CN103743641A - 一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压力容器的安全评估领域，具体涉及一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法。本方法包括以下步骤：判别火灾过程中过火压力容器的冷却方式；设置多个测定点，进行其硬度现场测定；获得过火压力容器上所用材料的相同材料的温度临界值；确定火灾发生时该过火压力容器的最高受火温度；比较过火压力容器的最高受火温度与温度临界值；当最高受火温度高于温度临界值时，进入该过火压力容器的维修或判废操作，当最高受火温度低于温度临界值时，对过火压力容器进行金相检验和宏观检验及无损检测，根据结果判断其是否合格和是否免于评定。本方法操作简便而准确可对火灾后压力容器是否合于使用作出快速检测评价。
Description
技术领域
本发明属于压力容器的安全评估领域，具体涉及一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法。
背景技术
压力容器广泛应用于我国重要的国民经济支柱领域，压力容器数量逐年增长。近年来，我国石化企业发生的压力容器火灾事故数量有增长的势头。火灾若发生在装置林立、错综复杂的过程装置厂区和一些大型危化品存储设施中，如大型原油储罐、大型乙烯球罐、天然气球罐、液化气球罐等，可能会发生非常严重的罐体变形、倾斜、泄漏甚至爆炸事故，常常造成大量的人员伤亡、重大的经济损失或严重的环境污染，其后果将严重影响社会安定。
火灾事故发生后，除需对事故原因进行分析外，亟需解决的关键问题是如何有效地对过火后的压力容器进行快速检测评价，以便确定过火压力容器是否适宜继续服役或降级使用甚至报废，这对于减少企业财产损失、及时恢复生产、确保过火后压力容器的安全稳定运行具有重要意义，由此带来的经济和社会效益非常显著。
火灾发生后，压力容器的温度经过冷却后下降到环境温度，火灾过程中压力容器金属的温度不能重现，因此难以对受火后压力容器的安全性能进行评价。我国尚未建立火灾后压力容器合于使用评价方法和标准规范，国内外目前对于火灾后压力容器的合于使用评价，也基本完全参照美国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标准程序评价在实际操作过程中，为了获得过火压力容器材料的力学性能，要求对过火压力容器进行破坏性的现场取样，然后使用该样品在实验室对试样进行试验，其不但操作极为繁琐，同时也对压力容器产生了破坏。如何研发出一种基于损伤热模拟的基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，以达到火灾后压力容器是否合于使用的快速检测评价目的，从而降低实际操作成本和提高其操作效率，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，提供一种操作简便而准确的压力容器火灾后的安全评价方法，可对火灾后压力容器是否合于使用作出快速检测评价。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，包括以下步骤：
S1、判别火灾过程中过火压力容器的冷却方式；
S2、至少在过火压力容器的受火损伤部位设置多个测定点，对其各测定点进行其硬度现场测定；
S3、以过火压力容器上所用材料的相同材料为对象，通过热模拟实验获得其硬度随温度的变化规律，取该种材料的硬度产生拐点变化时所在温度为其温度临界值；
S4、比较步骤S2所测定的受火压力容器不同测定点的硬度分布与步骤S3中所获得的硬度随温度的变化规律，确定火灾发生时该过火压力容器的最高受火温度；
S5、对步骤S4过火压力容器的最高受火温度与温度临界值进行比较，当最高受火温度高于温度临界值时，进入步骤S6；否则直接进入步骤S7和S8；
S6、当最高受火温度高于温度临界值时，进入该过火压力容器的维修或判废操作；
S7、对过火压力容器进行金相检验；
S8、对过火压力容器进行宏观检验和无损检测；
S9、根据步骤S7的金相检验和/或步骤S8的宏观检验及无损检测结果判断其是否合格：合格时，进入步骤S10；否则进入步骤S11；
S10、受火压力容器免于评定，可继续投入使用；
S11、进入该受火压力容器的常规断裂与疲劳安全评定操作。
所述S1步骤中，根据火灾发生时的消防措施，确定火灾过程中该过火压力容器的冷却方式是空冷还是水冷。
所述S1步骤中，对于空冷，温度临界值可看作是材料的硬度随温度的变化规律中，材料的硬度刚产生逐渐由高到低变化时其拐点对应所处温度；而对于水冷，温度临界值就是实验材料的硬度刚产生由低到高变化时其拐点对应所处温度。
