鍋爐汽水爆炸特點與始裂壓力估算方法

梁耀東 李之光

（北京盛昌之光鍋爐研發中心 北京 102600）

鍋爐汽水爆炸特點與始裂壓力估算方法

梁耀東 李之光

（北京盛昌之光鍋爐研發中心 北京 102600）

本文根據汽水爆炸理論分析與鍋爐熱態爆炸試驗結果，對鍋爐汽水爆炸的特點、汽水爆炸能量、爆炸過程中壓力的變化及引發爆炸的必要條件、空氣沖擊波能量系數等進行全面論述，并給出始裂壓力估算方法與事故分析示例。

鍋爐 汽水爆炸 爆炸能量 始裂壓力 空氣沖擊波能量系數 估算方法 事故分析

有壓的飽和水與蒸汽可能引發爆炸是涉及鍋爐安全的首要控制事項。早期的鍋爐，汽水爆炸事故較為頻繁[1-2]；以后，隨著技術進步及管理嚴格，鍋爐爆炸事故逐漸減少，但至今仍有發生。

高壓（10MPa）以上鍋爐，國內外至今從未發生過鍋筒汽水爆炸，其主要原因在于各環節均十分審慎對待所致。

鍋爐汽水爆炸一般皆發生在低壓小容量蒸汽與有壓或常壓熱水鍋爐上，主要由于疏于管理、運行不當（補水不處理、安全附件失靈、嚴重缺水、司爐違規，等）所致[3-5]。

由于鍋爐汽水爆炸一般皆發生在低壓鍋爐上，已有的很少實驗研究也是針對低壓[6-8]，故本文論述以低壓鍋爐汽水爆炸為主。

導致汽水爆炸的始裂壓力頗重要，它涉及爆炸起因是屬于超壓爆炸（安全閥失靈等原因造成的），還是低壓爆炸（結垢過燒等原因造成的）。本文對鍋爐爆炸始裂壓力估算方法進行詳細論述。

1 鍋爐汽水爆炸特點

1.1 汽水爆炸過程

實測鍋筒模型汽水爆炸時介質壓力的變化[6-7]見圖1。鍋爐汽水爆炸介質壓力的上述變化規律見圖2。

由圖1可見：汽水爆炸過程的全部時間（圖2中的爆炸時間τb）極短——實測為幾十毫秒(ms)，即汽水爆炸的開始至結束僅在一瞬間。

由圖2可見，汽水爆炸由以下三個過程組成：

過程Ⅰ——受壓殼體最薄弱部位出現開口（圖2中a點），其附近的介質與大氣相通并降壓（圖2中a-b線）。

圖1 φ260mm鍋筒模型汽水爆炸實測介質壓力變化曲線

圖2 汽水爆炸介質壓力變化示意圖

過程Ⅱ——介質降壓使飽和溫度下降，介質處于過熱狀態，導致鍋水急劇核態沸騰，引起裂口附近壓力上升（圖2中b-c線下部）。

過程Ⅲ——壓力上升導致裂口大開，全部介質劇烈沸騰并大幅度升壓，撕裂容器，釋放出汽水全部能量，而形成鍋爐汽水爆炸（圖2中b-c線上部）。

局部開口后，只有開口周邊的強度抵擋不住升高的壓力，才可能使開口瞬時擴展（撐開），引發內部介質全部汽化而劇烈膨脹，從而形成汽水爆炸。相反，局部壓力升高時，如果開口周邊強度較大（例如無原始裂紋等缺陷），則不可能形成大裂口，也就不可能發生汽水爆炸。例如，管子拔脫，而孔邊緣強度足夠不可能裂開時，介質只能向外不斷噴出，不可能形成汽水爆炸，而屬于介質噴泄降壓。由上述分析可見：裂口瞬時大開才是引發汽水爆炸的必要條件。

