過火設備損傷評價方法及其材料力學和耐腐蝕性能損傷評價的研究現狀

王 偉，史 進，耿魯陽，唐建群，鞏建鳴

(1.南京工業大學機械與動力工程學院，極端承壓裝備設計與制造重點實驗室, 南京 211816；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

石油化工行業作為我國現代工業的重要支柱，在國民經濟的發展中起著舉足輕重的作用[1]。工藝過程的高參數化和復雜化使得越來越多的化工容器和管道等設備需要在高溫、高壓和腐蝕等較苛刻條件下長期服役。在服役過程中，設備的損傷或其他因素可能會導致火災甚至是爆炸事故的發生，這不僅影響企業的正常生產，還可能導致人員傷亡、財產損失以及環境污染等問題[2-4]。

然而，受到火災侵害的容器和管道等設備(即過火設備)經受了火災發生時散發熱量的加熱以及滅火時的冷卻作用，其材料的組織和性能會發生變化[5]；并且由于加熱、保溫和冷卻作用以及設備材料的不同，設備受到的損傷程度和類型也不同。對于石化設備常用的碳鋼和低合金鋼，過火時會發生組織的球化、晶粒長大、蠕變[6]、變形等。在火災過程中，材料顯微組織的轉變，往往會造成其性能也隨之發生變化，例如當受到火災侵害后，奧氏體不銹鋼的強度、塑性、韌性等力學性能會發生變化，且火災現場較高的溫度以及較復雜的溫度場易使其經歷敏化溫度區，導致材料發生敏化，增加晶間腐蝕(IGC)的敏感性[7-8]。通過對過火設備的損傷程度進行定級以及對損傷原因進行分析，可以確定過火設備是能夠繼續安全服役還是應降級使用或者維修更換，這可避免盲目更換或廢棄設備，對于最大程度地減少火災損失具有十分重要的工程意義[9]。為了給過火設備及其材料的評價提供參考，作者對石化行業中常用碳鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼過火設備的損傷評價方法及其材料的力學與耐腐蝕性能的國內外研究現狀進行了綜述。

1 過火設備的損傷評價方法

在火災發生時，不同區域的溫度、火災持續時間以及滅火方式不同，導致設備損傷的程度和類型不同。因此，確定火災致損傷的程度和類型是評估過火設備是否滿足安全可靠使用的關鍵所在。

目前，過火設備的損傷評價可參考API 579-1/ASME FFS-1中的評價方法，分為1級評價、2級評價和3級評價。過火損傷評價的首要步驟是基于火災過程記錄及設備材料信息，劃分火災損傷區域特征溫度。菊池務等[10]基于規范并按照在火災期間的遠場區域和近場區域設備受到的最大暴露特征溫度區間，將過火設備的熱損傷區域劃分為無熱、煙霧、輕度、中度、重度及極度損傷6個區域，分別對應于API 579-1中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級損傷。對石化行業火災損傷區域進行溫度劃分時，應用最為廣泛的是ISO-834和 ASTM-E119標準升溫曲線，而我國現行標準采用的是ISO-834標準火災升溫曲線。

根據不同區域的損傷級別，按照三級評價程序對過火設備進行進一步評價。1級評價目的是獲取并整理火災現場的結果以及設備數據記錄的信息，如過火設備所承受的最高溫度、起火源位置、火災時間以及設備不同區域的受火特征等，綜合考慮各類因素，劃定火災熱損傷區域及特征溫度區間。大部分碳鋼、低合金鋼和不銹鋼型設備的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級損傷區域可滿足并遵循1級評價[11]，可以免受評價，適合繼續安全服役；1級評價屬于篩選準則，相對較為保守。而對于Ⅴ、Ⅵ級損傷區域，需要繼續進行2級或3級評價，以確定其是否需要維修、更換或是否廢棄使用。2級評價從過火設備材料的顯微組織、硬度、壁厚、缺陷、變形等方面來評價過火設備的結構完整性，這些評價程序通常應用于目視檢測時有尺寸變化或遭受Ⅴ級以上的損傷區域。當利用2級評價判定過火設備材料的強度降至不可接受時，就必須采用3級評價準則。3級評價主要對材料進行顯微組織分析和力學性能測試。顯微組織分析是過火損傷設備材料劣化檢驗的重要指標，需要對損傷部位與未損傷部位設備材料或者相同材料不同損傷區域之間的顯微組織進行對比。

