運用TNT當量法及事故樹法在分析鍋爐爆炸的危害

程華瑞，栗繼祖

（太原理工大學a．礦業工程學院；b．煤炭產業科學發展研究中心，太原030024）

鍋爐是提供動力和熱能的設備，它在運行時，爐中的燃料燃燒，化學能轉化為熱能，通過受熱面的傳熱，被鍋內工質（水）吸收，產生一定的飽和水、水蒸汽和高溫水。鍋爐系統運行時儲存著大量的熱能，不僅要承受高溫高壓，還要承受介質侵蝕和飛灰磨損，所以鍋爐工作環境比較惡劣［1］，是具有潛在爆炸危險的特殊設備。鍋爐系統的使用很廣，廣泛地應用于現代工業的各個部門。近年來，我國鍋爐爆炸的事故屢有發生，造成大量的財產損失以至人員傷亡，給經濟建設和社會文明帶來了巨大影響。

1 鍋爐系統爆炸分析

1．1 鍋爐爆炸機理

鍋爐爆炸屬物理性爆炸，是鍋爐系統中儲存的大量能量迅速釋放并轉化為機械能造成。爆炸形式有兩種：一種是某受壓部件（主要是汽包等）遭到嚴重損壞，鍋爐內汽水混合物以極高的速度從破裂處噴射出來，導致鍋爐爆炸；另一種是燃料在爐膛內瞬間突然爆燃，導致爐膛爆炸。

鍋爐爆炸兩個過程：第一過程是鍋爐受壓元件，主要是鍋筒的筒體或封頭等主要受壓元件的最薄弱處及焊縫等，由于鋼材質量差、結構不合理、強度不夠、安裝質量不合格、運行于管理不當等原因，在介質工作壓力下發生破裂［2］；第二過程是當鍋爐受壓元件破裂后，鍋爐內的介質，即一定壓力下的帶有能量的飽和水和飽和蒸汽從破口處急速沖出來，在一瞬間，鍋爐內的全部介質從原來的工作壓力驟降到一個絕對大氣壓，飽和水和飽和蒸汽所含的巨大熱能使水汽化，使蒸汽體積進一步膨脹，體積可以擴大上千倍，造成壓力再次升高，裂口進一步擴大。大量的熱能轉為機械能，形成具有很大破壞力的爆炸。

1．2 鍋爐系統爆炸危害

鍋爐爆炸主要指鍋爐汽包內筒體、封頭或焊縫破裂引起的爆炸，鍋爐在運行狀態下，鍋爐汽包內水汽所占容積之比一般為5∶3，即水所占容積大于汽，若鍋爐為上下二個汽包，則上汽包為汽水混合物，下汽包為飽和水。

爆炸所產生的危害主要有二方面：一是鍋爐的飽和水和飽和蒸汽膨脹放出的能量引起的危害；二是鍋爐內的熱蒸汽及部分飽和水迅速蒸發產生大量蒸汽向四周擴散引起的危害。水容量越大的鍋爐，壓力越高，造成的爆炸危害越嚴重。

1．3 鍋爐系統危險、有害因素的分析

對鍋爐系統分析之后，其主要危險、有害因素見表1所示。

2 鍋爐爆炸分析計算

2．1 鍋爐爆炸能量計算

1）鍋爐爆炸能量UB計算。

選用鍋爐型號為SHL20－25－400A型。其出蒸汽量Q＝20t／h，p＝2．45MPa，正常水容量為26 m3以上。

表1 鍋爐系統危險源及主要危險性

正常運行狀態下，鍋爐水容積：汽容積＝5∶3，則汽容積約為16m3以上。

通過查表，2．45MPa飽和蒸汽爆炸能量系數CS及飽和水爆炸能量系數CW，通過查表分別為CS＝6．24×106J／m3，CW＝9．56×107J／m3。

爆炸能量UB為飽和蒸汽釋放能量US及飽和水釋放能量UW之和。即UB＝US＋UW．

2）TNT當量的計算

將爆炸能量UB換算成TNT當量［3］。取1kg TNT炸藥爆炸能量

故鍋爐爆炸時相當573kg TNT威力。

3）其他計算［4］。

死亡半徑 R1＝13．6（QTNT／1 000）0．37＝11．07 m，重傷半徑R2，由下列方程式求解：

式中：ΔpS為引起人員重傷沖擊波峰值，取44 000 Pa；p0為環境壓力（101 300Pa）；E 為爆炸總能量，J，E＝qTNT×QTNT。

將以上數據代入方程式，解得：R2＝31．47m．

輕傷半徑R3，由下列方程式求解：

式中：Δps為引起人員輕傷沖擊波峰值，取17 000Pa。

將以上數據代入方程式，解得：

R3＝57．37m．

2．2 鍋爐爆炸時高溫高壓蒸汽占有空間VB′計算

鍋爐爆炸時，高壓蒸汽迅速膨脹，體積增大，并放出大量熱量，在其占有的空間范圍內，人員將被燙傷。鍋爐飽和蒸汽及飽和水的體積膨脹系數分別為GS和GW，其值通過查表分別為：

鍋爐爆炸燙傷范圍VB′計算：

設，蒸汽以半球形向地面擴散，則其擴散半徑RS為：

即以鍋爐為中心，直徑為31．4m，高為15．7m范圍內人員受到嚴重燙傷。

3 事故樹分析法的理論

3．1 事故樹分析的作用

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）又稱故障樹分析，是安全系統工程的重要分析方法之一，是一種表示導致災害事故（或稱為不希望事件）的各種因素之間的因果及邏輯關系圖。事故樹不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。既能分析已發生的事故，又能預測發生事故的可能性。既可定性分析，又可定量分析。

