长管拖车气瓶火烧损伤分析及安全评定

董红磊 李邦宪 张君鹏 高兆江 中国特种设备检测研究院

长管拖车气瓶火烧损伤分析及安全评定

董红磊 李邦宪 张君鹏 高兆江 中国特种设备检测研究院

结合长管拖车的结构和火灾事故特点，对瓶体常见损伤模式进行分析，并根据损伤程度的不同制定安全评定流程和相应指标。若漆层完好仅发生熏黄、熏黑，可进行正常定期检验；若漆层发生烧黑、碳化或脱落，抛丸后瓶体未发生颜色异常，则对着火部位硬度测定，合格则正常定检，不合格进行金相分析；若抛丸后瓶体颜色发生变化或微量凸起，则进行硬度测定、金相分析和水压试验；若瓶体发现明显变形，则直接判废。硬度评定合格指标为183＜HB＜269，在269＜HB＜286范围内的需结合化学成分和金相组织综合评定；金相组织以索氏体为主，不允许出现铁素体和珠光体；水压试验要求容积残余变形率小于10%。

长管拖车 火灾损伤评定 水压试验 容积残余变形率

TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》附件D对国内长管拖车定期检验，明确指出气瓶遭受火焰损伤应对材质的损伤程度进行评价，损伤程度严重的不得继续使用。统计2010～2012年检验案例，定期检验火灾事故车8辆，因火烧硬度不合格报废钢瓶11只，金相组织不合格报废钢瓶14只，水压残余变形率不合格报废钢瓶2只，框架报废4台，后舱管路或安全附件报废3台。不论是拖车本身原因起火或者其它火灾事故波及，气瓶总会受到不同程度的损伤，继续使用会产生一定安全隐患。

1 长管拖车常见火烧损伤模式和评定

国内目前对过火压力容器的检验及安全评定主要参考API 579《合于使用》中的评价方法，整个过程包括：1）对过火压力容器划定受热带；2）制定不同受热带中压力容器的检验方案并实施检验；3）根据检验结果进行安全评价[2～3]。统计国内长管拖车着火事故，90%以上是后轮胎着火引起。后轮胎气动刹车片失效，车辆运行过程中一直处于磨损状态而引发火灾。

根据长管拖车结构和火灾事故特点，过火后通常表现为瓶体漆层烧损、材质劣化、变形和后操作舱管路、阀门、安全附件的烧坏等。漆层主要起到美观和防锈保护作用，火烧伤损由弱到强依次表现为表层熏黄熏黑、碳化和脱落，其中表层熏黄熏黑不会产生瓶体损伤，碳化或脱落可能对瓶体产生损伤需进一步进行判定；材质劣化主要表现为金属过度氧化导致壁厚损失、被重新淬火或回火导致硬度偏高、偏低或组织异常；瓶体变形主要指由于火烧引起瓶体变软和内压升高导致瓶体出现局部凸起或明显鼓包[4-5]。但瓶体是主要承压部件且价格昂贵，其损伤程度分析是安全评定的关键，也是能否正常进行定期检验的前提。根据其损伤模式，长管拖车钢瓶过火后的一般的评定流程如图1所示。

图1 火烧钢瓶的检验评定

对火烧钢瓶进行宏观检查，若表面漆层完好仅发生熏黄、熏黑现象，说明温度未超过漆层耐热温度(400℃左右)，可初步判断钢瓶不会损伤；若漆层发生烧黑、碳化或脱落，说明温度超过漆层耐热温度，钢瓶可能损伤。对存在损伤可能的钢瓶进行火烧区域标定后抛丸处理，若瓶体未发生异常，则对着火部位进行硬度测定，合格则气瓶继续使用，不合格进行金相组织分析；若抛光后瓶体颜色发生变化（如图2所示）或微量凸起，则对着火部位进行硬度测定、金相分析和水压试验，否则不允许使用；若钢瓶发现明显凸起变形，如凸起部位圆度大于该截面平均直径的2%，圆周伸长率大于1%，则钢瓶直接判废[6]。

定期检验是保障容器在使用周期内安全运行的必要手段，TSG R7001-2013附件D规定长管拖车的瓶体检验分为气瓶拆卸检验和气瓶不拆卸检验。对着火钢瓶一般应实行气瓶拆卸检验，包括宏观检验、全自动超声检测和壁厚测定、磁粉检测、渗透检测和外测法水压试验等。

图2 着火钢瓶抛丸前后瓶体颜色变化

2 钢瓶硬度和金相组织评定指标的确定

鉴于硬度测定的简便性及硬度和抗拉强度的相关性，可通过硬度测定来评估火灾后钢瓶的强度性能。文献[1]结合相关标准给定的材料抗拉强度和硬度的相关关系，通过现场数据和材料质量证明书的统计分析，得出了长管拖车钢瓶的硬度验收范围：183＜HB＜269。为了保证现场硬度测定数据的准确性，需对测量区域的进行表面打磨处理，去掉约0.5mm的氧化皮及表面渗碳层和脱碳层[7]。

长管拖车钢瓶材质一般选用4130X或30CrMo，正常轧态组织为F+P，调质组织为S。钢瓶着火后，可能被淬硬或二次回火，组织出现晶粒粗大、软化或变硬。图3是某台拖车同一只着火钢瓶不同硬度范围对应的金相组织，1#硬度最低为HB150，2#硬度偏低为HB160～170，3#硬度合格HB220～229，4#硬度偏高为HB285。金相分析由国家钢铁材料测试中心完成，试样经磨制抛光后用过饱和苦味酸腐蚀。从结果可以看出，1#和2#部位组织为F+P(铁素体＋珠光体)，1#晶粒偏大，故硬度偏低；3#和4#组织为S(索式体)，晶粒度等级分别为8.0和8.5级。4#硬度虽然超过HB269，但组织满足要求。

