一起蒸汽發生器運行事故技術分析

陳新，袁永正，顧賢

（1.南通萬達鍋爐有限公司，江蘇 南通 226001；2.南通中集罐式儲運設備制造有限公司，江蘇 南通 226006；3.江蘇首城工程設計有限公司，江蘇 南通 226006）

2015年3月10日下午1時15分鐘左右,某公司A廠區鍋爐房內一臺蒸汽發生器發生了爆炸，爆炸產生的巨大氣浪將鍋爐房及有機熱載體鍋爐掀翻，導致有機熱載體爐內的油管破裂，引發大火。同時，巨大氣浪將工廠內及周邊多處汽車和建筑物窗戶的玻璃震碎，并造成數人輕微受傷。該蒸汽發生器系江南某容器廠生產，2009年5月出廠。事故調查技術組于3月16日下午進入現場進行勘查。

1 事故概況

A廠區布置圖如圖1所示，鍋爐房長約40m、寬約20m，位于整個廠區中間位置，鍋爐房東側和南側都是生產車間，西側為一條4m寬的南北方向廠區道路，北側為3座酸化塔。鍋爐房內東西兩側南北方向平行排列著2臺鍋爐，東側為蒸汽鍋爐、西側為有機熱載體鍋爐，其中西側有機熱載體鍋爐的北端設有蒸汽發生器。

圖1 廠區平面圖

爆炸后，鍋爐房全部被掀翻，其中西側的有機熱載體鍋爐向南整體倒塌，爐體整體向南移位了0.5m；東側的蒸汽鍋爐一側面爐墻被炸毀，爐體骨架基本保持完整；位于有機熱載體鍋爐北部的蒸汽發生器已全不見蹤影，各個部件散落在廠區各個方向，鍋爐北側有3個酸化塔，其中西邊的酸化塔上部有一長為2m、高為1.5m的大洞，洞內嵌有部分蒸汽發生器的散落零件，而蒸汽發生器支架基本未位移，但發生了嚴重變形。經了解，事發當時，東側的蒸汽鍋爐正停爐檢修，不在運行，而西側的有機熱載體鍋爐處于正常運行狀態，蒸汽發生器位于有機熱載體鍋爐的北側，與鍋爐尾部的排煙道相連，利用有機熱載體鍋爐煙氣余熱加熱后產生飽和蒸汽。

根據現場勘查情況，蒸汽鍋爐一側爐墻損壞，而受壓本體卻并未坍塌，因此，可以排除蒸汽鍋爐爆炸；有機熱載體鍋爐整體向南一個方向倒塌，并且鍋體整體向南移位0.525m，爐管塌落在地但并未爆裂，因此，也可以排除有機熱載體爐爆炸；蒸汽發生器的殼體、熱管等部件解體并散落工廠各地，一部分殼體及熱管將北側的酸化塔炸出了一個大窟窿后落入酸化塔內，而其支架基本未位移但存在變形，上部框架最多處向外變形量達25cm。

圖2 有機熱載體鍋爐移位圖

圖3 蒸汽發生器上部框架變形圖

2 事故分析技術路線

根據現場勘察情況初步分析，本次事故可能有以下2個原因造成：蒸汽發生器超壓運行或蒸汽發生器本體質量問題。

經調查了解，發生事故的蒸汽發生器安裝在有機熱載體爐尾部作為余熱蒸發器使用，容器內徑1500mm，壁厚為12mm，容積為3.62m3，總長為2625mm，設計壓力為1.0MPa，設計溫度為200℃,工作介質為水和水蒸氣，材質為Q345R。這套有機熱載體爐和蒸汽發生器系統是從該公司B廠區移裝過來的，蒸汽發生器利用有機熱載體爐尾部煙氣余熱加熱，產生的蒸汽接到鍋爐房內的分汽缸上，由分汽缸接出，供廠內車間使用。

