鍋爐爆炸事故能量分析及事故預防措施

郭成立 桑山松 陳會麗 吳紅偉

(1.駐馬店市鍋爐壓力容器檢驗所，河南 駐馬店 463000;2，河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016)

0 引言

鍋爐爆炸事故，主要指受熱的以及不受熱的鍋殼或鍋筒的爆炸。它具有極大的摧毀力量，不僅造成鍋爐本體的嚴重損壞，而且對周圍設備、廠房也造成嚴重破壞;更嚴重的是容易造成人身傷亡事故，往往造成人民生命財產的嚴重損失和惡劣的社會影響。因此，應對其嚴加防范。

1 鍋爐爆炸的過程

鍋爐運行時，燃料在爐中燃燒，熱能通過鍋爐受熱面的傳熱被鍋爐工質(水)吸收，產生具有一定質量和數量的未飽和水(熱水鍋爐)、飽和水、飽和蒸汽或過熱蒸汽，因此在鍋爐內儲存著很大的熱能。當由于材質差、結構不合理、強度不足、制造質量差、安裝質量不合格或運行和管理不當等原因，使鍋爐受壓元件的某些部位發生破裂，其內壓力瞬間降低至外界大氣壓時，鍋爐內儲存著的巨大熱能便立刻釋放出來，這就是鍋爐爆炸時能量的來源。

可見，鍋爐爆炸不是鍋內壓力逐漸下降、體積逐漸膨脹的靜態過程(排汽、滲漏)，而是瞬間鍋內壓力突然下降，工質(水)儲存的熱能瞬間釋放出來，由于部分工質(水)的體積突然膨脹，使鍋內壓力上升的動態過程。這一過程的實質是：鍋爐受壓元件突然發生破裂時，由于瞬時內部壓力下降，使鍋內一部分高壓飽和水劇烈汽化、膨脹以及飽和汽劇烈膨脹，造成壓力再次升高，使破口進一步擴大的結果。

2 鍋爐爆炸的特征

鍋爐爆炸時，大量的汽水從破口處急速沖出，由于其具有很高的速度，當與空氣或地面接觸后，便產生巨大的反作用力而獲得動能，使鍋爐騰空而起或朝反作用力的方向運動。這與炮彈或噴氣式飛機被尾部強大氣流推動向前的道理一樣。

立式鍋爐的爆炸部位大多數是在鍋殼與爐膽下腳的連接處。這是因為下腳部位最易積水結垢被腐蝕，特別是當采用不合理的角焊連接時，由于承受彎曲應力，更容易從焊接處撕裂。如果操作不慎，造成嚴重缺水，則爆炸部位常在爐排以上的爐膽處，因此立式鍋爐爆炸時，汽水向下噴射而推動鍋爐向上騰空飛起，故立式鍋爐又稱為“炮彈鍋爐”。

臥式鍋爐當封頭(或管板)與鍋殼連接處采用不合理的角焊時，破口多數發生在焊縫處。有的臥式鍋爐爐膛火焰直接燒鍋殼，很容易使鍋殼過熱燒壞。因此臥式鍋爐爆炸時，汽水向前或向后噴射，推動鍋爐作水平運動。

鍋爐爆炸時所放出的能量，其中很小一部分消耗在撕裂鍋爐鋼板、拉斷固定鍋爐的地腳螺栓和與鍋爐連接的各種汽水管道，將鍋爐整體或碎塊拋離原地;而大部分的能量在空中產生沖擊波，破壞周圍的設備和建筑物。

鍋爐爆炸所產生的災害主要有兩方面：一是鍋筒內水和汽的膨脹所釋放的能量;二是鍋內的高壓蒸汽以及部分飽和水迅速蒸發而產生大量蒸汽向四圍擴散所引起的災害。

3 鍋爐爆炸的能量

鍋爐爆炸時，由于鍋筒突然破裂，鍋內壓力由工作壓力(爆炸前的運行壓力)迅速降至大氣壓力，蒸汽膨脹過程是在瞬時內完成的，所以可把它看作是絕熱過程。這樣蒸汽所釋放的能量就可以按絕熱膨脹功來計算，或按下列簡單公式計算：

式中：Us——飽和蒸汽的爆炸能量(J);

Vs——鍋筒內飽和蒸汽的體積;

Cs——飽和蒸汽爆炸能量系數(J/m3)

一般工業鍋爐蒸汽的能量系數Cs見表1

鍋爐內除了蒸汽外，還有大量的飽和水，其溫度為鍋爐運行壓力下的飽和水溫度，它遠高于大氣壓下水的沸點，當鍋筒破裂，鍋內壓力驟降至大氣壓力，鍋內飽和水迅即放熱，并且部分飽和水蒸發成蒸汽，繼續膨脹作功，發生所謂“水蒸汽”爆炸。飽和水所釋放的能量可以按下式計算：

式中：Uw——飽和水的爆炸能量(J);

Vw——鍋爐內飽和水的體積(m3);

Cw——飽和水爆炸能量系數(J/m3)

由飽和水的壓力而定。工業鍋爐飽和水的能量系數Cw見表1

表1 飽和蒸汽、飽和水爆炸能量系數

由表1可以看出，飽和水爆炸能量系數Cw約為飽和蒸汽能量系數Cs的10倍左右，因此，即使鍋爐的水容量與汽容量相同，爆炸時飽和水所釋的能量也要比飽和蒸汽的能量大得多，粗略計算時，后者常可以忽略不計。

