蒸汽锅炉爆炸危险性分析及预防措施
刘国强
摘 要：本文对蒸汽锅炉存在的爆炸危险性及预防措施进行了探讨。简要叙述了锅炉爆炸机理，介绍了爆炸冲击波的破坏、伤害作用及锅炉爆炸超压的计算方法，采用TNT 当量法对动力蒸汽锅炉爆炸事故后果进行了预测计算，分析了能够导致锅炉爆炸事故发生的使用管理方面的原因，并给出了应对措施。
关键词：锅炉爆炸；危险性分析；预防措施
引言
动力车间有3台DG35-3.82/450-Y油气混烧锅炉, 生产3.5MPa 、450℃蒸汽，是为装置生产提供热能动力的设备，常被誉为总厂的心脏。锅炉在正常运行时，系统中储存着大量的热能，它不仅要承受高温高压，还要承受介质侵蚀和飞灰磨损，工作环境比较恶劣，万一由于某些原因促使储能意外释放，就会造成巨大的财产损失及人员伤亡，属于具有潜在爆炸危险的重大危险源。而且，动力车间的锅炉自投入运行已将近20个年头了，正步入设备寿命的后半期，其运行危险性尤为突出。因此，对锅炉爆炸危险性进行分析，并采取相应的预防措施，以确保避免锅炉爆炸恶性事故的发生，显得尤为必要。
一 锅炉爆炸的机理
锅炉爆炸是锅炉系统中储存的大量能量意外瞬间释放，转化为机械能的现象。在锅炉运行过程中，由于受压元件的某些部位超过了材料的极限强度，薄弱处发生断裂，或是由于炉膛燃爆导致某些锅炉受压部件损坏，使得储存在锅炉中的水及蒸气立即从破口处冲出来，发生锅炉爆炸。此时，由于锅内压力瞬间降至外界大气压力，锅内的饱和水立即剧烈汽化、膨胀，蒸汽也随之剧烈膨胀，造成压力再次升高，破口进一步扩大。由于从破口处冲出的汽、水有很高的速度，形成强烈的冲击波，当与空气或地面接触后，便会产生强大的反作用力，使锅炉腾空而起或朝反作用力 的方向运动、翻滚。锅炉爆炸时所释放的能量除了很少一部分消耗在撕裂钢板、将作者简介：刘国强（1971－），男，安全技术及工程硕士毕业，胜利石化总厂热能工程主任师
部分碎片以及与锅炉相连的汽水管道、阀门和本体抛离原地外，其余大部分能量将以冲击波的形式作用于周围环境，造成建筑物的破坏及人员伤亡。
二 锅炉爆炸事故后果预测
1 事故后果预测概述
由前所述，锅炉一旦发生事故，特别是破裂爆炸事故，不仅设备本身遭到破坏，而且往往会破坏其周围的建筑物和其它设备，甚至造成人身伤亡等灾难性的事故后果。事故后果预测可以初步确定事故危害范围，对确立周围财产的保护措施具有重要意义。由于锅炉爆炸时所产生的冲击波情况十分复杂，而且缺乏这方面的系统的试验数据。目前对锅炉破裂爆炸所产生的冲击波超压一般都是根据同能量的梯恩梯
(TNT ) 爆炸的试验数据按相似法则来确定，即TNT 当量法。
2 锅炉爆炸的能量分析
整个锅炉系统中储存的能量包括两部分，一部分为高温、高压的干饱和蒸气所具有的能量，另一部分为饱和水所具有的能量。
(1)干饱和水蒸汽的爆炸能量因干饱和水蒸汽爆炸时仅在瞬间发生泄压，未及与外界发生热量交换，因此是一绝热膨胀过程，其爆炸能量为理想气体作绝热膨胀所释放的能量。
(2)高温饱和水的爆炸能量锅炉破裂后，不仅气体要泄压膨胀，而且原来处于汽液平衡的饱和液体在压力下降到大气压力时温度超过了大气压力下的沸点(也称过热) ，过热状态的水急剧蒸发沸腾，体积激烈膨胀而引发爆炸。因此计算高温饱和水的爆炸能量包括了上述两部分爆炸能量。
3 爆炸冲击波及其伤害、破坏作用
锅炉爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量三种形式表现出来，后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3％～15％，也就是说大部分能量产生了空气冲击波。
(1)爆炸冲击波
冲击波是由压缩波迭加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。锅炉破裂时，其内的高压气体大量冲出，使周围的空气受到冲击而发生扰动，空气状态(压力、密度、温度等) 发生突跃变化，其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中传播就成为冲击波。在离爆破中心一定距离的地方，空气压力会随时间发生迅速而悬殊的变化。开始时，压力突然升高，产生一个很大的正压力，接着又迅速衰减，在很短时间内正压降至负压。如此反复循环数次，压力渐次衰减下去。
开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压△P 。多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。超压△p 可以达到数个甚至数十个大气压。只要冲击波超压达到一定值时，便会对目标造成一定的伤害或破坏。超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表1和表2。
