受火反应釜合于使用评价研究

吴磊，杨锐，刘海光，高雷(.山东省特种设备检验研究院枣庄分院，山东 枣庄 77800； .德州市产品质量标准计量研究院，山东 德州 53000)

0 引言

化工过程控制设备，不论是自身原因还是外界因素受到火灾波及，受火设备在火灾过程中都会受到不同程度的加热和冷却作用，造成不同程度的损伤，对于是否需要报废、维修更换或者继续使用，应根据标准对其进行火灾损伤合于使用评价。

1 受火反应釜基本情况

某化工企业一台反应釜，作业人员在取样过程中操作失误，导致釜底取样装置阀门失效，大量可燃介质泄漏引起火灾事故发生，造成多台相邻压力容器和相连接管道及所处框架电线电缆在火灾中整体受火烧损，该台反应釜受火最为严重，虽然燃火及时扑灭，但这对于该设备能否继续正常安全运行，还需要进行合于使用评价，受火反应釜基本参数如表1所示，受火部位如图1所示。

图1 反应釜受火部位图

表1 受火反应釜基本参数

2 合于使用评价流程

GB/T 35013—2018《承压设备合于使用评价》[1]给出了压力容器、压力管道、储罐壁板承压部件在火灾中受火焰冲击、热辐射，或在使用过程中因工艺超温导致损伤的合于使用评价。

2.1 受火损伤

受火对承压设备可能造成的损伤主要包括：

(1)变形、结构损伤及由变形、拘束以及失去支撑引起的高残余应力、金属开裂。

(2)力学性能退化，主要表现在材料的软化和脆化。软化主要是由珠光体球化或回火导致，降低了材料的硬度；脆化主要包括因生成马氏体、贝氏体和魏氏体等淬硬组织导致的脆化，高温过热表面渗碳导致的脆化。

(3)金相组织异常，主要表现在碳钢和低合金钢的晶粒长大、马氏体和魏氏体的转变、珠光体的球化、蠕变孔洞的产生以及高碳合金的脱碳，失去正常金相组织，这是受火承压设备常见的损伤形式，也是检验的重点之一。

(4)耐蚀性、耐环境断裂及耐蠕变性能退化。

2.2 评价流程

对受火承压设备进行评价前，需要获取火灾记录及设备信息，并根据其在火灾中达到的最高温度将其划分为不同等级的热暴露区，在此基础上，才可以进一步对受火承压设备进行不同水平的受火评价，GB/T 35013—2018将评价方法分为3级，即1级评价、2级评价及3级评价。

(1) 1级评价是一种筛选评价方法，当部件在火灾中所处的热暴露区等级对部件材质不会造成损伤时，可免予评价，继续服役。

(2) 2级评价是通过对火灾部件的金相组织、硬度及尺寸变化的检测，来评价火灾后部件的结构完整性，包括对火灾期间部件产生的其他缺陷和损伤的评价。2级评价一般用于高级热暴露区内，或目视发现外形明显变化的部件的评价。

(3)如果2级评价通不过，可采用3级评价，3级评价主要采用直接在火灾部件上取样或采用模拟火灾热处理试验试样进行力学性能试验，以消除2级评价的保守性。

2.3 火灾基本信息

按照GB/T 35013—2018规定，需要收集的火灾基本信息如表2所示。

表2 火灾基本信息汇总表

2.4 火灾热暴露区划分

按照GB/T 35013—2018的规定，火灾热暴露区共划分为6个等级，根据现场勘查情况局部受火反应釜热暴露区等级可划分为V级和Ⅲ级，分布及描述如表3所示，受火区域抽检分布示意图如图2所示。

表3 受火反应釜热暴露区等级划分对应表

图2 受火区域抽检分布示意图

2.5 1级评价

按照GB/T 35013—2018规定，1级评价根据收集的资料和数据，将部件分配到其所处的火灾热暴露区。

本次评定的受火反应釜主要材质为Q345R，宏观检验未发现存在机械损伤及尺寸变化，其免评热暴露区为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，D、E、F三处区域热暴露区等级为Ⅲ级，故通过1级评价；A、B、C区域热暴露区等级为Ⅴ级，未通过1级评价，需进行2级评价。