图3 钢瓶不同硬度金相组织

硬度上限不超过HB269是DOT-E8009基于盛装介质对钢瓶的应力腐蚀敏感性提出，认为将UTS上限控制在869MPa以内就完全可以消除硫化氢应力腐蚀的影响。但随着冶炼技术对P、S含量控制技术的提高，相关实验机构对4130X材料进行多次实验证明，即使UTS高于869MPa的材料对硫化氢应力腐蚀也不敏感。另外，欧盟标准ISO11120、11439和欧洲氢气气瓶标准TN-26-81-E已经将UTS上限控制在950MPa(相当于HB286)，经过多年运行未发生恶劣事故，显然DOT-E8009的控制相对保守。另外，DOT特许令允许14792要求遭受火焰损伤的DOT-3AAX钢瓶硬度超过30HRC（286HB）和DOT-3T钢瓶硬度超过35HRC（327HB）应当重新热处理或报废。因此，提出对于着火部位颜色未发生变化的钢瓶，若P、S含量控制在较低范围，硬度在269＜HB＜286范围内可通过金相组织进行验证。若金相合格，可以进行正常定期检验。

3 水压试验指标的确定

水压试验是确定气瓶整体性能的重要手段，通过容积残余变形率的测定可以了解气瓶的水压试验压力是否接近或超过气瓶的整体屈服应力，因此容积残余变形率成为评定气瓶耐压试验合格与否的重要指标。

目前，长管拖车钢瓶标准DOT-3AAX、DOT-3T、ISO11120和相关企业标准都规定采用外测法进行水压试验，要求永久体积膨胀量不超过试验压力下总膨胀量的10%[8]。对于壁厚均匀的钢瓶，容积残余变形率与筒体的环向残余应变存在一定对应关系。假设试验时不计两端变形约束的影响，忽略在小塑性变形的轴向残余应变，当容积残余变形率为10%时，所对应的环向残余应变约0.02%，尚属弹性变形范围内，故将10%作为水压试验合格指标[9-10]。

4 结束语

1）结合长管拖车的结构和火灾事故特点，按瓶体损伤程度划分为：表面漆层完好仅发生熏黄、熏黑；漆层发生烧黑、碳化或脱落；瓶体凸起变形三种状态。根据不同的损伤程度，提出相应的安全评定流程和指标。

2）对钢瓶宏观检查，若漆层完好仅发生熏黄、熏黑现象，可初步判断钢瓶不会损伤，进行正常定期检验；若漆层发生烧黑、碳化或脱落，则标定火烧区域后抛光处理。若抛光后瓶体未发生颜色异常情况，则对着火部位硬度测定，合格则继续使用，不合格进行金相分析；若抛光后瓶体颜色发生变化或微量凸起，则进行硬度测定、金相分析和水压试验；若钢瓶发现明显凸起变形，则钢瓶直接判废。

3）钢瓶硬度合格范围为183＜HB＜269，若P、S含量控制在较低，可对硬度在269＜HB＜286范围内通过金相组织进行验证；金相组织正常以索氏体为主，不允许出现铁素体和珠光体；水压试验的容积残余变形率小于10%。

1 董红磊,李邦宪,张君鹏,等.长管拖车钢瓶硬度控制范围和验收标准的探讨.压力容器,2012,29(10):47－50

2 王纪兵,张斌,张金伟,等.受火压力容器的检验与安全评定.石油化工设备,2009,38(2):64－70

3 API RP579-2000,Fitness for Service

4 董红磊,李邦宪,薄柯,等.关于长管拖车鼓包钢瓶评定指标的探讨.压力容器,2011,28(11):59－63

5 王宗印.浅析钢质压力容器在火灾现场中的破坏形式.消防技术与产品信息,2007,6:47－49

6 陈勇,蒋炳炎.硬度法检测飞机火烧构件的准确性分析.长沙航空职业技术学院学报,2006,6(3):28－30

7 王洪海.DOT-3AAX气瓶及其运输设备的安全设计.化工设备与管道,2000,37:10－14

8 王会赏,杜爽.大容积钢质无缝气瓶外测法水压试验数据分析.中国特种设备安全, 2007,24(1):7－9

9 王俊,姜德春.气瓶检验安全技术.大连:大连理工大学出版社,1993

10 吴粤桑.长管拖车气瓶设计制造中的几个问题.特种设备安全国际论文集, P176－183

Common damage models of cylinder were analyzed according to the structure and fre accident features. Safety assessment program and relative index were also given according to different degrees of damage. The normal periodic inspection can be conducted if paint layer of the cylinder was just smoking yellow and black. If the paint layer was blackening, charring or dropping out, shot blasting treatment should be taken. Hardness test of fre location was performed while the color of cylinder was the same before fre. The periodic inspection can be conducted if the result of hardness was qualifed, or the metallographic analysis should be given. If the color was changed or micro bulge after fre, the hardness, microstructure and hydraulic test should be performed. The cylinder should be dammed if the transformation was obvious. Hardness assessment of conformity index was 183＜HB＜269. Chemical compositions and microstructure should be given to comprehensive assessment if the hardness was 269＜HB＜286. The proper microstructure was main sorbite, while ferrite and pearlite was not allowed. The ratio of permanent volumetric expansion was less than 10% in hydraulic test.

Tube trailer Assessment on fre damage Hydraulic test Ratio of permanent volumetric expansion

2013－10－30）