以上所述屬于蒸汽鍋爐爆炸過程，熱水鍋爐爆炸、高壓蒸汽管道爆炸與此類似。

1.2 始裂壓力與爆炸壓力

促使受壓部件最薄弱部位開始破裂的壓力（圖2中psl）稱始裂壓力，而受壓部件破口大開導致內部介質劇烈膨脹，明顯升壓后的壓力最高值（圖2中pb）稱爆炸壓力。

按強度理論推算，無明顯缺陷正常運行圓筒形受壓元件的始裂壓力應為額定設計壓力的3倍以上。

2 汽水爆炸能量

由于汽水爆炸過程時間極短，介質來不及換熱，可按熱力學絕熱等熵過程計算汽水爆炸釋放出的全部能量[9-10]。

汽水爆炸過程釋放出的全部能量，按等熵過程推導，可歸納成以下簡單公式[9]：

式中：

Wo——與介質壓力、容積有關的汽水爆炸時釋放出的全部能量，kJ；

V′、V″——爆炸前容器內的水、汽容積，m3；

C′、C″——水、汽爆炸能量系數，kJ/m3，見圖3。

圖3 水、汽爆炸能量系數C′、C″

3 汽水爆炸能量的分配

汽水爆炸釋放出的全部能量Wo主要由以下三部分組成：

式中：

W1——爆炸介質壓縮空氣形成空氣沖擊波所占部分能量；

W2——爆炸使殼體、碎片飛散（拋出）所占部分能量；

W3——爆炸后傳與大氣所占部分能量（混合、摩擦、擴散、傳熱，等）。

3.1 空氣沖擊波能量（W1）

炸藥爆炸的空氣沖擊波能量關系式經試驗換算[11-14]表述為：

式中：

Δpmax——空氣沖擊波峰值超壓（見本文之4），MPa；

W1——空氣沖擊波能量，kJ；

R——距離，m。

低壓鍋爐汽水爆炸實驗[6-8]表明，上述公式也適用于汽水爆炸，因為炸藥爆炸與汽水爆炸皆壓縮周圍空氣形成空氣沖擊波，兩者性質一樣。

式(2)是依據空中爆炸，沖擊波無限傳播試驗所得。鍋爐的鍋筒（鍋殼）爆炸皆高于地面，故也近似應用此式[6-8]。顯然，露天布置鍋爐各處破壞適用此式，鍋爐房四壁的毀壞也適用；而鍋爐房以外各處的沖擊波會有所減弱；另外，靠墻壁處，應疊加反射沖擊波的能量。應用式（2）求沖擊波能量W1時，應根據爆炸現場實況考慮上述問題，參見本文之5的爆炸事故始裂壓力的估算方法與分析示例。

空氣沖擊波能量占全部汽水爆炸能量的份額η稱空氣沖擊波能量系數：

原兵器工業部第五設計院有豐富測試爆炸能量經驗。由該院協助兩次測試不同材料（碳鋼、鑄鐵、鋁）大量模擬鍋筒等元件與試驗鍋爐完成爆炸試驗工作。由測試結果[6-8]得出空氣沖擊波能量系數η見表1。

表1 低壓鍋爐爆炸空氣沖擊波能量系數η

3.2 爆炸拋出物體能量（W2）

大量資料給出，容器爆炸拋出物體的能量W2的值為總能量的15%～30%，文獻[15]給出值約為19%，即所占份額并不大。

容器爆炸拋出物體的初速度與飛行距離估算：

1）初速度。

拋出物體的初速度wo可按下式估算：

式中：

W2——爆炸拋出物體的動能，J；

wo——拋出物體的初速度，m/s。

本文5爆炸分析例2中爆炸全部能量Wo=13.3×104kJ； 爆炸拋出物體的動能W2取Wo的20%，則 W2=0.2×13.3×104kJ=2.66×104kJ；爆炸拋出物體的質量總和由式（4）得：

