蒸汽鍋爐爆炸危險(xiǎn)性分析及預(yù)防措施

蒸汽鍋爐爆炸危險(xiǎn)性分析及預(yù)防措施

摘要：本文對蒸汽鍋爐存在的爆炸危險(xiǎn)性及預(yù)防措施進(jìn)行了探討。簡要敘述了鍋爐爆炸機(jī)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(jì)算方法，采用TNT當(dāng)量法對動(dòng)力蒸汽鍋爐爆炸事故后果進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算，分析了能夠?qū)е洛仩t爆炸事故發(fā)生的使用管理方面的原因，并給出了應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：鍋爐爆炸；危險(xiǎn)性分析；預(yù)防措施一鍋爐爆炸的機(jī)理鍋爐爆炸是鍋爐系統(tǒng)中儲(chǔ)存的大量能量意外瞬間釋放，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象。在鍋爐運(yùn)行過程中，由于受壓元件的某些部位超過了材料的極限強(qiáng)度，薄弱處發(fā)生斷裂，或是由于爐膛燃爆導(dǎo)致某些鍋爐受壓部件損壞，使得儲(chǔ)存在鍋爐中的水及蒸氣立即從破口處沖出來，發(fā)生鍋爐爆炸。此時(shí)，由于鍋內(nèi)壓力瞬間降至外界大氣壓力，鍋內(nèi)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(jìn)一步擴(kuò)大。由于從破口處沖出的汽、水有很高的速度，形成強(qiáng)烈的沖擊波，當(dāng)與空氣或地面接觸后，便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的反作用力，使鍋爐騰空而起或朝反作用力的方向運(yùn)動(dòng)、翻滾。鍋爐爆炸時(shí)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(huán)境，造成建筑物的破壞及人員傷亡。二鍋爐爆炸事故后果預(yù)測

1事故后果預(yù)測概述由前所述，鍋爐一旦發(fā)生事故，特別是破裂爆炸事故，不僅設(shè)備本身遭到破壞，而且往往會(huì)破壞其周圍的建筑物和其它設(shè)備，甚至造成人身傷亡等災(zāi)難性的事故后果。事故后果預(yù)測可以初步確定事故危害范圍，對確立周圍財(cái)產(chǎn)的保護(hù)措施具有重要意義。由于鍋爐爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波情況十分復(fù)雜，而且缺乏這方面的系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前對鍋爐破裂爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓一般都是根據(jù)同能量的梯恩梯(TNT)爆炸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按相似法則來確定，即TNT當(dāng)量法。

2鍋爐爆炸的能量分析整個(gè)鍋爐系統(tǒng)中儲(chǔ)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(shí)僅在瞬間發(fā)生泄壓，未及與外界發(fā)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(shí)溫度超過了大氣壓力下的沸點(diǎn)(也稱過熱)，過熱狀態(tài)的水急劇蒸發(fā)沸騰，體積激烈膨脹而引發(fā)爆炸。因此計(jì)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(shí)，爆破能量在向外釋放時(shí)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(xiàn)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(chǎn)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(jìn)形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。鍋爐破裂時(shí)，其內(nèi)的高壓氣體大量沖出，使周圍的空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動(dòng)，空氣狀態(tài)(壓力、密度、溫度等)發(fā)生突躍變化，其傳播速度大于擾動(dòng)介質(zhì)的聲速，這種擾動(dòng)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(huì)隨時(shí)間發(fā)生迅速而懸殊的變化。開始時(shí)，壓力突然升高，產(chǎn)生一個(gè)很大的正壓力，接著又迅速衰減，在很短時(shí)間內(nèi)正壓降至負(fù)壓。如此反復(fù)循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去。開始時(shí)產(chǎn)生的最大正壓力即是沖擊波波陣面上的超壓△P。多數(shù)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(dá)到數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)大氣壓。只要沖擊波超壓達(dá)到一定值時(shí)，便會(huì)對目標(biāo)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(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p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(dòng)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(jié)構(gòu)破壞沖擊波的超壓計(jì)算鍋爐發(fā)生爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波情況相當(dāng)復(fù)雜，影響因素眾多,主要與水及水蒸汽介質(zhì)熱物理狀態(tài)、介質(zhì)集中程度、泄漏開口尺寸狀態(tài)及變化速率(瞬間泄漏,小孔尺寸泄漏等)、汽包等水汽承壓構(gòu)件材料性能及加工工藝等相關(guān),國內(nèi)孫慶軍等人進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)研究[5],但還缺乏這方面的系統(tǒng)和全面試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此,對鍋爐BLEVE爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓一般都還是根據(jù)同能量梯恩梯(TNT)爆炸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按相似法則來確定[6,7]。三鍋爐爆炸的原因分析及預(yù)防措施鍋爐爆炸按其發(fā)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(yán)重時(shí)引發(fā)爆炸。形成原因或是鍋爐超壓運(yùn)行，或是各種原因造成的承壓能力降低。(1)鍋爐超壓運(yùn)行。動(dòng)力鍋爐主要為煉油裝置提供生產(chǎn)用蒸汽，若裝置因緊急情況而突然減少或切斷進(jìn)汽，鍋爐便會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)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(diǎn)措施：①確保安全閥能準(zhǔn)確動(dòng)作。應(yīng)按照國家規(guī)定定期校驗(yàn)安全閥，并經(jīng)常檢查安全閥狀態(tài)。②設(shè)置鍋爐對空排汽與鍋爐蒸汽壓力的聯(lián)鎖，當(dāng)蒸汽壓力高于警戒值時(shí)，對空排汽自動(dòng)開啟卸壓。③制定事故預(yù)案并堅(jiān)持演練，提高運(yùn)行員工對超壓危害的認(rèn)識以及應(yīng)急處理技能，盡量避免超壓發(fā)生。(2)鍋爐部件承載能力下降。由于鍋爐的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，隨著鍋爐投產(chǎn)時(shí)間的延長，鍋爐部件會(huì)由于腐蝕、磨損等原因?qū)е鲁袎耗芰ο陆?。假如某些部位下降較多，那么即使鍋爐在額定壓力下運(yùn)行也有可能發(fā)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(yàn)關(guān)。鍋爐每2年由鍋爐檢驗(yàn)所進(jìn)行1次全面的定期檢驗(yàn)，包括焊縫探傷、爐管測厚、硬度檢測、汽包及聯(lián)箱金相分析等。在檢驗(yàn)中就曾發(fā)現(xiàn)鍋爐汽包接管與給水管的焊縫出現(xiàn)裂紋并及時(shí)予以消除。除此之外，車間每個(gè)月都要進(jìn)行鍋爐的外部檢查，每年都要利用鍋爐間歇停工的時(shí)間，自行對鍋爐進(jìn)行全面的內(nèi)部檢查，并把檢查結(jié)果詳細(xì)記錄在案。②保證合格的水質(zhì)。鍋爐水質(zhì)不合格將導(dǎo)致爐管結(jié)垢，影響管壁傳熱，使局部管壁因過熱而形成鼓皰、裂紋，強(qiáng)度大大降低。預(yù)防措施是加強(qiáng)水質(zhì)的監(jiān)測，確保水質(zhì)合格。若在運(yùn)行中遇到水質(zhì)較長時(shí)間不合格的情況，應(yīng)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(jìn)行鍋爐酸洗。因腐蝕引起的鍋爐強(qiáng)度降低而致鍋爐超壓爆炸。形成腐蝕的原因主要有：一是因?yàn)殄仩t在運(yùn)行時(shí)，由于長期受到煙、水等介質(zhì)的侵蝕，容易發(fā)生磨損；二是水質(zhì)處理不合格，使鍋爐受壓元件壁厚減薄，強(qiáng)度降低。另外，鍋爐在停用期間，由于放置的時(shí)間過長，沒有對其進(jìn)行認(rèn)真的維護(hù)保養(yǎng)，或者維護(hù)保養(yǎng)方法不當(dāng)，空氣中的氧和二氧化碳就會(huì)對鍋爐金屬表面進(jìn)行腐蝕；鍋爐房內(nèi)濕度過大，也會(huì)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(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。因此，應(yīng)該嚴(yán)格檢測水質(zhì)，確保鍋爐用水的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求，并加強(qiáng)鍋爐的停爐保養(yǎng)，盡量減少腐蝕的發(fā)生。在鍋爐正常運(yùn)行中，超壓運(yùn)行是嚴(yán)格禁止的。因此，該情況也從來沒有發(fā)生過引發(fā)鍋爐爆炸事故的原因主要有設(shè)計(jì)制造、使用管理、鍋爐檢修等幾個(gè)方面。