從蒸汽發生器本身已安全使用數年的情況看，受壓本體存在質量缺陷的可能性很小，同時，爆炸時蒸汽發生器本體已經被炸得四分五裂，如果從蒸汽發生器本體質量問題入手分析，不僅難度非常大，而且成本非常高，基于此，技術組決定以是否超壓運行作為調查分析的技術路線。

3 事故調查了解的基本情況

經調查了解，該公司2009年5月購進1臺有機熱載體爐和蒸汽發生器，安裝于B廠區，蒸汽發生器接在有機熱載體爐尾部，蒸汽發生器利用有機熱載體爐排出的煙氣作為余熱對本體內的水加熱產生飽和蒸汽。2011年初，該公司將B廠區的有機熱載體爐和蒸汽發生器一起移裝至A廠區內，蒸汽發生器產生的飽和蒸汽接到鍋爐房內的分汽缸上，由分汽缸接出供廠內車間使用。

2014年初，位于鍋爐房東側的燃煤蒸汽鍋爐的省煤器損壞，公司便將位于有機熱載體爐北側的蒸汽發生器的管路系統與蒸汽鍋爐的管路系統進行了改造，直接從蒸汽發生器的上部放空閥出口接了一根管子連接至蒸汽鍋爐進水管路系統上，并通過給水泵對蒸汽發生器強制給水，將蒸汽發生器內的已加熱汽水混合物擠送至蒸汽鍋爐中，這種改造的目的就是將蒸汽發生器作為蒸汽鍋爐的省煤器使用。有機熱載體爐和蒸汽鍋爐同時使用時，該臺蒸汽發生器的進水是通過觀察蒸汽鍋爐上的水位計進行進水，當蒸汽鍋爐的水位計顯示水位較低時，即啟動給水泵對蒸汽發生器給水，在給水的過程中就強制將蒸汽發生器中已加熱的汽水混合物擠送至蒸汽鍋爐中，作為蒸汽鍋爐的補水。改造后的相聯管線見圖5。

圖4 改造后相聯管線圖

2015年3月9日，事故發生的前一天，蒸汽鍋爐由于爐墻損壞而停用修理，司爐人員將蒸汽發生器至蒸汽鍋爐進水管路上的閥門關閉，并通過給水泵將蒸發器中的水加滿，未將該臺蒸發器至分汽缸的主出汽閥門打開，但打開了蒸汽發生器管線上的排污閥；3月10日，事故當天，蒸汽鍋爐仍處于修理狀態，有機熱載體爐正常運行，加熱產生的高溫導熱油供生產車間使用，公司司爐工因擔心蒸發器缺水運行，前后2次（10點半和12點）啟動給水泵向蒸發器中加水，加水前均打開管線上的排污閥進行排氣減壓操作，加水后又將排污閥關閉。下午1點15分左右，蒸汽發生器發生爆炸。

4 壓力計算及分析

根據蒸汽發生器圖紙等出廠資料，經計算，蒸汽發生器殼體最大允許工作壓力為1.556MPa，此壓力對應的飽和蒸汽溫度為203℃，超過此溫度后蒸汽發生器會有爆炸的風險。具體計算過程如下。

