蒸汽锅炉爆炸危险性分析及预防措施

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蒸汽锅炉爆炸危险性分析及预防措施

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蒸汽锅炉爆炸危险性分析及预防措施

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

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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

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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

伤害作用

0.02—0.03

轻微伤害

0.03--0.05

听觉器官或骨折

0.05—0.10

内脏严重损伤或死亡

0.10

大部分人死亡

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表2冲击波超压对建筑的破坏作用

超压△P/MPa

伤害作用

0.005—0.006

门窗玻璃部分破碎

0.006—0.015

受压面的门窗玻璃大部分破碎

0.015—0.02

窗框损坏

0.020—0.03

墙裂缝

0.040—0.05

墙大裂缝，屋瓦掉下

0.060—0.07

木建筑厂房房柱折断，房架松动

0.070—0.10

砖墙倒塌

0.100—0.20

防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌

0.200—0.30

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

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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29.6m3 ，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

预测结果

死亡半径

32.56米

重伤半径

46.48米

轻伤半径

78.65米

大型结构破坏半径

24.42米

防震钢筋混凝土破坏半径

32.56米

砖墙倒塌半径

38.68米

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