CN103278525A - 一种承压设备火灾后的安全评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于承压设备的安全评估领域，具体涉及一种基于损伤热模拟的承压设备火灾后的安全评估方法。其具体包括以下步骤：硬度与金相的现场检验；热模拟实验获得其硬度与金相组织临界值；进行硬度与金相的现场检验测定值与硬度与金相组织临界值和正常值比对，满足则进入下一步骤，不满足则直接判废；进行宏观检查和无损检测：判断超标缺陷；不含超标缺陷则直接进行强度校核；含超标缺陷则进行断裂与疲劳评定；强度校核和断裂与疲劳评定合格后再确定允许工作条件可重新投入运行，强度校核和断裂与疲劳评定不合格则直接判废或维修。本发明评定效率高，可快速而有效的对过火承压设备是否合于使用作出评价。

Description

一种承压设备火灾后的安全评估方法

技术领域

本发明属于承压设备的安全评估领域，具体涉及一种基于损伤热模拟的承压设备火灾后的安全评估方法。

背景技术

承压设备广泛用于石化、电力、冶金、燃气、航空航天等国民经济支柱领域。承压设备一般面临着高压、高温、低温、易燃、易爆、有毒等介质的威胁，一旦发生泄漏甚至爆炸，往往并发火灾、爆炸、中毒、环境污染、放射性污染等灾难性事故，将给社会、经济、生产和人民生活带来损失和危害，直接影响社会安全。

承压设备产生过火主要有两种情况，一种是由于运行时操作条件和工艺波动导致超温，其温度超过了承压设备设计时的最高允许工作温度；另外一种是由于突发的火灾事故，承压设备暴露于火灾引发的高热环境中，使承压设备的金属温度超过其最高允许工作温度。这两种情况都可能使承压设备的强度、韧性、刚度和耐腐蚀等性能降低，发生非常严重的壳体变形、倾斜、垮塌、泄漏甚至爆炸事故，往往造成大量的人员伤亡、重大的经济损失或严重的环境污染，其后果将不堪设想。

工艺超温事故和火灾事故发生后，除需对事故原因进行分析外，关键是要快速有效地对暴露在高热条件下的承压设备进行合于使用评价，以便确定它们是否适宜继续服役或降级使用，这对于减少企业财产损失、及时恢复生产、确保过火后承压设备的安全运行具有重要意义，由此带来的经济和社会效益非常显著。

由于我国前期技术储备不足，尚未建立过火承压设备合于使用评价方法和标准规范。因此，我国目前对于过火承压设备的合于使用评价，基本完全参照美国API579的标准程序，其评价过程包括：收集评价所需数据；了解火灾事件的详细记录和体现温度的各种迹象并进行必要的检测；根据热暴露温度、材料及影响程度划分热暴露区，将过火设备划分到相应的热暴露区中，制定不同暴露区的检查计划，根据检测结果选择3级评价方法；对所有可能相关的失效模式参照有关方法进行剩余寿命评价。API579对于过火承压设备的合于使用评价过程非常复杂且不符合我国国情，同时，在进行安全评价过程中，为了获得过火承压设备材料的力学性能，美国API579要求对过火承压设备进行破坏性的现场取样，然后在实验室对试样进行试验，这不仅对承压设备产生破坏，同时不能系统研究热暴露温度、热暴露时间和冷却速度等因素对材料力学性能和微观组织的影响。如何研发出一种基于损伤热模拟的承压设备火灾后的安全评估方法，以实现对过火承压设备的损伤严重程度进行快速筛查目的，进而确保可对于过火承压设备是否合于使用作出快速准确评价，为国内外近年来所迫待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种操作合理而实用的承压设备火灾后的安全评估方法，可快速而有效的对过火承压设备是否合于使用作出评价。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种承压设备火灾后的安全评估方法，包括以下步骤：

