火灾持续时间的长短以及灭火方式的不同均会导致敏化程度的不同。火灾过火致敏比一般敏化(如热处理、焊接不当或在敏化区间使用等)对不锈钢设备造成的晶间腐蚀倾向更大，这是因为实际火灾环境较为复杂，散发的热量以及烟雾等导致奥氏体不锈钢设备暴露在高温下的时间较长，敏化程度加剧，从而极大降低了其耐晶间腐蚀性能，最终导致设备过早失效。因此，研究奥氏体不锈钢设备过火致敏的原因及影响因素，对避免或减少晶间腐蚀破坏行为的发生有着重要的工程意义；而应用晶间腐蚀测试方法检测其敏化程度已成为工程应用中的研究方向。评估和检测因火灾导致奥氏体不锈钢设备耐腐蚀性能的过火受损是十分重要的。

目前，红寺堡区每百名农村劳动力中文盲、半文盲占 30%以上，小学程度占 35% 以上，即小学文化程度以下人员占农村总人口近 70%。劳动者文化素质低，不只是表现为思想观念落后，而且意味着科技素质偏低，缺少一技之长。加之不适应迁入地的生产生活方式，困难较多，如果遇到疾病灾害等，极易返贫。

1.2 组织架构 团队核心成员由组长和组员5名组成。组长为内科科护士长;组员分别为肿瘤科、内分泌科、骨科护士长和综合ICU护士。其中，大专3名，本科2名;主管护师2名，护师3名;从事临床护理工作均在5年以上，具有较强的责任心和组织沟通能力。设立团队联络员为各科室的护理安全管理即时质量控制专员。

在火灾发生过程中，过火设备材料除了强度、塑韧性、硬度等力学性能发生变化外，其耐腐蚀性能也会受到影响，因此耐腐蚀性能损伤程度评价也受到越来越多国内外学者的关注。

这些题目着重考查了中学学习阶段的基础知识和主干内容，这些知识是今后进入大学学习以及终身学习所必须掌握的“必备知识”，这体现了高考对进一步学习的学生需要具备适应大学学习的基础知识、基本能力和基本素养的“基础性”考查要求[6].

大部分金属材料的硬度与显微组织之间存在一定的关系，而硬度变化也会在一定程度上反映力学性能的变化规律，且硬度测试不会破坏设备的完整性。杨景标等[16]通过对比过火设备材料的硬度与显微组织随热暴露温度、时间和冷却方式的变化规律，获得设备过火后材料显微组织急剧变化时的硬度变化。当过火设备材料的显微组织变化或转变时，不仅其硬度随之变化，而且其冲击吸收功、断裂韧度等力学性能也随之改变；过火后材料的断裂特征会由以韧性断裂为主转化为以脆性断裂为主。LI等[17]通过显微组织观察与拉伸试验、冲击试验、扭转试验以及硬度测试等多种表征方法，定量研究了过火304奥氏体不锈钢强度、塑韧性等力学性能的降低程度，发现火灾持续时间越长，力学性能下降越严重，而这与火灾暴露后显微组织中奥氏体粗化以及Cr23C6型碳化物沿晶界析出有关。

当过火奥氏体不锈钢设备承受的火灾温度超过临界敏化温度并且过火时间较长时，应考虑脱敏现象[39]；火灾持续时间和灭火方式影响着敏化程度。因此，在实验室模拟火灾研究中，应综合考虑加热温度、保温时间以及冷却方式对材料显微组织和耐腐蚀性能的影响。火灾腐蚀性烟气的影响会导致过火设备的损伤更为严重，但是有关过火设备的烟气腐蚀损伤机理以及其遭受侵蚀程度的定量研究较少。因此，应定量研究火灾过程的温度、时间、灭火方式和烟雾腐蚀对过火设备损伤的综合影响。

1.1.2 排除标准 ①糖尿病类型为I型的患者；②同时存在其他类型甲状腺疾病的患者；③临床研究依从性较差的患者；④由于受到心理因素、病理因素影响而无法进行正常语言沟通的患者。

4 结束语

随着石油化工行业的快速发展，过火设备的损伤评价越来越受到关注。火灾发生时环境的复杂性给过火设备损伤评价带来了很多不确定性，因此需要对过火设备的损伤识别和损伤程度评价方法展开进一步研究。

(1) 在实际火灾中，受烟雾、可燃物类型、数量等因素影响，火场温度并不完全遵循ISO-834标准中的升降温曲线。因此，需要进一步研究不同火灾条件下更加接近实际火灾的升降温曲线模型。

(2) 石化设备火灾现场的复杂性和多样性导致有关过火设备损伤的研究相对较少，且没有形成较系统的理论。虽然采用API 579-1标准能够评估火灾致损伤程度，但尚不能够结合工程实际进一步量化其力学和耐腐蚀性能的变化。因此，需要结合实际工程进一步完善理论，进而指导工程实践。

(3) 现有过火损伤理论力学模型的研究尚未成熟，需要进一步完善相关理论模型，使其能够综合表征过火设备材料的显微组织和力学性能演变规律。同时，在对热损伤区域的显微组织分析和力学性能测试的损伤评价中，需要进一步定量明确不同火灾热暴露条件与过火材料力学性能退化程度之间的关系。

(4) 火灾发生时的温度、持续时间、灭火方式、烟雾颗粒以及其他可燃物的数量、大小和类型等环境因素均会影响过火设备材料的耐腐蚀性能，有关腐蚀损伤机理以及设备材料遭受侵蚀程度的定量研究较少，需要进一步定量研究这些因素对过火设备材料腐蚀损伤的综合影响。在对过火设备进行损伤评价时应充分考虑各个因素的综合影响，进一步探索和优化评价方法。