所述S2步骤中，对过火压力容器进行其硬度现场测定时，需要对受火压力容器金属表面进行网格划分，测定点的设置覆盖受火损伤部位和未受火损伤部位。
所述S3步骤中，采用热模拟试验装置对与过火压力容器上所用相同材料开展不同热暴露温度和冷却速度下的热模拟试验，热模拟试验时将相同材料升温到预定温度，然后根据所获得的过火压力容器的冷却方式，将其空冷或水冷到环境温度，实现对相同材料火灾过程的模拟，获得其硬度和金相组织随温度的变化规律。
在步骤S3中获得的硬度随温度的变化规律后，作出其变化规律图，将步骤S2所测定的受火压力容器不同测定点的硬度值分布代入，以确定火灾发生时该过火压力容器的最高受火温度。
所述S7步骤中的金相检验是在测定点部位进行，当步骤S5的最高受火温度低于温度临界值时，只需对最高受火温度所处测定点部位周围进行金相检验抽查，以验证最高受火温度。
本发明的主要优点在于:
1）、本发明通过对过火压力容器进行现场硬度测定和金相组织检验，同时采用热模拟试验，确定该过火压力容器所用材料的硬度随温度变化规律，以其相应实验材料的硬度拐点变化时所处温度为其温度临界值，然后将现场测定的硬度分布结果代入其变化规律并得到相应的最高受火温度，在两者对比后，从而实现对过火压力容器的损伤严重程度的快速筛查目的，进而根据宏观检验和无损检测结果，来实现过火压力容器的安全评定；其评定效率高，可快速而有效的对过火压力容器是否合于使用作出评价。
本发明通过利用硬度和强度的相关性，根据硬度的测定值就可以判断压力容器金属的强度，而传统的过火压力容器金属强度的测试需要对压力容器进行破坏性取样进行拉伸试验才能获得；本发明比较现场测定得到的硬度分布和试验得到的硬度随温度的变化规律，即可确定压力容器的温度分布及最高受火温度，而硬度可以在压力容器表面直接测定，根据硬度测定值可对压力容器的强度性能进行判断，具有快速和操作简便的特点。
此处需要说明的是，在实际操作时，其对比对象是温度参数间的对比而不应当是以硬度值（如过火压力容器所用材料的最高硬度值和其硬度产生拐点变化时的硬度临界值）进行互为对比。这是因为不同的钢材，即使同一个牌号，但由于当时制造工艺的不同，其硬度值具有相当大的差异性，更别论不同生产厂家自身的独特配方或者客户所需特定的工艺限制了。对于压力容器，其使用年限常常数以十年计，而现今企业信息和生产工艺的变化日新月异，往往压力容器出现故障时，厂家却已经倒闭，或者厂家十年后仍在但是已经更换相应的更先进生产工艺了，这在现实应用中是非常常见的。不同的材料，其硬度产生骤然降低或升高的硬度临界值的数值变化范围相当大，这给最终的数据对比的精确性产生了极大的负面影响；然而，根据申请人的大量实验数据和对比发现，其材料的硬度值随温度变化后，硬度临界值的波动性固然极大，但是，其温度临界值的变化，也即材料硬度产生由高到低或由低到高的拐点变化时，其温度所处范围是始终不变的；换句话说，同一种钢材，即使生产工艺和厂家不同而影响了其硬度临界值的选取（也即其钢材间的硬度变化拐点值有所差异），但是其硬度随温度变化的总体规律仍然相同，也即其规律图的变化曲线是稳定的，硬度发生急剧拐点变化对应的温度相同，因此根据温度临界值来对受火损伤进行判断可以极大的提高其获取数据的准确性，最终为本发明的快速可靠的火灾后压力容器检测评价提供有力保证。
2）、对受火压力容器金属表面进行网格划分，从而使其测定点的设置覆盖受火损伤部位和未受火损伤部位，以保证对于整个过火压力容器的表面损伤结果的全面检测目的。由于过火压力容器的受火部位界限本身较为模糊，大范围多目标的测定点采用，能够为其最终获得数据的准确性提供理论依据，也更能保证所获取的过火压力容器的最高受火温度的精确性。
3）、本发明具有免于评定的准则：当压力容器的最高受火温度低于温度临界值，且金相组织检验结果合格和宏观检验及无损检测没有发现超标缺陷，过火压力容器则免于评定，从而免去了虽是常规但极其繁冗而复杂的断裂和疲劳安全评定过程，为实现火灾后压力容器的快速检测评价提供了保证。
附图说明
图1为本发明的操作流程图；
图2为本发明硬度现场测定点的网格分布示意图；
图3为本发明最高受火温度低于临界值时硬度分布图；
图4为本发明空冷时材料硬度随温度变化图；
图5为本发明空冷时最高受火温度高于临界值时硬度分布图；
图6为本发明水冷时最高受火温度高于临界值时硬度分布图；
图7为本发明水冷时材料硬度随温度变化图。
具体实施方式
作为本发明的判定依据：步骤S2中根据GB/T1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》将里氏硬度值转换为维氏硬度或布氏硬度；步骤S8中的宏观检验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S11中的断裂与疲劳安全评定按照GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》的规定进行。