押韻修辭格包括元韻(Assonance)和頭韻（alliteration）等。元韻“是指連續幾個詞重復同一個或近似的元音，求取悅耳效果的辭格”，而頭韻讀來則很有節奏感。（范純海，2010）頭韻是法學論文常用的一種修辭。例如：

盡管國內外學者已經對各類設備材料過火后的力學性能進行了一定的探索，但對其相關的理論力學模型鮮有研究。MARAVEAS等[25]從不同過火設備上收集大量試樣進行力學性能測試，基于實驗室測試數據，提出了用于估算過火設備材料力學性能的簡化公式。WANG等[26]在實驗室條件下對不同溫度保溫不同時間并冷卻至室溫的304奧氏體不銹鋼進行力學性能測試，結合測試結果提出了奧氏體不銹鋼過火后的簡化應力-應變模型。TAO等[27]對奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼進行不同溫度(20～1 200 ℃)的過火試驗，通過拉伸試驗分析了溫度對彈性模量、屈服強度、抗拉強度、應變極限等的影響；基于回歸分析，對已有奧氏體不銹鋼應力-應變模型進行了適當的修正，修正后的模型可用于評估這3種不銹鋼的過火行為。但是，這些過火損傷理論力學模型的研究尚未成熟，需要進行進一步完善，使其能夠綜合表征過火設備材料的顯微組織和力學性能演變規律。

基于全面提升防滲層質量的目的，采用了兩種施工工藝，即C20變態混凝土和C20碾壓混凝土，以粗骨料粒徑為基準，兩類材料達到二級配標準，對應齡期均為90d；前者厚度為0.5m，后者介于2.0～4.5m范圍內，以確?？節B等級達到W8水平。對于下游壩面亦采用上述兩種施工工藝，以粗骨料粒徑為基準，二者達到三級配標準，對應齡期均為90d，且厚度均為0.5m，最終確?？節B等級達到W6水平。大壩基礎部分則采用C20常態混凝土工藝，此階段達到二級配標準，對應齡期為90d，以確保其抗滲等級達到W8水平。

目前，尚未有比較成熟的過火設備損傷評價方法，發生火災后按照API 579-1/ASME FFS-1中的過火設備損傷評價程序，可在一定程度上避免盲目更換和廢棄過火設備，或是安排不必要的安全性評價，從而可在保證設備安全服役的同時，減少經濟損失[15]。但是，火災現場環境的復雜性給過火損傷評價帶來了不確定性。因此，過火設備的損傷區域識別和損傷程度評價準則尚存在一定不足之處，仍有一些問題需要進一步考慮：(1)火災發生時，可燃物的燃燒特性、類型和分布等都影響著過火設備的升溫過程；(2)難以判斷不同區域的火災暴露溫度隨時間變化規律、最大暴露溫度以及不同滅火方式的冷卻速率；(3)在實際火災中，火場溫度受煙霧、可燃物類型、數量等因素影響，溫度并不完全遵循ISO-834標準升降溫曲線過程，因此迫切需要進一步研究不同火災條件下更加接近實際火災的升降溫曲線模型。

2 過火設備材料的力學性能評價

在工業火災中，近場區域主要受燃燒時產生的高溫以及滅火時冷卻作用的影響，直接造成設備力學和耐腐蝕性能的變化；遠場區域主要受物質燃燒時產生的腐蝕性煙氣的非熱損傷作用的影響，腐蝕性煙氣會凝結在設備表面；同時煙氣所具有的擴散性和短時快速腐蝕效應以及滅火時的高濕度環境還可以進一步促進腐蝕的發生，影響設備零件的精度以及設備的可靠性，從而造成嚴重的設備腐蝕損傷[34]。研究表明，與煙氣腐蝕有關的損傷比因高溫和滅火冷卻造成的損傷要更為嚴重[35]，短時間暴露就可能導致較大程度的腐蝕損傷[36]。PATTON等[37]研究發現，304不銹鋼、碳鋼以及銅鎳合金在聚氯乙烯燃燒產生的煙氣中均具有高度的腐蝕敏感性。劉絮霏[38]利用聚氯乙烯燃燒產生的煙氣模擬火災現場煙霧，發現：隨著時間的延長，304不銹鋼在聚氯乙烯煙氣中的點蝕特征愈發明顯，并產生少量的凹坑和銹蝕凸起物；根據304不銹鋼表面出現不同形貌和腐蝕產物時對應的質量損失閾值，提出了腐蝕程度評估模型，并分析驗證了該模型的可靠性，為工業火災后煙氣損失判定和及時施救提供了依據。