鍋爐爆炸時所釋放的能量除了很小一部分消耗在把鍋爐的碎塊或整體拋離原地以外(常常是反需它爆炸能量的1/10左右即可把鍋爐拋出百余米)，其余大部分將產生沖擊波在空氣中傳播，破壞周圍的建筑物。鍋爐爆炸時，鍋筒等的撕裂也消耗一部分能量，但很小，可以忽略不計。

鍋爐爆炸能量計算：

例1：WSG2-8型鍋爐，鍋爐容量約25m3，其中鍋水容量約15m3，蒸汽容量約10m3，在壓力(表壓)0.8MPa下爆炸，試計算其爆炸能量。

Us=VsCs=10×1.7×106J Uw=VwCw=15×2.7×107J

U=Us+Us=4.22 ×108J

一公斤T·N·T炸藥的爆炸能量為4.27×106J/kg，故這鍋爐可能產生的爆炸能量的T·N·T當量為4.22×108/4.27×106=99kg

即該鍋爐爆炸相當于99kgT·N·T炸藥的能量。因而對周圍環境能產生效大的破壞力。

4 鍋爐爆炸所生成蒸汽的體積

鍋爐爆炸時，由于鍋筒內壓力下降，鍋內原有的高壓蒸汽膨脹成為一個大氣壓的蒸汽，體積迅速增大。同時，由于壓力下降，原有飽兒水溫度由運行壓力下的飽和溫度降至一個大氣壓下的飽和溫度，放出大量的熱，并把一部分飽和水蒸發成蒸汽。這樣，鍋爐爆炸時就生成大量的蒸汽，在其所籠罩的范圍內操作人員將被燙傷。

鍋筒內的高壓蒸汽膨脹后所占的空間體積可以按下式計算：

V's=VsGs

式中V's——鍋筒內蒸汽在空間膨脹的體積(m3);

Vs——鍋筒內飽和蒸汽的體積(m3);

Gs——飽和蒸汽的膨脹系數，

除了鍋爐內的蒸汽膨脹占有空間體積以外，部分鍋水也被蒸發成蒸汽，這部分蒸汽的體積按下式計算：

Vw=VwGw

式中Vw'——部分飽和水被蒸發成蒸汽的體積(m3);

Vw——鍋筒內飽和水的體積(m3);

Gw——飽和水蒸發系數，與壓力有關。

鍋爐爆炸時生成蒸汽的總體積為：

V‘B=V‘S+V＇W

即使鍋爐的水容量與汽容量相同，爆炸時由鍋水蒸發而成的蒸汽的體積要比鍋內原有蒸汽膨脹的體積大得多，粗略計算時，后者常可忽略不計

5 鍋爐爆炸的主要原因

(1)在鍋爐較長時間缺水，鋼板被灼紅、機械強度急驟降低的情況下，司爐人員違反操作規程，向爐內進水，引起爆炸;

(2)鉚接鍋爐，鍋殼或鍋筒長期漏泄，且爐水堿度較高，造成鉚縫或脹口處鋼板苛性脆化，以致造成爆炸事故;

(3)嚴重超壓造成爆炸;

(4)因安全附件失靈、結構設計不合理、材質發生衰老等原因，造成鍋爐爆炸

6 預防措施

(1)要特別注意水容量較大的鍋筒的鍋殼、封頭或管板、爐膽等主要受壓部件的材料、強度，聯接型式、焊接與冷加工組裝等在設計和制造上是否符合有關規定和標準。火管鍋爐由于鍋筒直徑較大以及鍋筒內受壓部件較多，聯接型式較復雜等情況，因此更要注意這個問題。

(2)檢驗與修理鍋爐時，對鍋筒的苛性脆化、嚴重腐蝕與變形以及起槽裂紋，要高度警惕，檢查要周到細致，修理則必須保證質量，防止因強度不足或裂紋擴展而突然撕裂。

(3)司爐人員必須切記：發生嚴重缺水事故時，一定不能再進水，以免鍋筒鋼板在過熱燒紅的情況下，遇水突然冷縮而脆裂。

(4)鍋爐的安全附件，特別是安全閥，必須經常保持靈敏、準確、可靠。多數小鍋爐爆炸事故都有一個共同的重要原因，就是沒有裝置安全閥或安全閥失靈而造成超壓。如安全閥正常，控制在較低的壓力下運行，爆炸事故是完全可以避免的。

(5)應注意易被忽視的薄弱環節。有很多爆炸事故發生在炊事、洗澡、采暖、熱飯用的鍋爐，甚至熱水鍋爐和茶水爐也多有發生。這些鍋爐體積小，壓力低，又多在生活部門，往往不被注意和重視，很易成為鍋爐安全管理的薄弱環節和漏洞，所以，應特別注意。

7 結束語

鍋爐是生產生活中廣泛使用的具有潛在爆炸危險性的特種設備，其安全問題必須予以高度重視。如何有效地防止和減少鍋爐爆炸故事的發生，是政府和社會各界關注的問題。因此，為了防止鍋爐爆炸事故的發生，必須從制度、措施上加強管理。