3．2 事故樹分析的程序

事故樹分析，基本上可分為三個階段，即編制事故樹、進行定性和定量分析以及制定防災對策和改善系統。其程序如圖1所示。

圖1 事故樹分析程序

4 建立鍋爐系統事故樹

引起鍋爐爆炸的原因一般分為兩種：一是超壓爆炸，二是缺水爆炸。例如2012年4月16日沈陽某車間型號為 LSG0．13－0．04－AII的汽水兩用鍋爐，由于沒有安裝水封管，在鍋爐結構較薄弱的爐門圈角焊縫處產生破口泄壓，導致超壓爆炸［5］。2011年7月6日新疆喀什市機場路1號的喀什某商貿有限公司洗衣粉廠內一臺立式鍋爐，因缺水導致鍋爐干鍋，致使鍋爐材料金屬壁溫急劇升高，強度下降，而司爐工錯誤處置加水，導致加入的水遇到高溫迅速氣化，造成缺水爆炸［6］。

4．1 鍋爐超壓事故樹分析

4．1．1 建立事故樹

通過對資料的整理與分析，以“鍋爐超壓”作為頂事件。建立如圖2所示的鍋爐超壓事故樹，圖中各符號所代表的事件如表2所示［7］。

圖2 鍋爐超壓事故樹

表2 鍋爐超壓事件類型表

4．1．2 事故樹的最小割（徑）集

根據事故樹最小割（徑）集最多個數的判別方法判斷，從最小徑集進行分析該事故樹：

結構函數

從而得到最小徑集3組，分別為：

4．1．3 結構重要度分析

事故樹的結構重要度分析，是指從事故樹結構上分析各基本事件的發生對頂上事件發生的影響程度。結構重要度分析方法有兩種，一是利用計算公式求出各基本事件的結構重要度系數；二是用最小割（徑）集近似判斷各基本事件的結構重要度系數的大小，并進行排列次序。

經判斷，其結構重要度順序為：

4．2 鍋爐缺水事故樹分析

4．2．1 建立事故樹

以“鍋爐缺水”作為頂事件。建立如圖3所示的鍋爐缺水事故樹，圖中各符號所代表的事件見表3［8］。

圖1 事故樹分析程序

表3 鍋爐缺水事件類型表

4．2．2 事故樹的最小割（徑）集

根據事故樹最小割（徑）集最多個數的判別方法判斷，從最小徑集進行分析該事故樹：

結構函數T＝X1＋X2X3X6X7X8X9X10X11＋X4X5X12X13X14X15X16X17X18；

得到最小徑集三組，分別為：

4．2．3 結構重要度分析

從3個最小徑集看出：X1是單事件的最小徑集，X2X3X6X7X8X9X10X11同時出現在1組最小徑集P2中，X4X5X12X13X14X15X16X17X18同時出現在1組最小徑集P3中，可以得到：

結構重要度順序為：

4．3 鍋爐系統事故防治策略

通過事故樹分析可知，鍋爐超壓事故最小徑集3個，防止鍋爐超壓事故的措施有3個方案。壓力上升（X5）是最主要的原因；其次是安全閥沒有定期進行試驗（X1），因而無法避免安全閥因機械原因失效；再者就是操作人員脫崗和巡查、監視不到位。鍋爐缺水事故最小徑集也是3個，水位報警器（X1）失靈是最主要原因，其次是操作人員脫崗（X4）和排污閥故障（X2）。又由于鍋爐爆炸時相當573kg TNT威力，且以鍋爐為中心，半徑為15．7m范圍內都要受到嚴重傷害。因而從以下幾方面，建立防治措施。

1）借鑒爆炸危害半徑及擴散半徑的計算，更加合理地選擇鍋爐房的位置，以避開重要的設施、設備和居民區［9］。

2）鍋爐的設計、生產和使用單位應按照《鍋爐壓力容器制造監督管理辦法》、《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》等國家法律法規執行。

3）加強對鍋爐水蒸氣壓力上升的有效監測，并做好相應的防范措施。

4）提高作業人員的基本素質和專業技能。及時組織作業人員參加崗位培訓，確保作業人員持證上崗。司爐工必須嚴格執行操作規程，定期對安全閥、排污閥等進行檢查。

5）企業應加強員工的安全教育，增強員工的安全意識，同時提高巡查和監視力度，嚴禁操作人員脫崗［10］。

5 結論

1）對鍋爐系統爆炸的機理、危害和危險有害因素進行了分析，并用TNT當量法近似計算了事故爆炸能量和危害半徑，為鍋爐爆炸的防治提供了數據支持。

2）通過事故樹分析法，編制了鍋爐超壓事故樹和鍋爐缺水事故樹，從最小割（徑）集、結構重要度等方面分析了鍋爐系統的爆炸事故。全面描述了各事件及其邏輯關系，為鍋爐系統事故的防治找到了側重點。

3）通過對理論和實際的分析，綜合的提出了鍋爐系統爆炸的防治策略，從鍋爐的位置、生產和使用，對員工的培訓，加強安全教育等方面為鍋爐系統爆炸事故的安全防治提供了切實可行的措施。

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