(1)設(shè)計(jì)制造原因設(shè)計(jì)方面的原因包括：選材不當(dāng)、受熱面布置不合理、水循環(huán)設(shè)計(jì)有偏差、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、安全附件選用不當(dāng)、計(jì)算或選用方法錯(cuò)誤等。制造方面的原因有：材質(zhì)不良、焊縫有缺陷、組裝方法不當(dāng)?shù)取ＴO(shè)計(jì)制造方面的缺陷造成了鍋爐的先天不足，是安全運(yùn)行的隱患，只能通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)。對重大隱患應(yīng)通過設(shè)備改造來消除，對于難以消除的一般缺陷應(yīng)通過定期的檢查檢驗(yàn)對其狀況進(jìn)行監(jiān)視，避免其進(jìn)一步發(fā)展，存在嚴(yán)重隱患時(shí)應(yīng)停止鍋爐的運(yùn)行。(2)使用管理原因該方面的原因主要包括以下幾點(diǎn)。一鍋爐嚴(yán)重缺水運(yùn)行或鍋爐局部水循環(huán)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(yán)重缺水運(yùn)行后，突然大量上水引發(fā)鍋爐壓力急劇增大，在局部瞬間超壓所致。因此，鍋爐嚴(yán)重缺水在運(yùn)行中危險(xiǎn)性極大，不僅會(huì)降低爐管的強(qiáng)度，減少爐管的壽命，甚至?xí)l(fā)爆炸，在運(yùn)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(gè)：①測量儀表失靈，顯示假水位，從而造成判斷和操作失誤。預(yù)防措施是定期沖洗水位計(jì)，定點(diǎn)將DCS上顯示水位與現(xiàn)場水位計(jì)進(jìn)行核校。②自動(dòng)水位控制失靈，靠手動(dòng)控制，由于人員的失誤造成缺水。預(yù)防措施是把上水自動(dòng)控制閥列為重點(diǎn)設(shè)備，定期檢查、檢修和保養(yǎng)，確保自動(dòng)靈活好用；若長時(shí)間無法投用自動(dòng)，應(yīng)盡早停爐檢修。③加強(qiáng)定期排污，及時(shí)排除爐內(nèi)雜物，保持各個(gè)循環(huán)回路的暢通。④加強(qiáng)教育培訓(xùn)，提高員工對缺水危害的認(rèn)識，增強(qiáng)工作責(zé)任心。⑤編制缺水的事故處理預(yù)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(gè)重要環(huán)節(jié)，該類原因包括安全附件失修、材料代用錯(cuò)誤、爐管