4.1 計算參數

公稱直徑：Di=1500mm。

計算壓力：PC=1.0MPa。

設計溫度：Td=200℃。

主要受壓元件材質：16MnR。

鋼板負偏差：C1=0.25mm。

腐蝕裕量：C2=1mm。

焊接接頭系數：Φ=0.85。

16MnR設計溫度下的許用應力：[σ]t=170MPa。

標準橢圓封頭形狀系數：K=1。

4.2 殼體強度計算

筒體名義厚度：δn=12mm。

筒體有效厚度：δe=δn-C1-C2=10.75mm。

封頭名義厚度：δnh=10mm。

封頭成型后最小厚度：δmin=8.1mm。

4.3 筒體排孔補強校核

兩相鄰開孔中心線與殼體軸線之夾角：θ=26.5°=0.463rad。Secθ：=1.1174。

管孔的軸向節距：S1=180mm。

孔帶的單位長度：S2=S1=180mm。

管孔的對角向節距：S3=101mm。

開孔直徑：dop=31.8mm。

排孔削弱系數γ，取γ1，γ2，γ3中的最小值：γ：=0.717。

排孔削弱系數γ，對筒體厚度進行校核：

根據上述計算，筒體名義厚度12mm，有效厚度10.75mm滿足強度要求。

4.4 殼體最大允許工作壓力計算

即：殼體最大允許工作壓力Pw=1.556MPa。

4.5 壓力分析

蒸汽發生器的熱管接受有機熱載體爐出口煙氣加熱，將熱量傳遞給殼體內的水，在蒸汽發生器介質進出口關閉的狀態下，殼體內就會形成汽液兩相共存，此時，容器內的壓力即為隨溫度而變化的飽和蒸汽壓，殼體最大允許工作壓力1.556MPa對應的飽和蒸汽的溫度為203℃，若超過此溫度，該設備就會有爆炸的風險。

5 事故原因技術分析

事發當日上午，有機熱載體爐出口油溫為238℃，正常運行情況下，尾部煙氣溫度比油溫高約30℃以上，煙氣溫度約在270℃左右。由于尾部煙氣一直在不斷給蒸汽發生器內的水加熱，水不斷汽化，形成汽液共存狀態，根據還原的管線圖和了解到的情況，由于蒸汽發生器所有的出汽閥門在某一時段均被關閉，蒸汽發生器內產生的飽和蒸汽得不到泄放，致使蒸汽溫度不斷升高，壓力也不斷上升，當飽和汽液在270℃左右的煙氣持續加熱下，達到或超過203℃時，蒸汽發生器即會發生爆炸。由于爆炸威力特別巨大，爆炸后，事故調查組經多次現場勘察，一直未能找到蒸汽發生器上配置的安全閥和壓力表，也未找到有機熱載體爐和蒸汽發生器運行情況的記錄，也就無法判斷和計算出發生爆炸時準確的壓力和溫度數據，但可以確定蒸汽發生器爆炸前安全閥未起到泄放作用。

綜上所述，判斷此次蒸汽發生器發生爆炸的原因如下。

該公司A廠區將有機熱載體爐尾部煙道中的蒸汽發生器的管路系統與燃煤蒸汽鍋爐的管路系統進行了改造，長期關閉了蒸汽發生器至分汽缸的主出汽閥門（不再將蒸汽發生器產生的蒸汽輸送至車間），將蒸汽發生器改造成了蒸汽鍋爐的省煤器使用。改造后的管路系統不合理，當蒸汽鍋爐停用、有機熱載體爐正常運行時，關閉了蒸汽發生器通向蒸汽鍋爐的出水出汽閥門，但未及時將該臺蒸汽發生器至分汽缸的主出汽閥門打開。有機熱載體爐正常運行時，尾部煙氣一直不斷地給蒸汽發生器內的水加熱，而蒸汽發生器在某一時段所有出汽出水閥門都被關閉（管線上的排污閥在某一時段也處于關閉狀態），安全泄放裝置又未起作用，產生的蒸汽得不到泄放，水不斷汽化，最終形成汽液飽和狀態，當飽和汽液在270℃左右的煙氣持續加熱下，飽和蒸汽的溫度、壓力不斷升高，當飽和蒸汽的溫度達到或超過203℃時，內部壓力也增大到了設備的承壓極限，最終致使蒸汽發生器發生超壓爆炸。

6 結語

此次蒸汽發生器超壓爆炸事故暴露出運行單位在鍋爐房安全運行管理方面存在嚴重問題，主要體現在鍋爐房管路系統改造不合理、司爐工操作不規范等，教訓深刻，為了預防同類事故再次發生，提出如下建議：（1）不私自改動鍋爐房管路系統，如因生產工藝需要確需改動，應聘請有資質的設計單位專業人員出具改造方案，并委托有相應資質的安裝單位實施改造。（2）建立健全良好的鍋爐房管理制度，嚴格監督，加強考核。（3）必須有合格司爐證的司爐工進行司爐操作，并加強管理。