S₁、对过火承压设备进行其硬度与金相的现场检验；

S₂、以与过火承压设备上所用的相同材料为对象，通过热模拟实验获得其硬度与金相组织临界值；

S₃、比较步骤S₁的硬度和金相组织与S₂中所获得的临界值，当硬度和金相组织满足临界值要求，进入步骤S₄；否则进入判废或维修步骤；

S₄、将步骤S₁的硬度测量值与其材料标准中的正常值范围进行比较，当硬度测量值超出正常值范围时，重新进入步骤S₂；否则直接进入步骤S₅；

S₅、对过火承压设备进行宏观检查和无损检测；

S₆、根据步骤S₅的宏观检查和无损检测结果判断其是否含超标缺陷：无超标缺陷时，进入步骤S₇；否则进入步骤S₈；

S₇、进行强度校核计算，之后进入步骤S₉；

S₈、根据步骤S₅和S₆中得到的过火承压设备的超标缺陷性质和尺寸，对过火承压设备进行断裂与疲劳评定；

S₉、确定步骤S₇的计算结果是否满足强度要求：满足强度要求，进入步骤S₁₁，否则进入判废或维修步骤；

S₁₀、当步骤S₈的评定结果可以接受时，进入步骤S₁₁，否则进入判废或维修步骤；

S₁₁、根据步骤S₇或S₈的结果和过火承压设备的实际运行环境，确定允许工作条件，之后进入步骤S₁₂；

S₁₂、重新投入运行；

所述S₁步骤中，对过火承压设备进行其硬度与金相的现场检验时，需要对其过火承压设备的损伤部位和未损伤部位一并进行。

所述S₂步骤中，采用热模拟试验装置对与过火承压设备上所用相同材料开展不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速度下的热模拟试验，获得其硬度和金相组织的临界值。

所述S₂步骤中，采用热模拟试验装置对与过火承压设备上所用相同材料开展不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速度下的热模拟试验，找出试验结束后的试样进行硬度测定、金相组织检验、力学性能、断裂韧性及抗腐蚀性能测试，根据获得的与过火承压设备上相同损伤的试样的热暴露温度、热暴露时间和冷却速度，确定过火承压设备的过火条件。

所述S₇步骤中，当步骤S₅的结果表明无超标缺陷时，根据步骤S₅得到的过火承压设备的壁厚测量值，以承压设备设计标准内的强度校核公式进行强度校核计算。

所述S₇步骤中，由下式确定强度校核时受火损伤材料的许用应力：

${\left[\mathrm{\σ}\right]}_{\mathrm{afd}}=\min [\frac{R_m}{n_b}\·\frac{{\left[\mathrm{\σ}\right]}^t}{{{\left[\mathrm{\σ}\right]}_R}^t},\frac{R_{\mathrm{eL}}}{n_s}\·\frac{{\left[\mathrm{\σ}\right]}^t}{{{\left[\mathrm{\σ}\right]}_R}^t},{\left[\mathrm{\σ}\right]}^t]$

式中[σ]_afd为过火损伤后材料的许用应力，MPa；R_m为由步骤S₄热模拟试验确定的过火后材料室温下的抗拉强度，MPa；R_eL为由步骤S₄热模拟试验确定的过火后材料室温下的屈服强度，MPa；n_b和n_s为安全系数；[σ]^t为按过火承压设备的原始设计标准在设计温度下材料的许用应力，MPa；

为力学性能测定环境温度下材料的许用应力，MPa；

所述S₁₂步骤中，根据过火承压设备的损伤情况，进行更换紧固件、密封件和维修支撑件操作，同时根据步骤S₁₁确定的允许工作条件，制定运行时的监控措施，之后再将该过火承压设备投入运行。

所述S₂步骤中，热模拟试验在25℃～1100℃的热暴露温度、0h～100h的热暴露时间和0～1400℃/h的升降温速率条件下进行。

当现场硬度测定和金相组织检验结果满足临界值和正常值范围内要求，且经宏观检查和无损检测没有发现损伤及超标缺陷时，过火承压设备直接免于安全评定。

本发明的主要优点在于:

1）、本发明通过对过火承压设备进行现场硬度测定和金相组织检验，同时采用热模拟试验确定与该过火承压设备所用相同材料的硬度和金相组织临界值，然后将现场硬度测定结果和金相组织检验结果与正常值和热模拟试验得到的临界值进行比较，从而实现对过火承压设备的损伤严重程度的快速筛查目的，进而根据宏观检查和无损检测结果，来实现过火承压设备的安全评定；其评定效率高，可快速而有效的对过火承压设备是否合于使用作出评价。

2）、本发明采用热模拟试验方法可以避免对过火承压设备的破坏性取样；可以系统地进行25℃～1100℃的热暴露温度、0h～100h的热暴露时间和0～1400℃/h的升降温速率条件下的热模拟试验，实现承压设备过火损伤过程的再现。同时，可以对热模拟试验结束后的试样进行力学性能、断裂韧性和腐蚀性能试验，得到材料的力学性能、断裂韧性和抗腐蚀性能参数。通过热模拟试验确定不同材料的硬度和金相组织的临界值，以通过将其硬度和金相组织现场检验结果与热模拟试验得到的临界值进行比较，判断过火承压设备的损伤程度。

3）、步骤S₁的硬度测量值与其材料标准中的正常值范围进行比较，且当硬度测量值超出正常值范围时，需由热模拟试验来确定材料的性能参数，此时重新进入步骤S₂，从而依靠热模拟试验再次对其临界值进行补充完善，最终获取满足实际需求的临界值数值并进行二次比较；通过上述“对比-完善-再对比”的反馈线路的构成，也就保证了临界值最终选取的准确度，以为整个流程的正常有效操作打下基础。

4）、本发明具有免于评定的准则：当现场硬度测定和金相组织检验结果满足临界值和正常值要求，且经宏观检查和无损检测没有发现损伤及超标缺陷，过火承压设备免于进行断裂和疲劳的安全评定，从而免去了常规的极其繁冗而复杂的断裂和疲劳评定过程，为其整个操作流程的快速性提供了保证。

5）、对过火承压设备进行强度校核计算时引入了由热模拟试验得到的损伤材料的屈服强度和抗拉强度，进而确定过火承压设备的允许工作条件，使评定结果更符合过火承压设备的实际条件。

附图说明

图1为本发明的操作流程图；

图2为本发明宏观检查重点项目的示意图。

具体实施方式

作为本发明的判定依据：步骤S₄中的正常值范围由已知的相应材料标准得到；步骤S₅中的宏观检查和无损检测原则根据TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》进行；步骤S₇中的强度校核原则按照TSGR7001-2013《压力容器定期检验规则》进行；步骤S₈中的断裂与疲劳评定操作按照GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》的规定进行。

以下结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明：

实施例1：

某一台材料为Q345R的立式压力容器过火后，需要对其进行火灾后的安全评估操作，以便确定它们是否适宜继续服役或降级使用。此时采用图1所示的过火承压设备安全评估方法流程图，首先对材料为Q345R过火压力容器进行硬度和金相组织现场检验和以相同材料进行热模拟试验，得到Q345R材料的硬度和金相组织的临界值后再进行与现场检验的数值比对；之后通过对过火压力容器进行宏观检查和无损检测，然后对过火压力容器安全评定进行判断和计算来获取最终结果。其具体评定步骤如下：

1）、对过火压力容器进行硬度和金相组织现场检验。使用里氏便携式硬度计对过火压力容器不同部位进行硬度测定，同时对硬度异常部位进行金相复型，在现场利用光学显微镜对复型件进行观察或将复型件带回实验室在高倍金相显微镜下检测；测得过火压力容器损伤最严重部位的硬度测量值为140HB。

2）、在实验室通过热模拟试验装置对Q345R材料进行不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速率下的热模拟试验，得到Q345R材料的硬度临界值为120HB，通过比对得知，现场硬度测定值高于其临界值，也即满足临界值要求；当现场硬度测定值高于临界值时，需要再进行金相检验确定其是否满足金相临界值要求。