石油化工行業中常用的碳鋼和低合金鋼設備所服役環境的腐蝕性一般不太強，過火后主要考慮的是設備材料可能的組織轉變對其力學性能的影響，而對耐腐蝕性能變化的研究相對較少。但是，石油化工行業中廣泛使用的在較強腐蝕性環境下服役的奧氏體不銹鋼設備經歷火災后，其耐腐蝕性能可能有較大幅度的降低，這與經歷高溫火災后在晶界處析出的碳化物，即過火敏化密切相關。在火災發生過程中，奧氏體不銹鋼中Cr23C6型富鉻碳化物優先在奧氏體晶界析出而造成晶界附近貧鉻；當其繼續在腐蝕性環境中服役時，晶間貧鉻區將形成“小陽極-大陰極”的微電池，加速晶界貧鉻區的腐蝕，進而發生嚴重的晶間腐蝕[28]。當服役環境中存在較大拉應力時，還可能進一步誘發晶間型應力腐蝕開裂(IGSCC)[29]。

過火溫度的高低是造成各種設備材料力學性能變化的原因之一。周楊飛等[18]研究發現，隨著加熱溫度的升高，過火SPV490Q鋼焊接接頭的沖擊韌性明顯下降，但保溫時間對沖擊韌性的影響不大。楊景標等[19]通過不同溫度、保溫時間和冷卻速率的熱處理來模擬材料的過火過程，發現經空冷和水冷后，07MnNiMoDR鋼沖擊功和斷裂韌度急劇下降的臨界溫度為650 ℃。07MnNiMoDR鋼過火后拉伸性能急劇下降的臨界溫度也為650 ℃[20]。范圣剛等[21]研究發現，當加熱溫度不低于600 ℃時，溫度和冷卻方式對304奧氏體不銹鋼彈性模量、名義屈服強度和斷后伸長率均會產生影響，且抗拉強度隨溫度的升高而略微增大，但冷卻方式對抗拉強度幾乎沒有影響。LIU等[22]研究發現：當溫度超過600 ℃時，Q235鋼和Q345鋼的屈服強度和抗拉強度開始下降，且后者的降低幅度大于前者的；當溫度為800 ℃時，Q235鋼的屈服強度和抗拉強度分別降至常溫的87%和91%，Q345鋼的屈服強度和抗拉強度分別降至室溫下的83%和87%。AZHARI等[23]對名義屈服強度為1 200 MPa的超高強鋼進行了過火模擬試驗，發現：當過火溫度為470 ℃時，鋼的強度開始下降；當溫度達到600750 ℃時，強度降低得最為顯著；當溫度高于750 ℃后，強度降低的趨勢較平緩。GAO等[24]對304不銹鋼和316不銹鋼進行過火模擬試驗，發現：當過火溫度達到1 100 ℃時，304不銹鋼和316不銹鋼的屈服強度分別下降約30%和20%，彈性模量先增加后減??；但冷卻方式和保溫時間對過火冷卻后不銹鋼的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率等力學性能的影響較小。