2）飛行距離。

不考慮空氣阻力時，按普通物理運動學，拋出距離[16]頗大：

如α=30°，飛行距離L達992m。

考慮空氣阻力時，如質量較大，由于阻力引起的減速度a并不大，則飛行距離不會明顯減小：

式中：

C——阻力系數，低于音速[17]，取0.17；

f——迎風面積（皆以最小形態飛行），

w——不同位置的飛行速度，m/s；

m——拋出破損鍋殼的質量，4770kg。

3.3 爆炸傳與大氣的能量（W3）

由以上W1與W2數據可見，對于低壓工業鍋爐，汽水爆炸總能量Wo中扣除W1與W2后，傳與大氣的能量W3占有較大部分。

4 空氣沖擊波及其破壞后果

一般用空氣沖擊波陣面上的峰值超壓大小來衡量沖擊波的破壞作用。

圖4為空氣沖擊波試驗曲線舉例。圖中Δpmax為最大壓力與大氣壓力之差值，稱峰值超壓。

圖4 距起爆中心某距離的沖擊波曲線

各有關文獻共識的峰值超壓Δpmax對建筑物的破壞程度見表2，對暴露人員的損傷程度見表3。

表2 沖擊波對建筑物的破壞程度

表3 沖擊波對暴露人員的損傷程度

5 爆炸事故始裂壓力的估算方法與分析示例

5.1 始裂壓力的估算方法

1）根據爆炸現場距爆炸中心不同距離R處，按建筑破壞或人員傷害情況確定沖擊波超壓Δpmax（見本文之4的表2與表3）。再按式（2）用Excel程序或手算試湊法求出爆炸空氣沖擊波消耗的能量W1，盡量求幾個地點的W1平均值。

2）根據鍋爐始裂處結構與材質，按本文之3中表1取空氣沖擊波能量系數η。

3）由求得的W1與η，按式（3）得爆炸全部能量Wo。

4）設一始裂壓力值，按鍋水與蒸汽的容積V′、V″，并按圖3與式（1）求得一Wo，如此Wo與3）按沖擊波能量系數計算的Wo基本一致，則所設始裂壓力值即被確定。

應指出，根據爆炸現場破壞情況確定的沖擊波超壓Δpmax，以及根據鍋爐始裂處結構與材質取的空氣沖擊波能量系數η，皆有一定的近似性。因此，應盡可能多點取值，并各取平均值來確定始裂壓力。