通过金相检验得知，过火压力容器硬度测量值为140HB的损伤部位的金相组织检验结果为珠光体球化达到3级，未发生石墨化。根据热模拟试验并参照DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》的规定，Q345R金相组织的临界值为珠光体球化4级和石墨化2级，因此，金相组织检验结果满足临界值要求；由于现场硬度测定值和金相组织满足临界值要求，此时根据图1，进入将现场的硬度测量值与正常值范围的比较步骤。

实际操作时，现场硬度测定值应当高于或等于其临界值数值，否则会导致其材料无法继续使用；一旦现场硬度测定值低于临界值数值，则直接进入判废或维修步骤。

3）、参照NB/T47008-2010，Q345R材料的硬度正常值范围为128HB～180HB，本实施例中现场的硬度测量值140HB，位于Q345R材料的硬度正常值范围内，因此进入宏观检查和无损检测步骤。

4）、在对Q345R材料进行不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速度下的热模拟试验中。600℃下热暴露时间为2h和缓冷4h时的硬度和金相组织与过火压力容器现场的硬度和金相检验结果相符，确定压力容器的过火条件为：600℃下热暴露2h，经空冷后达到环境温度。

5）、具体实施中，过火压力容器为立式压力容器，根据TSGR7001-2013《压力容器定期检验规则》的宏观检查项目和图2的重点检查项目，重点检查过火压力容器的筒体垂直度和局部弯曲变形量，同时检查筒体是否有鼓胀、凹陷等，并对压力容器壳体进行壁厚测量以获取其壁厚测量值。经宏观检查和无损检测未发现过火压力容器有超标缺陷，进入强度校核步骤。

6）、具体实施中，根据公式获得过火承压设备的过火损伤后材料的许用应力[σ]_afd，该立式压力容器的原始设计标准为GB150，根据实测的该过火承压设备的壁厚最小值，采用GB150中相应的强度校核公式，计算得到其最大允许工作压力；然后进入下一步骤。

7）、经与其原始设计压力相比，前一步骤中所获得的最大允许工作压力满足其强度要求，符合进入确定允许工作条件步骤。

8）、具体实施中，过火压力容器的未出现材质劣化现象，经宏观检查和无损检测未发现腐蚀现象和超标缺陷，确定过火压力容器的允许工作条件为原设计工作条件，进入投入运行步骤。

9）、本实施例中，由于压力容器过火后紧固件、密封件和支撑件受到不同程度的损坏，更换紧固件和密封件，同时维修支撑件后，该过火压力容器正常投入运行。

实施例2：

某一台材料为Q245R的卧式压力容器过火后，需要对其进行火灾后的安全评估操作，以便确定它们是否适宜继续服役或判废。此时采用图1所示的过火承压设备安全评估方法流程图，首先对材料为Q245R的过火压力容器进行硬度和金相组织现场检验和以相同材料进行热模拟试验，得到Q245R材料的硬度和金相组织的临界值后再进行与现场检验的数值比对。其具体评定步骤如下：

1）、对过火压力容器进行硬度和金相组织现场检验。使用里氏便携式硬度计对过火压力容器不同部位进行硬度测定，同时对硬度异常部位进行金相复型，在现场利用光学显微镜对复型件进行观察或将复型件带回实验室在高倍金相显微镜下检测；测得过火压力容器损伤最严重部位的硬度测量值为80HB。

2）、在实验室通过热模拟试验装置对Q245R材料进行不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速率下的热模拟试验，得到Q245R材料的硬度临界值为110HB，通过比对得知，现场硬度测定值低于其临界值，即不能满足临界值要求。

3）、参照NB/T47008-2010，Q245R材料的硬度正常值范围为110HB～160HB，本实施例中现场的硬度测量值80HB，低于Q245R材料的硬度正常值范围，此时根据图1，直接进入判废或维修步骤。