表1 冲击波超压对人体的伤害作用
超压 △P /MPa
0.02—0.03
0.03--0.05
0.05—0.10
>0.10 伤害作用 轻微伤害 听觉器官或骨折 内脏严重损伤或死亡 大部分人死亡
表2 冲击波超压对建筑的破坏作用
超压 △P /MPa
0.005—0.006
0.006—0.015
0.015—0.02
0.020—0.03
0.040—0.05
0.060—0.07
0.070—0.10
0.100—0.20
0.200—0.30 伤害作用 门窗玻璃部分破碎 受压面的门窗玻璃大部分破碎 窗框损坏 墙裂缝 墙大裂缝，屋瓦掉下 木建筑厂房房柱折断，房架松动 砖墙倒塌 防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌 大型钢结构破坏
(2) 冲击波的超压计算
锅炉发生爆炸时所产生的冲击波情况相当复杂，影响因素众多, 主要与水及水蒸汽介质热物理状态、介质集中程度、泄漏开口尺寸状态及变化速率(瞬间泄漏, 小孔尺寸泄漏等) 、汽包等水汽承压构件材料性能及加工工艺等相关, 国内孙庆军等人进行了这方面的试验研究[5],但还缺乏这方面的系统和全面试验数据。因此, 对锅炉BLEVE 爆炸所产生的冲击波超压一般都还是根据同能量梯恩梯(TNT)爆炸的试验数据按相似法则来确定[6,7]。
4 动力车间锅炉爆炸后果预测
动力车间锅炉总容积为29.6 m 3 ，锅筒正常工作压力3.80MPa ，正常情况锅筒内1/8充满干饱和蒸汽，7/8为饱和水，蒸发量为35t/h，过热蒸汽温度440℃。
按上述步骤计算可得出预测结果如表3。
表3 动力车间锅炉爆炸预测结果表
参数
死亡半径
重伤半径
轻伤半径
大型结构破坏半径
防震钢筋混凝土破坏半径
砖墙倒塌半径
墙大裂缝半径
窗框损坏半径 预测结果 32.56米 46.48米 78.65米 24.42米 32.56米 38.68米 52.20米 97.15米
通过以上计算，对锅炉爆炸危害有了定量的分析结果，这有利于提高员工们对锅炉危险性的认识，进一步提高安全操作的意识和责任心，确保锅炉运行安全。另外，该数据还对应急救援预案的编制提供了参考数据。
三 锅炉爆炸的原因分析及预防措施
锅炉爆炸按其发生原因可分为两种类型，一是超压爆炸，一是炉膛燃爆。 1 超压爆炸，是指锅炉受压部件的承压能力低于工作压力，使得薄弱部位破裂，严重时引发爆炸。形成原因或是锅炉超压运行，或是各种原因造成的承压能力降低。
(1) 锅炉超压运行。动力锅炉主要为炼油装置提供生产用蒸汽，若装置因紧急情况而突然减少或切断进汽，锅炉便会出现瞬时超压情况。为避免因超压引起锅炉爆炸，我厂主要采取了以下几点措施：
① 确保安全阀能准确动作。应按照国家规定定期校验安全阀，并经常检查安全阀状态。
② 设置锅炉对空排汽与锅炉蒸汽压力的联锁，当蒸汽压力高于警戒值时，对空排汽自动开启卸压。
③ 制定事故预案并坚持演练，提高运行员工对超压危害的认识以及应急处理技能，尽量避免超压发生。
(2) 锅炉部件承载能力下降。由于锅炉的运行环境比较恶劣，随着锅炉投产时间的延长，锅炉部件会由于腐蚀、磨损等原因导致承压能力下降。假如某些部位下降较多，那么即使锅炉在额定压力下运行也有可能发生爆炸。为避免这种爆炸可能性，我厂主要从“知”和“防”做工作，即做到熟知锅炉的状况，尽力减少各种有损锅炉承压能力的因素。
① 把好锅炉的检验关。锅炉每2年由锅炉检验所进行1次全面的定期检验，包括
焊缝探伤、炉管测厚、硬度检测、汽包及联箱金相分析等。在检验中就曾发现锅炉汽包接管与给水管的焊缝出现裂纹并及时予以消除。除此之外，车间每个月都要进行锅炉的外部检查，每年都要利用锅炉间歇停工的时间，自行对锅炉进行全面的内部检查，并把检查结果详细记录在案。
② 保证合格的水质。锅炉水质不合格将导致炉管结垢，影响管壁传热，使局部管壁因过热而形成鼓疱、裂纹，强度大大降低。预防措施是加强水质的监测，确保水质合格。若在运行中遇到水质较长时间不合格的情况，应在停炉后通过割管等方法测量垢的厚度，以决定是否需要进行锅炉酸洗。