目前，主要參考ASTM A262-15與BS EN ISO 12732-2018，采用晶間腐蝕測試方法對過火不銹鋼設備的腐蝕損傷進行定性分析和定量評價[30]。也有學者通過實驗室模擬煙氣腐蝕損傷來評價材料的耐蝕性能[31]。DELLA等[32]先用草酸腐蝕試驗對火災致敏奧氏體不銹鋼設備的腐蝕傾向進行初步篩選，再用硫酸-硫酸鐵溶液熱酸浸泡試驗得到腐蝕速率，并用其來量化奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度，發現：火災致敏奧氏體不銹鋼的腐蝕速率遠遠大于未暴露于火災中的；未暴露于火災中的奧氏體不銹鋼表面比較光滑，只存在輕微的腐蝕痕跡，而火災致敏奧氏體不銹鋼表面可觀察到明顯的晶間腐蝕現象，且部分區域存在晶粒脫落現象，表明其晶間腐蝕程度嚴重，且比采用加熱法來使材料敏化所遭受的晶間腐蝕程度更嚴重。DELLA等[32]還利用雙環電化學動電位再活化(DL-EPR)方法測得的敏化度來量化奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕敏感度，發現該測試方法具有不受金屬表面處理的影響以及不會破壞設備結構完整性的特性，更加適用于現場檢測，且DL-EPR測試結果與草酸腐蝕測試結果有很好的對應性。AQUINO等[33]研究發現，火災致損材料中局部腐蝕的發生率和發生程度更高，并成為斷裂的裂紋源。

BAKHTIARI等[12]和富陽等[13]基于API 579-1標準，對熱損傷區域進行劃分，并運用標準中提到的損傷評價技術，定性評估遭受火災影響的壓力容器等過火設備的性能；但在對熱損傷區域屈服強度、抗拉強度等力學性能的測試中，并沒有涉及到火災暴露條件與力學性能退化程度之間的定量關系，且力學性能測試需要從過火設備上取樣，具有一定的破壞性，對設備的完整性有一定的影響。CHEN等[14]在對API 579-1標準研究的基礎上，提出了一種在火災事故信息不明確、熱損傷區域難以區分、現場取樣受限的情況下也可進行完整性評估的方法，即基于ISO-834標準中火災發生時的溫度-時間響應曲線，在實驗室的條件下模擬火災環境溫度，在此溫度下處理與過火設備相同的材料，研究火災時的暴露溫度、火災持續時間和滅火方式對設備材料顯微組織、力學性能、耐腐蝕性能和疲勞斷裂行為的影響，得到火災評估所需的各種性能數據，實現對過火設備的安全適用性評價。

3 過火設備材料的耐腐蝕性能評價

處于火災中的奧氏體不銹鋼設備所承受的火災溫度往往已經達到甚至超過不銹鋼的臨界敏化溫度，火災持續時間的長短以及滅火方式的不同均會導致敏化程度的不同?；馂倪^火致敏比一般敏化(如熱處理、焊接不當或在敏化區間使用等)對不銹鋼設備造成的晶間腐蝕傾向更大，這是因為實際火災環境較為復雜，散發的熱量以及煙霧等導致奧氏體不銹鋼設備暴露在高溫下的時間較長，敏化程度加劇，從而極大降低了其耐晶間腐蝕性能，最終導致設備過早失效。因此，研究奧氏體不銹鋼設備過火致敏的原因及影響因素，對避免或減少晶間腐蝕破壞行為的發生有著重要的工程意義；而應用晶間腐蝕測試方法檢測其敏化程度已成為工程應用中的研究方向。評估和檢測因火災導致奧氏體不銹鋼設備耐腐蝕性能的過火受損是十分重要的。

目前，紅寺堡區每百名農村勞動力中文盲、半文盲占 30%以上，小學程度占 35% 以上，即小學文化程度以下人員占農村總人口近 70%。勞動者文化素質低，不只是表現為思想觀念落后，而且意味著科技素質偏低，缺少一技之長。加之不適應遷入地的生產生活方式，困難較多，如果遇到疾病災害等，極易返貧。

1.2 組織架構 團隊核心成員由組長和組員5名組成。組長為內科科護士長;組員分別為腫瘤科、內分泌科、骨科護士長和綜合ICU護士。其中，大專3名，本科2名;主管護師2名，護師3名;從事臨床護理工作均在5年以上，具有較強的責任心和組織溝通能力。設立團隊聯絡員為各科室的護理安全管理即時質量控制專員。

在火災發生過程中，過火設備材料除了強度、塑韌性、硬度等力學性能發生變化外，其耐腐蝕性能也會受到影響，因此耐腐蝕性能損傷程度評價也受到越來越多國內外學者的關注。

這些題目著重考查了中學學習階段的基礎知識和主干內容，這些知識是今后進入大學學習以及終身學習所必須掌握的“必備知識”，這體現了高考對進一步學習的學生需要具備適應大學學習的基礎知識、基本能力和基本素養的“基礎性”考查要求[6].