实施例3：

某一台材料为Q245R的立式压力容器过火后，需要对其进行火灾后的安全评估操作，以便确定它们是否适宜继续服役或降级使用。此时采用图1所示的过火承压设备安全评估方法流程图，首先对Q245R材料进行硬度和金相组织现场检验和以相同材料进行热模拟试验，得到Q245R材料的硬度和金相组织的临界值后再进行与现场数据的数值比对；之后通过对过火压力容器进行宏观检查和无损检测，然后对过火压力容器安全评定进行判断和计算来获取最终结果。其具体评定步骤如下：

1）、对过火压力容器进行硬度和金相组织现场检验。使用里氏便携式硬度计对过火压力容器不同部位进行硬度测定，同时对硬度异常部位进行金相复型，在现场利用光学显微镜对复型件进行观察或将复型件带回实验室在高倍金相显微镜下检测；测得过火压力容器损伤最严重部位的硬度测量值为120HB。

2）、在实验室通过热模拟试验装置对Q245R材料进行不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速率下的热模拟试验，得到Q245R材料的硬度临界值为110HB，通过比对得知，现场硬度测定值高于其临界值，也即满足临界值要求；当现场硬度测定值高于临界值时，需要再进行金相检验确定其是否满足临界值要求。

通过金相检测得知，过火压力容器硬度测量值为120HB的损伤部位的金相组织检验结果为珠光体球化达到3级，未发生石墨化。根据热模拟试验并参照DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》的规定，Q245R金相组织的临界值为珠光体球化4级和石墨化2级，因此，金相组织检验结果满足临界值要求；由于现场硬度测定值和金相组织满足临界值要求，此时根据图1，进入将现场的硬度测量值与正常值范围的比较步骤。

3）、参照NB/T47008-2010，Q245R材料的硬度正常值范围为110HB～160HB，本实施例中现场的硬度测量值120HB，位于Q245R材料的硬度正常值范围内，因此进入宏观检查和无损检测步骤。

4）、在对Q245R材料进行不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速度下的热模拟试验中。650℃下热暴露时间为2h和缓冷4h时的硬度和金相组织与过火压力容器现场的硬度和金相检验结果相符，确定压力容器的过火条件为：650℃下热暴露2h，经空冷后达到环境温度。

5）、具体实施中，过火压力容器为立式压力容器，根据TSGR7001-2013《压力容器定期检验规则》的宏观检查项目和图2的重点检查项目，重点检查过火压力容器的筒体垂直度和局部弯曲变形量，同时检查筒体是否有鼓胀、凹陷等，并对压力容器壳体进行壁厚测量以获取其壁厚测量值。经宏观检查和无损检测未发现过火压力容器有超标缺陷，进入强度校核步骤。

6）、具体实施中，根据公式获得过火承压设备的过火损伤后材料的许用应力[σ]_afd，该立式压力容器的原始设计标准为GB150，根据实测的该过火承压设备的壁厚最小值，采用GB150中相应的强度校核公式，计算得到其最大允许工作压力；然后进入下一步骤。

7）、经与其原始设计压力相比，前一步骤中所获得的最大允许工作压力满足其强度要求，符合进入确定允许工作条件步骤。

8）、具体实施中，过火压力容器的未出现材质劣化现象，经宏观检查和无损检测未发现腐蚀现象和超标缺陷，确定过火压力容器的允许工作条件为原设计工作条件，进入投入运行步骤。

9）、本实施例中，由于压力容器过火后紧固件、密封件和支撑件受到不同程度的损坏，更换紧固件和密封件，同时维修支撑件后，该过火压力容器正常投入运行。

Claims (8)

1.一种承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S₁、对过火承压设备进行其硬度与金相的现场检验；