因腐蚀引起的锅炉强度降低而致锅炉超压爆炸。形成腐蚀的原因主要有：一是因为锅炉在运行时，由于长期受到烟、水等介质的侵蚀，容易发生磨损；二是水质处理不合格，使锅炉受压元件壁厚减薄，强度降低。另外，锅炉在停用期间，由于放置的时间过长，没有对其进行认真的维护保养，或者维护保养方法不当，空气中的氧和二氧化碳就会对锅炉金属表面进行腐蚀；锅炉房内湿度过大，也会加剧腐蚀。腐蚀到一定程度的锅炉即使在允许工作压力以下运行，也会导致爆炸事故的发生。因此，应该严格检测水质，确保锅炉用水的各项指标达到要求，并加强锅炉的停炉保养，尽量减少腐蚀的发生。在锅炉正常运行中，超压运行是严格禁止的。因此，该情况也从来没有发生过引发锅炉爆炸事故的原因主要有设计制造、使用管理、锅炉检修等几个方面。
(1) 设计制造原因
设计方面的原因包括：选材不当、受热面布置不合理、水循环设计有偏差、焊接结构设计不当、安全附件选用不当、计算或选用方法错误等。制造方面的原因有：材质不良、焊缝有缺陷、组装方法不当等。设计制造方面的缺陷造成了锅炉的先天不足，是安全运行的隐患，只能通过严格的检验来发现。对重大隐患应通过设备改造来消除，对于难以消除的一般缺陷应通过定期的检查检验对其状况进行监视，避免其进一步发展，存在严重隐患时应停止锅炉的运行。
(2)使用管理原因
该方面的原因主要包括以下几点。
一 锅炉严重缺水运行或锅炉局部水循环不畅，造成局部炉管干烧，炉管温度过高超过屈服极限温度而破裂爆管，或是锅炉在严重缺水运行后，突然大量上水引发锅炉压力急剧增大，在局部瞬间超压所致。因此，锅炉严重缺水在运行中危险性极大，不仅会降低炉管的强度，减少炉管的寿命，甚至会引发爆炸，在运行中一定要尽力避免。引起缺水的原因及防范措施主要有以下几个：
①测量仪表失灵，显示假水位，从而造成判断和操作失误。预防措施是定期冲
洗水位计，定点将DCS 上显示水位与现场水位计进行核校。
②自动水位控制失灵，靠手动控制，由于人员的失误造成缺水。预防措施是把上水自动控制阀列为重点设备，定期检查、检修和保养，确保自动灵活好用；若长时间无法投用自动，应尽早停炉检修。
③加强定期排污，及时排除炉内杂物，保持各个循环回路的畅通。
④加强教育培训，提高员工对缺水危害的认识，增强工作责任心。
⑤编制缺水的事故处理预案，并组织定期演练。
二 锅炉超压。
(3)锅炉检修
锅炉检修是锅炉管理中的一个重要环节，该类原因包括安全附件失修、材料代用错误、炉管内异物堵塞等。检修中造成的隐患在运行中很难发现，因此，必须在检修管理中加以预防，包括制定详细的检修计划、施工用料的严格管理、对进入锅筒作业采取适当的防范措施等。
四 结 论
通过以上的分析和计算可知，锅炉一旦爆炸将是十分严重的灾害性事故。因此，建议动力车间把与锅炉爆炸有关的安全运行、检修以及安全培训、安全管理、安全应急预案及演练提到更加重要的地位上来，提高安全意识，消除安全隐患，规范操作，确保锅炉安全运行。
参考文献：
[1]华自强．工程热力学(第二版)[M]．北京：高等教育出版社，1986．
[2]国家安全生产监督管理局．安全评价[M]．北京：煤炭工业出版社，2003．
孙庆军, 李之光等. 锅炉热态爆炸能量的实验研究[J].工业锅炉,1994,(40)
[3]刘盛平，周晔．锅炉爆炸冲击波危害范围计算[J]．地质勘探安全。1998，5(4)：25．26
Discusses on Explosion Hazards and Preventive
Measures of Steam Boiler
Abstract: In this paper, explosion hazards of steam boiler and preventive measures are discussed , including a brief description of the boiler explosion mechanism, and from design and manufacture, use and management, installation and maintenance analysis of three aspects leading to the boiler explosion reasons. Then the energy of the boiler explosion is calculated, the explosion shock wave damage is introduced, and injury roles and boiler explosion overpressure are predicted by TNT equivalent method.
Keywords: Boiler Explosions; Risk Analysis; Preventive Measures