蒸汽鍋爐爆炸危險性分析及預防措施

摘要：本文對蒸汽鍋爐存在的爆炸危險性及預防措施進行了探討。簡要敘述了鍋爐爆炸機理，介紹了爆炸沖擊波的破壞、傷害作用及鍋爐爆炸超壓的計算方法，采用TNT當量法對動力蒸汽鍋爐爆炸事故后果進行了預測計算，分析了能夠導致鍋爐爆炸事故發生的使用管理方面的原因，并給出了應對措施。

關鍵詞：鍋爐爆炸；危險性分析；預防措施一鍋爐爆炸的機理鍋爐爆炸是鍋爐系統中儲存的大量能量意外瞬間釋放，轉化為機械能的現象。在鍋爐運行過程中，由于受壓元件的某些部位超過了材料的極限強度，薄弱處發生斷裂，或是由于爐膛燃爆導致某些鍋爐受壓部件損壞，使得儲存在鍋爐中的水及蒸氣立即從破口處沖出來，發生鍋爐爆炸。此時，由于鍋內壓力瞬間降至外界大氣壓力，鍋內的飽和水立即劇烈汽化、膨脹，蒸汽也隨之劇烈膨脹，造成壓力再次升高，破口進一步擴大。由于從破口處沖出的汽、水有很高的速度，形成強烈的沖擊波，當與空氣或地面接觸后，便會產生強大的反作用力，使鍋爐騰空而起或朝反作用力的方向運動、翻滾。鍋爐爆炸時所釋放的能量除了很少一部分消耗在撕裂鋼板、將部分碎片以及與鍋爐相連的汽水管道、閥門和本體拋離原地外，其余大部分能量將以沖擊波的形式作用于周圍環境，造成建筑物的破壞及人員傷亡。二鍋爐爆炸事故后果預測

1事故后果預測概述由前所述，鍋爐一旦發生事故，特別是破裂爆炸事故，不僅設備本身遭到破壞，而且往往會破壞其周圍的建筑物和其它設備，甚至造成人身傷亡等災難性的事故后果。事故后果預測可以初步確定事故危害范圍，對確立周圍財產的保護措施具有重要意義。由于鍋爐爆炸時所產生的沖擊波情況十分復雜，而且缺乏這方面的系統的試驗數據。目前對鍋爐破裂爆炸所產生的沖擊波超壓一般都是根據同能量的梯恩梯(TNT)爆炸的試驗數據按相似法則來確定，即TNT當量法。