S₂、以与过火承压设备上所用的相同材料为对象，通过热模拟实验获得其硬度与金相组织临界值；

S₃、比较步骤S₁的硬度和金相组织与S₂中所获得的临界值，当硬度和金相组织满足临界值要求，进入步骤S₄；否则进入判废或维修步骤；

S₄、将步骤S₁的硬度测量值与其材料标准中的正常值范围进行比较，当硬度测量值超出正常值范围时，重新进入步骤S₂；否则直接进入步骤S₅；

S₅、对过火承压设备进行宏观检查和无损检测；

S₆、根据步骤S₅的宏观检查和无损检测结果判断其是否含超标缺陷：无超标缺陷时，进入步骤S₇；否则进入步骤S₈；

S₇、进行强度校核计算，之后进入步骤S₉；

S₈、根据步骤S₅和S₆中得到的过火承压设备的超标缺陷性质和尺寸，对过火承压设备进行断裂与疲劳评定；

S₉、确定步骤S₇的计算结果是否满足强度要求：满足强度要求，进入步骤S₁₁，否则进入判废或维修步骤；

S₁₀、当步骤S₈的评定结果可以接受时，进入步骤S₁₁，否则进入判废或维修步骤；

S₁₁、根据步骤S₇或S₈的结果和过火承压设备的实际运行环境，确定允许工作条件，之后进入步骤S₁₂；

S₁₂、重新投入运行。

2.根据权利要求1所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₁步骤中，对过火承压设备进行其硬度与金相的现场检验时，需要对其过火承压设备的损伤部位和未损伤部位一并进行。

3.根据权利要求1所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₂步骤中，采用热模拟试验装置对与过火承压设备上所用相同材料开展不同热暴露温度、热暴露时间和冷却速度下的热模拟试验，获得其硬度和金相组织的临界值。

4.根据权利要求1所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₂步骤中，采用热模拟试验装置对与过火承压设备上所用相同材料开展不同暴露温度、热暴露时间和冷却速度下的热模拟试验，对试验结束后的试样进行硬度测定、金相组织检验、力学性能、断裂韧性及抗腐蚀性能测试，根据获得的与过火承压设备上相同损伤的试样的热暴露温度、热暴露时间和冷却速度，确定过火承压设备的过火条件。

5.根据权利要求1或3或4所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₂步骤中，热模拟试验在25℃～1100℃的热暴露温度、0h～100h的热暴露时间和0～1400℃/h的升降温速率条件下进行。

6.根据权利要求1所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₇步骤中，当步骤S₅的结果表明无超标缺陷时，根据步骤S₅得到的过火承压设备的壁厚测量值，以承压设备设计标准内的强度校核公式进行强度校核计算。

7.根据权利要求1或6所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₇步骤中，由下式确定强度校核时受火损伤材料的许用应力：

${\left[\mathrm{\σ}\right]}_{\mathrm{afd}}=\min [\frac{R_m}{n_b}\·\frac{{\left[\mathrm{\σ}\right]}^t}{{{\left[\mathrm{\σ}\right]}_R}^t},\frac{R_{\mathrm{eL}}}{n_s}\·\frac{{\left[\mathrm{\σ}\right]}^t}{{{\left[\mathrm{\σ}\right]}_R}^t},{\left[\mathrm{\σ}\right]}^t]$

式中[σ]_afd为过火损伤后材料的许用应力，MPa；R_m为由步骤S₄热模拟试验确定的过火后材料室温下的抗拉强度，MPa；R_eL为由步骤S₄热模拟试验确定的过火后材料室温下的屈服强度，MPa；n_b和n_s为安全系数；[σ]^t为按过火承压设备的原始设计标准在设计温度下材料的许用应力，MPa；

为力学性能测定环境温度下材料的许用应力，MPa。

8.根据权利要求1所述的承压设备火灾后的安全评估方法，其特征在于：所述S₁₂步骤中，根据过火承压设备的损伤情况，进行更换紧固件、密封件和维修支撑件操作，同时根据步骤S₁₁确定的允许工作条件，制定运行时的监控措施，之后再将该过火承压设备投入运行。

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