5.2 汽水爆炸始裂壓力估算與事故分析示例

例1：KZL2-8型（2t/h,0.8MPa表壓）鍋爐爆炸始裂壓力估算與事故原因分析[18]——含鍋爐房炸毀對沖擊波能量的吸收份額

1）情況調查。

爆炸事故死亡5人、重傷3人、輕傷2人，鍋爐房遭毀滅性破壞。

爆炸后，鍋爐本體翻轉180°，落在距鍋爐基礎5m處。

鍋爐運行僅一年，無水垢。鍋爐后管板4根短拉撐全部拉脫，沿第一排孔橋與扳邊處撕開一塊1300×560mm管板，飛出125m。

安全閥堵死失效，分汽缸主汽閥關閉。

2）金屬材料鑒定。

化學、機械、金相、硬度性能全合格；斷口分析正常。

3）始裂壓力估算。

距鍋爐5m處鋼筋混凝土結構鍋爐房嚴重坍塌，參照表2，取Δpmax≈0.3MPa。

由式（2）得爆炸中心（鍋爐處）的沖擊波能量：

由式（3）得爆炸全部能量：

爆炸前的水、汽容積V′、V″各為4.3m3；

由式（1）得：

它接近前述按沖擊波能量系數計算所得的48×104kJ，則所設始裂壓力基本正確。

始裂壓力3.3MPa已達額定設計壓力0.8MPa的4.1倍，表明破裂處的強度足夠。

4）結論。

鍋爐強度設計合理；主要是管理不善、司爐責任心不強造成的典型超壓爆炸事故。

注：距鍋爐50m處另一車間大部分玻璃破碎，參照表2，取Δpmax≈0.005MPa。

由式（2）得沖擊波能量：

鍋爐處沖擊波能量因鍋爐房破壞會被吸收一部分，則初始W1≈12×104kJ被吸收了37.5%。表明鋼筋混凝土結構鍋爐房破壞吸收了三分之一多的沖擊波能量。

例2：DZL型（4t/h，1.25MPa）鍋爐爆炸始裂壓力估算與事故分析——含墻壁反射波的增大倍數

1）情況調查。

當場3人死亡；距鍋爐5m處輕鋼結構暫設鍋爐房完全炸毀；鍋殼整體（含內部煙管及鍋內部件）飛離距鍋爐房約500m。

2）始裂壓力估算。

距鍋爐5m處輕鋼暫設結構鍋爐房完全炸毀，參照表2，取Δpmax≈0.1MPa。

由式（2）得：

按表1取沖擊波能量系數η=0.2（后管板孔排處起爆）。

則爆炸全部能量：

設始裂壓力為0.85MPa，按圖 1，

得爆炸全部能量：

與前述按沖擊波能量系數計算得到的Wo基本接近，則所設始裂壓力為0.85MPa基本正確。

始裂壓力為0.85MPa，僅為額定設計壓力1.25 MPa的0.68倍。

3）事故分析。

此例爆炸物體拋出距離達500m是可能的，計算分析見本文3.2；此外，鍋殼爆炸于后管板大開口，鍋內全部介質瞬間向后噴射，使得鍋殼受到向前飛行的強大推力，也促使鍋殼飛行較遠。

注：距鍋爐約在無損壞的墻附近工人致死，參照表3，取Δpmax≈0.08MPa。

由式（2）得：

則反射波能量約為入射波（2.65×104kJ）的1.9倍。可見，鍋爐房墻壁的反射波占有較大的能量份額[11，19]。

[1]李之光，蔣智翔.鍋爐受壓元件強度[M].北京：技術標準出版社，1980.

[2]李之光.鍋爐強度標準應用手冊（增訂版）[M].北京：中國標準出版社，2008.

[3]吳旭正.特種設備典型事故案例集（2005-2013）[M].北京：化學工業出版社，2015.

[4]國家質檢總局特種設備事故調查處理中心.特種設備典型事故案例集[M].北京：航空工業出版社，2005.

[5]林志宏，劉新宇.特種設備事故防范與案例剖析[M].北京：中國計量出版社，2008. [6]李之光，劉時風，林撫生，等.鍋爐熱態爆炸的實驗研究[J].鍋爐壓力容器安全，1989，5(02)：29-36.

[7]孫慶軍.鍋爐熱態爆炸能量的實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，1986.

[8]孫慶軍，李之光，劉曼青，等.鍋爐熱態爆炸能量的實驗研究[J].工業鍋爐，1994，(04)：14-18+22.

[9]李之光.鍋爐受壓元件強度中的若干問題.鍋爐壓力容器安全技術論文集[C].鞍山市鍋爐檢驗研究所，1981.

[10]野原石松.壓力容器[M].共立出版株式會社，1970.

[11]炸藥理論編寫組.炸藥理論[M].北京：國防工業出版社，1982.

[12]郝志堅，等.炸藥理論 [M].北京：北京理工大學工業出版社，2015.

[13]李之光.相似理論與模化（理論及實用）[M].北京：國防工業出版社，1982.

[14]隋樹元，王樹山.終點效應學[M].北京：國防工業出版社，2000.

[15]張新梅，陳國華.爆炸碎片拋射速度及飛行軌跡分析方法[J].華南理工大學學報（自然科學版），2009，37（04）：107-110.

[16]趙雪娥，孟亦飛，劉秀玉.燃燒與爆炸理論[M].北京：化學工業出版社，2016.

[17][美]唐納德·盧卡奇，[美]西德尼·雅.彈道學——槍炮彈藥的理論與設計[M].韓珺禮譯.北京：國防工業出版社，2014.

[18]何子深，孫慶軍.一起鍋爐爆炸事故原因分析[D].黑龍江勞動廳，1998.

[19]金韶華，松全才.炸藥理論[M].西安：西北工業大學等出版社，2010.

Characteristics of Boiler Steam-water Explosion and the Fracture Pressure Estimating Method

Liang Yaodong Li Zhiguang
(Beijing Shengchang Zhi-guang Boiler Research Center Beijing 102600)

Based on the theory analysis of explosion and test result of boiler real explosion, the steam-water explosion energy and instantaneous power, pressure change process of explosion, the necessary condition to cause explosion, air shock wave energy coef fi cient and so on have carried on the comprehensive discussion, and the fracture pressure estimation method is given.

Boiler Steam-water explosion Explosion energy Fracture pressure Air shock wave energy coef fi cient Estimation method Accident analysis

X933.2

B

1673-257X(2017)09-0034-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.007

梁耀東（1960～)，男，本科，總工程師，高級工程師，從事鍋爐及熱能設備的設計與研發工作。

梁耀東，E-mail： 13901211869@163.com。

2016-12-06）