大部分金屬材料的硬度與顯微組織之間存在一定的關系，而硬度變化也會在一定程度上反映力學性能的變化規律，且硬度測試不會破壞設備的完整性。楊景標等[16]通過對比過火設備材料的硬度與顯微組織隨熱暴露溫度、時間和冷卻方式的變化規律，獲得設備過火后材料顯微組織急劇變化時的硬度變化。當過火設備材料的顯微組織變化或轉變時，不僅其硬度隨之變化，而且其沖擊吸收功、斷裂韌度等力學性能也隨之改變；過火后材料的斷裂特征會由以韌性斷裂為主轉化為以脆性斷裂為主。LI等[17]通過顯微組織觀察與拉伸試驗、沖擊試驗、扭轉試驗以及硬度測試等多種表征方法，定量研究了過火304奧氏體不銹鋼強度、塑韌性等力學性能的降低程度，發現火災持續時間越長，力學性能下降越嚴重，而這與火災暴露后顯微組織中奧氏體粗化以及Cr23C6型碳化物沿晶界析出有關。

當過火奧氏體不銹鋼設備承受的火災溫度超過臨界敏化溫度并且過火時間較長時，應考慮脫敏現象[39]；火災持續時間和滅火方式影響著敏化程度。因此，在實驗室模擬火災研究中，應綜合考慮加熱溫度、保溫時間以及冷卻方式對材料顯微組織和耐腐蝕性能的影響?；馂母g性煙氣的影響會導致過火設備的損傷更為嚴重，但是有關過火設備的煙氣腐蝕損傷機理以及其遭受侵蝕程度的定量研究較少。因此，應定量研究火災過程的溫度、時間、滅火方式和煙霧腐蝕對過火設備損傷的綜合影響。

1.1.2 排除標準 ①糖尿病類型為I型的患者；②同時存在其他類型甲狀腺疾病的患者；③臨床研究依從性較差的患者；④由于受到心理因素、病理因素影響而無法進行正常語言溝通的患者。

4 結束語

隨著石油化工行業的快速發展，過火設備的損傷評價越來越受到關注?；馂陌l生時環境的復雜性給過火設備損傷評價帶來了很多不確定性，因此需要對過火設備的損傷識別和損傷程度評價方法展開進一步研究。

(1) 在實際火災中，受煙霧、可燃物類型、數量等因素影響，火場溫度并不完全遵循ISO-834標準中的升降溫曲線。因此，需要進一步研究不同火災條件下更加接近實際火災的升降溫曲線模型。

(2) 石化設備火災現場的復雜性和多樣性導致有關過火設備損傷的研究相對較少，且沒有形成較系統的理論。雖然采用API 579-1標準能夠評估火災致損傷程度，但尚不能夠結合工程實際進一步量化其力學和耐腐蝕性能的變化。因此，需要結合實際工程進一步完善理論，進而指導工程實踐。

(3) 現有過火損傷理論力學模型的研究尚未成熟，需要進一步完善相關理論模型，使其能夠綜合表征過火設備材料的顯微組織和力學性能演變規律。同時，在對熱損傷區域的顯微組織分析和力學性能測試的損傷評價中，需要進一步定量明確不同火災熱暴露條件與過火材料力學性能退化程度之間的關系。

(4) 火災發生時的溫度、持續時間、滅火方式、煙霧顆粒以及其他可燃物的數量、大小和類型等環境因素均會影響過火設備材料的耐腐蝕性能，有關腐蝕損傷機理以及設備材料遭受侵蝕程度的定量研究較少，需要進一步定量研究這些因素對過火設備材料腐蝕損傷的綜合影響。在對過火設備進行損傷評價時應充分考慮各個因素的綜合影響，進一步探索和優化評價方法。