2鍋爐爆炸的能量分析整個鍋爐系統中儲存的能量包括兩部分，一部分為高溫、高壓的干飽和蒸氣所具有的能量，另一部分為飽和水所具有的能量。(1)干飽和水蒸汽的爆炸能量因干飽和水蒸汽爆炸時僅在瞬間發生泄壓，未及與外界發生熱量交換，因此是一絕熱膨脹過程，其爆炸能量為理想氣體作絕熱膨脹所釋放的能量。(2)高溫飽和水的爆炸能量鍋爐破裂后，不僅氣體要泄壓膨脹，而且原來處于汽液平衡的飽和液體在壓力下降到大氣壓力時溫度超過了大氣壓力下的沸點(也稱過熱)，過熱狀態的水急劇蒸發沸騰，體積激烈膨脹而引發爆炸。因此計算高溫飽和水的爆炸能量包括了上述兩部分爆炸能量。3爆炸沖擊波及其傷害、破壞作用鍋爐爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量三種形式表現出來，后二者所消耗的能量只占總爆破能量的3％～15％，也就是說大部分能量產生了空氣沖擊波。爆炸沖擊波沖擊波是由壓縮波迭加形成的，是波陣面以突進形式在介質中傳播的壓縮波。鍋爐破裂時，其內的高壓氣體大量沖出，使周圍的空氣受到沖擊而發生擾動，空氣狀態(壓力、密度、溫度等)發生突躍變化，其傳播速度大于擾動介質的聲速，這種擾動在空氣中傳播就成為沖擊波。在離爆破中心一定距離的地方，空氣壓力會隨時間發生迅速而懸殊的變化。開始時，壓力突然升高，產生一個很大的正壓力，接著又迅速衰減，在很短時間內正壓降至負壓。如此反復循環數次，壓力漸次衰減下去。開始時產生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓△P。多數情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的。超壓△p可以達到數個甚至數十個大氣壓。只要沖擊波超壓達到一定值時，便會對目標造成一定的傷害或破壞。超壓波對人體的傷害和對建筑物的破壞作用見表1和表2。表1沖擊波超壓對人體的傷害作用超壓△P/MPa傷害作用0.02—0.03輕微傷害0.03--0.05聽覺器官或骨折0.05—0.10內臟嚴重損傷或死亡>0.10大部分人死亡表2沖擊波超壓對建筑的破壞作用超壓△P/MPa傷害作用0.005—0.006門窗玻璃部分破碎0.006—0.015受壓面的門窗玻璃大部分破碎0.015—0.02窗框損壞0.020—0.03墻裂縫0.040—0.05墻大裂縫，屋瓦掉下0.060—0.07木建筑廠房房柱折斷，房架松動0.070—0.10磚墻倒塌0.100—0.20防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌0.200—0.30大型鋼結構破壞沖擊波的超壓計算鍋爐發生爆炸時所產生的沖擊波情況相當復雜，影響因素眾多,主要與水及水蒸汽介質熱物理狀態、介質集中程度、泄漏開口尺寸狀態及變化速率(瞬間泄漏,小孔尺寸泄漏等)、汽包等水汽承壓構件材料性能及加工工藝等相關,國內孫慶軍等人進行了這方面的試驗研究[5],但還缺乏這方面的系統和全面試驗數據。因此,對鍋爐BLEVE爆炸所產生的沖擊波超壓一般都還是根據同能量梯恩梯(TNT)爆炸的試驗數據按相似法則來確定[6,7]。三鍋爐爆炸的原因分析及預防措施鍋爐爆炸按其發生原因可分為兩種類型，一是超壓爆炸，一是爐膛燃爆。1超壓爆炸，是指鍋爐受壓部件的承壓能力低于工作壓力，使得薄弱部位破裂，嚴重時引發爆炸。形成原因或是鍋爐超壓運行，或是各種原因造成的承壓能力降低。(1)鍋爐超壓運行。動力鍋爐主要為煉油裝置提供生產用蒸汽，若裝置因緊急情況而突然減少或切斷進汽，鍋爐便會出現瞬時超壓情況。為避免因超壓引起鍋爐爆炸，主要采取了以下幾點措施：①確保安全閥能準確動作。應按照國家規定定期校驗安全閥，并經常檢查安全閥狀態。②設置鍋爐對空排汽與鍋爐蒸汽壓力的聯鎖，當蒸汽壓力高于警戒值時，對空排汽自動開啟卸壓。③制定事故預案并堅持演練，提高運行員工對超壓危害的認識以及應急處理技能，盡量避免超壓發生。(2)鍋爐部件承載能力下降。由于鍋爐的運行環境比較惡劣，隨著鍋爐投產時間的延長，鍋爐部件會由于腐蝕、磨損等原因導致承壓能力下降。假如某些部位下降較多，那么即使鍋爐在額定壓力下運行也有可能發生爆炸。為避免這種爆炸可能性，主要從“知”和“防”做工作，即做到熟知鍋爐的狀況，盡力減少各種有損鍋爐承壓能力的因素。①把好鍋爐的檢驗關。鍋爐每2年由鍋爐檢驗所進行1次全面的定期檢驗，包括焊縫探傷、爐管測厚、硬度檢測、汽包及聯箱金相分析等。在檢驗中就曾發現鍋爐汽包接管與給水管的焊縫出現裂紋并及時予以消除。除此之外，車間每個月都要進行鍋爐的外部檢查，每年都要利用鍋爐間歇停工的時間，自行對鍋爐進行全面的內部檢查，并把檢查結果詳細記錄在案。②保證合格的水質。鍋爐水質不合格將導致爐管結垢，影響管壁傳熱，使局部管壁因過熱而形成鼓皰、裂紋，強度大大降低。預防措施是加強水質的監測，確保水質合格。若在運行中遇到水質較長時間不合格的情況，應在停爐后通過割管等方法測量垢的厚度，以決定是否需要進行鍋爐酸洗。因腐蝕引起的鍋爐強度降低而致鍋爐超壓爆炸。形成腐蝕的原因主要有：一是因為鍋爐在運行時，由于長期受到煙、水等介質的侵蝕，容易發生磨損；二是水質處理不合格，使鍋爐受壓元件壁厚減薄，強度降低。另外，鍋爐在停用期間，由于放置的時間過長，沒有對其進行認真的維護保養，或者維護保養方法不當，空氣中的氧和二氧化碳就會對鍋爐金屬表面進行腐蝕；鍋爐房內濕度過大，也會加劇腐蝕。腐蝕到一定程度的鍋爐即使在允許工作壓力以下運行，也會導致爆炸事故的發生。因此，應該嚴格檢測水質，確保鍋爐用水的各項指標達到要求，并加強鍋爐的停爐保養，盡量減少腐蝕的發生。在鍋爐正常運行中，超壓運行是嚴格禁止的。因此，該情況也從來沒有發生過引發鍋爐爆炸事故的原因主要有設計制造、使用管理、鍋爐檢修等幾個方面。

(1)設計制造原因設計方面的原因包括：選材不當、受熱面布置不合理、水循環設計有偏差、焊接結構設計不當、安全附件選用不當、計算或選用方法錯誤等。制造方面的原因有：材質不良、焊縫有缺陷、組裝方法不當等。設計制造方面的缺陷造成了鍋爐的先天不足，是安全運行的隱患，只能通過嚴格的檢驗來發現。對重大隱患應通過設備改造來消除，對于難以消除的一般缺陷應通過定期的檢查檢驗對其狀況進行監視，避免其進一步發展，存在嚴重隱患時應停止鍋爐的運行。(2)使用管理原因該方面的原因主要包括以下幾點。一鍋爐嚴重缺水運行或鍋爐局部水循環不暢，造成局部爐管干燒，爐管溫度過高超過屈服極限溫度而破裂爆管，或是鍋爐在嚴重缺水運行后，突然大量上水引發鍋爐壓力急劇增大，在局部瞬間超壓所致。因此，鍋爐嚴重缺水在運行中危險性極大，不僅會降低爐管的強度，減少爐管的壽命，甚至會引發爆炸，在運行中一定要盡力避免。引起缺水的原因及防范措施主要有以下幾個：①測量儀表失靈，顯示假水位，從而造成判斷和操作失誤。預防措施是定期沖洗水位計，定點將DCS上顯示水位與現場水位計進行核校。②自動水位控制失靈，靠手動控制，由于人員的失誤造成缺水。預防措施是把上水自動控制閥列為重點設備，定期檢查、檢修和保養，確保自動靈活好用；若長時間無法投用自動，應盡早停爐檢修。③加強定期排污，及時排除爐內雜物，保持各個循環回路的暢通。④加強教育培訓，提高員工對缺水危害的認識，增強工作責任心。⑤編制缺水的事故處理預案，并組織定期演練。

二鍋爐超壓(3)鍋爐檢修鍋爐檢修是鍋爐管理中的一個重要環節，該類原因包括安全附件失修、材料代用錯誤、爐管