“拐点”的定义，此处以其在进行实验时，其实验材料在温度不断升高时，其自身硬度在正常受热升高时刚产生逐渐由高到低变化或在正常受热降低时突然产生由低到高变化，换句话说，也即其自身的硬度随温度变化规律曲线出现转折变化时所处点。这样，其温度临界值可以相应的视为：在材料进行实验时，其实验材料在温度不断升高时，其自身硬度在产生上述变化时相应所处温度值。
如果要确凿的归类于实际操作时，对于空冷，温度临界值可看作是材料的硬度刚产生逐渐由高到低变化时对应的温度；而对于水冷，温度临界值就是实验材料的硬度刚产生由低到高变化时对应的温度，这在下述实施例和相应的图示对比中即可看出。
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07MnNiMoDR的危化品存储压力容器过火后，需要对其进行火灾后的安全评价操作，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所示的火灾后压力容器快速检测评价流程图，首先对过火压力容器进行硬度测定，得到压力容器不同部位的硬度分布；同时以相同材料进行热模拟试验，得到07MnNiMoDR材料的硬度随温度的变化曲线。其具体评价步骤如下：
1）、根据火灾发生过程中对压力容器所采取的消防措施，确定火灾过程中压力容器的冷却方式是空冷。
2）、对过火压力容器进行现场硬度测定，根据图2的网格划分，对受火部位和未受火部位同时进行硬度测定，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，并将里氏硬度值换算为维氏硬度；测得过火压力容器不同部位的硬度分布如图3所示。
3）、在实验室通过热模拟试验装置对07MnNiMoDR材料进行不同热暴露温度和空冷下的热模拟试验，得到07MnNiMoDR材料空冷下的硬度随温度的变化曲线，其结果如图4所示，图4结果表明空冷时07MnNiMoDR的硬度急剧下降时的温度为650℃，即温度临界值为650℃。
4）、比较图3的硬度分布和图4的硬度随温度的变化曲线，由于图3中硬度分布不出现急剧下降，说明其硬度分布对应于图4中低于650℃时的硬度分布，可以确定压力容器的最高受火温度低于温度临界值650℃。
5）、由于压力容器的最高受火温度低于温度临界值650℃，对该受火压力容器进行金相检验、宏观检验及无损检测。
6）、在最高受火温度部位进行金相检验，金相组织与未损伤部位的金相相比，没有发生组织变化，金相检验结果合格。
7）、具体实施中，根据TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》的宏观检验项目和无损检测项目，经宏观检验和无损检测未发现过火压力容器有超标缺陷。
8）、本实施例中，过火压力容器的最高受火温度低于温度临界值，金相检验合格，且经经宏观检验和无损检测未发现有超标缺陷，受火压力容器免于评定，继续投入使用。
实施例2：
某一台材料为07MnNiMoDR球形压力容器过火后，需要对其进行火灾后的快速检测评价操作，以便确定它们是否适宜继续服役或判废。此时采用图1所示的火灾后压力容器快速检测评价流程图，首先对过火压力容器进行硬度测定，得到不同部位的硬度分布；同时以相同材料进行热模拟试验，得到07MnNiMoDR材料的硬度随温度的变化曲线。其具体评价步骤如下：
1）、根据火灾发生时对压力容器所采取的消防措施，确定火灾过程中压力容器的冷却方式是空冷。
2）、对过火压力容器进行现场硬度测定，根据图2的网格划分，对受火部位和未受火部位同时进行硬度测定，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，并将里氏硬度值换算为维氏硬度；测得过火压力容器不同部位的硬度分布如图5所示。
3）、在实验室通过热模拟试验装置对07MnNiMoDR材料进行不同热暴露温度和空冷下的热模拟试验，得到07MnNiMoDR材料空冷下的硬度随温度的变化曲线，其结果如图4所示，图4结果表明07MnNiMoDR的硬度急剧下降时的温度为650℃，即温度临界值为650℃。
4）、比较图5的硬度分布和图4的硬度随温度的变化曲线，由于图5中第3点位置之后硬度急剧下降，表明第3点温度对应于图4中的温度临界值650℃，可以确定压力容器的最高受火温度高于温度临界值650℃。
5）、由于压力容器的最高受火温度高于温度临界值650℃，此时根据图1，直接进入维修或判废步骤。
实施例3：
某一台材料为07MnNiMoDR的危化品存储压力容器过火后，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所示的火灾后压力容器快速检测评价流程图，首先对过火压力容器进行硬度测定，得到压力容器不同部位的硬度分布；同时以相同材料进行热模拟试验，得到07MnNiMoDR材料的硬度随温度的变化曲线。其具体评价步骤如下：