2.6 2级评价

按照GB/T 35013—2018规定按以下步骤进行2级评价：

(1)对受火反应釜进行宏观检验、壁厚测定、热暴露区磁粉检测及超声检测[2-3]，壁厚测定实测最小壁厚为14.27 mm，宏观检验未发现机械损伤及尺寸变化等异常，磁粉检测未发现相关显示，超声检测未发现超标缺陷。

(2)利用金相显微镜对Ⅴ级热暴露区的A、B、C三处代表区域取样进行金相检验[4]，未发现马氏体、魏氏体组织，均为珠光体+铁素体组织[5]，A区金相图如图3所示，B区金相图如图4所示，C区金相图如图5所示。

图3 A区金相图(X500)

图4 B区金相图(X500)

图5 C区金相图(X500)

(3)继续对Ⅴ级热暴露区进行2级评价，并对该区域进行硬度测定，测定结果如表4所示。

表4 抽检部位金相分析结果及其硬度平均值对应表

此时，应确定火灾后材料的许用应力，按照GB/T 35013—2018给出了许用应力的确定方法。

①根据GB/T 1172《黑色金属硬度及强度换算值》[6]将硬度测量值转换为抗拉强度值，高合金钢应充分考虑数据的分散性和误差。

②由下式来确定承受火灾损伤材料的许用应力，nism可取原始设计标准中抗拉强度对应的安全系数，如果nism未知也可取推荐值3.0；nh一般取1.2，对于Q345R，nh可取1.05。

式中：[σ]afd为承受火灾损伤的材料的许用应力(MPa)；σht为由现场硬度测定值转换得到的抗拉强度换算值(MPa)；[σ]t为设计温度下许用应力(MPa)；[σ]a为现场硬度测量温度下材料许用应力(MPa)。

根据GB/T 1172将硬度测量值转化为抗拉强度值，如表5所示。

表5 硬度平均值换算抗拉强度对应表

根据GB 150—201《1压力容器》[7]，得到[σ]t=185.4 MPa，[σ]a= 189 MPa，计算得到：

(4)根据NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》[3]，进行强度校核：

该反应釜Di=3 200 mm,φ=0.85,Ph=0.9 MPa,取C处[σ]afd进行强度校核，计算得到δ=13.52 mm,小于筒体实测最小壁厚14.27 mm,故满足强度要求。

(5) 2级评价准则如下：

①对承受火灾损伤的部件按原设计规范或标准进行强度校核；

②如存在其他损伤，应根据本标准相应章节进行评价；

③如以上强度校核和损伤评价结论均为可接受，则通过2级评价。

该反应釜经宏观检验未发现机械损伤及尺寸变化，经硬度测定发现夹套局部位置硬度值异常，后经该部位的金相检验未发现组织异常，经强度校核符合要求，故可通过2级评价，可以继续服役。

3 结语

受火反应釜按照GB/T 35013—2018提供的火灾损伤评价方法，将热暴露区域等级划分为Ⅲ级、Ⅴ级2个热暴露区，对各热暴露区的受火安全评价结果如下：

(1)Ⅲ级热暴露区处于免评热暴露区，通过1级评价；

(2)Ⅴ级热暴露区经过相关的检验检测及强度校核，通过了2级评价，可以继续服役。

受火设备的合于使用评价是特殊情况下的应急处置方法，通过宏观检验，壁厚测定，热暴露区的无损检测、硬度检测和金相分析等结果综合分析表明，该台反应釜可以在原设计参数下继续服役。在复产投运期间，建议企业对受火设备加强运行监控，落实危险源安全管理制度，完善安全操作规程，建立健全应急救援预案并定期演练，确保设备安全平稳运行。