1）、根据火灾发生时对压力容器所采取的消防措施，确定火灾过程中压力容器的冷却方式是水冷。
2）、对过火压力容器进行现场硬度测定，根据图2的网格划分，对受火部位和未受火部位同时进行硬度测定，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，并将里氏硬度值换算为维氏硬度；测得过火压力容器不同部位的硬度分布如图6所示。
3）、在实验室通过热模拟试验装置对07MnNiMoDR材料进行不同热暴露温度和水冷下的热模拟试验，得到07MnNiMoDR材料水冷下的硬度随温度的变化曲线，其结果如图7所示，图7结果表明07MnNiMoDR的硬度急剧下降随之又升高时的温度为750℃，即温度临界值为750℃。
4）、比较图6的硬度分布和图7的硬度随温度的变化曲线，图6中第4点位置为硬度先下降随之又升高的位置，表明第4点温度对应于图7中的温度临界值750℃，可以确定压力容器的最高受火温度高于温度临界值750℃。
5）、由于压力容器的最高受火温度高于温度临界值750℃，此时根据图1，直接进入维修或判废步骤。
Claims (7)
1.一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、判别火灾过程中过火压力容器的冷却方式；
S2、至少在过火压力容器的受火损伤部位设置多个测定点，对其各测定点进行其硬度现场测定；
S3、以过火压力容器上所用材料的相同材料为对象，通过热模拟实验获得其硬度随温度的变化规律，取该种材料的硬度产生拐点变化时所在温度为其温度临界值；
S4、比较步骤S2所测定的受火压力容器不同测定点的硬度分布与步骤S3中所获得的硬度随温度的变化规律，确定火灾发生时该过火压力容器的最高受火温度；
S5、对步骤S4过火压力容器的最高受火温度与温度临界值进行比较，当最高受火温度高于温度临界值时，进入步骤S6；否则直接进入步骤S7和S8；
S6、当最高受火温度高于温度临界值时，进入该过火压力容器的维修或判废操作；
S7、对过火压力容器进行金相检验；
S8、对过火压力容器进行宏观检验和无损检测；
S9、根据步骤S7的金相检验和/或步骤S8的宏观检验及无损检测结果判断其是否合格：合格时，进入步骤S10；否则进入步骤S11；
S10、受火压力容器免于评定，可继续投入使用；
S11、进入该受火压力容器的常规断裂与疲劳安全评定操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于：所述S1步骤中，根据火灾发生时的消防措施，确定火灾过程中该过火压力容器的冷却方式是空冷还是水冷。
3.根据权利要求2所述的一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于：所述S1步骤中，对于空冷，温度临界值可看作是材料的硬度随温度的变化规律中，材料的硬度刚产生逐渐由高到低变化时其拐点对应所处温度；而对于水冷，温度临界值就是实验材料的硬度刚产生由低到高变化时其拐点对应所处温度。
4.根据权利要求1所述的一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于：所述S2步骤中，对过火压力容器进行其硬度现场测定时，需要对受火压力容器金属表面进行网格划分，测定点的设置覆盖受火损伤部位和未受火损伤部位。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于：所述S3步骤中，采用热模拟试验装置对与过火压力容器上所用相同材料开展不同热暴露温度和冷却速度下的热模拟试验，热模拟试验时将相同材料升温到预定温度，然后根据所获得的过火压力容器的冷却方式，将其空冷或水冷到环境温度，实现对相同材料火灾过程的模拟，获得其硬度和金相组织随温度的变化规律。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于：在步骤S3中获得的硬度随温度的变化规律后，作出其变化规律图，将步骤S2所测定的受火压力容器不同测定点的硬度值分布代入，以确定火灾发生时该过火压力容器的最高受火温度。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于硬度和金相的火灾后压力容器快速检测评价方法，其特征在于：所述S7步骤中的金相检验是在测定点部位进行，当步骤S5的最高受火温度低于温度临界值时，只需对最高受火温度所处测定点部位周围进行金相检验抽查，以验证最高受火温度。
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