一起立式鍋爐下腳圈失效引起的爆炸事故分析

陳慶勛

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東 深圳 518029）

1 事故概況

2009年8月4日廣東某河粉制造廠一臺(tái)立式火管鍋爐（型號(hào)為LHC0.5-0.8-AⅢ）爆炸。鍋爐沖天而起，沖破屋頂，落在8米開外的空地上。時(shí)值中午吃飯時(shí)間，幸未造成人員傷亡。經(jīng)現(xiàn)場檢查，該鍋爐從下腳圈處撕裂，下腳圈失效情況如下：水側(cè)扳邊處腐蝕起槽，深4～5mm，長約為周長的1/2；灰側(cè)大面積腐蝕，長約為周長的2/3，下腳圈厚度為12mm，現(xiàn)測殘余厚度為3～4mm，最薄處為1～2mm，局部已滿水。這臺(tái)立式鍋爐下腳圈的失效，代表了立式鍋爐下腳圈失效的共性：內(nèi)外側(cè)腐蝕、裂紋、起槽等。立式鍋爐其下腳圈處是薄弱部位：工作條件最差。

2 下腳圈損壞的幾個(gè)原因

2.1 疲勞損壞

鍋爐下腳圈較為常見的型式為U型下腳圈和S型下腳圈。下腳圈在內(nèi)壓力作用下是以彎曲為主的受壓元件，當(dāng)鍋殼與爐膽之間沒有沖天管連接而僅靠下腳圈相連時(shí)，封頭與爐膽頂因受內(nèi)壓力作用而向相反方向的張弛只能靠下腳圈來約束，故下腳圈受彎曲應(yīng)力較大。下腳圈所受外力有以下三種：①工質(zhì)壓力作用于鍋爐封頭而傳至下腳圈的力G；②工質(zhì)壓力P；③地基反作用力，等于鍋爐重量；在強(qiáng)度分析中可忽略不計(jì)。

根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件推導(dǎo)的下腳圈強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算U型下腳圈和S型下腳圈的結(jié)果見下表1

表1 不同結(jié)構(gòu)下腳圈的強(qiáng)度對(duì)比

由計(jì)算可知，在相同情況下，底部支座的U型下腳圈(支座為剛性的封閉環(huán)形筒殼，且與下腳圈底部牢固焊死)的受力情況最好，而外套支座的U型下腳圈的受力情況最差，S型下腳圈受彎曲應(yīng)力小于外套支座的U型下腳圈。但S型下腳圈熱補(bǔ)償能力差，焊縫在應(yīng)力集中區(qū)，且在制造中容易在扳邊彎曲處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐膽受熱壁溫高,膨脹多；外殼溫度低膨脹少。由于經(jīng)常啟停鍋爐，壓力、溫度頻繁變化，爐膽上下伸脹,使下腳圈扳邊處產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，引起交變的彎曲應(yīng)力。在此應(yīng)力作用下，金屬晶格間產(chǎn)生了滑移臺(tái)階，破壞了金屬表面保護(hù)膜，出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，時(shí)間久了，則會(huì)出現(xiàn)裂紋起槽。所以，一般情況下，S型下腳圈的腐蝕起槽比U型下腳圈嚴(yán)重得多。

2.2 下腳圈內(nèi)沉積水垢泥渣造成垢下腐蝕

下腳圈內(nèi)沉積水垢泥渣，造成沉積物下腐蝕，這是下腳圈內(nèi)部腐蝕的重要因素。立式鍋爐容量一般較小，用戶對(duì)水質(zhì)一般采用爐內(nèi)水處理。水被加熱后不斷蒸發(fā)、濃縮，含鹽量濃度增大，達(dá)到飽和后便析出沉淀。鍋筒、爐膽上水垢也會(huì)脫落，這樣.處在鍋爐最底處的下腳圈內(nèi)垢渣堆積。在正常情況下，鍋爐金屬表面有一層Fe3O4膜，具有良好的保護(hù)性能，使鍋爐免遭腐蝕。但是鍋爐水的pH值對(duì)Fe3O4膜有很大影響。在pH<8時(shí)，H+濃度大，不易在金屬表面形成Fe304保護(hù)膜；在pH>13時(shí)，F(xiàn)e304保護(hù)膜與堿反應(yīng)而遭到破壞，一旦Fe3O4保護(hù)膜遭到破壞，那么金屬表面就非常容易受到腐蝕。在pH>13時(shí)，F(xiàn)e304保護(hù)膜與堿的反應(yīng)方程式如下：

Fe3O4+4NaOH→2NaFeO2+Na2FeO2+2H2O

在一般運(yùn)行條件下，鍋爐水的pH值保持在9～11之間，腐蝕速度很慢。但在有沉積物的下腳圈內(nèi)，沉積物下面的水會(huì)不斷蒸發(fā)濃縮，各種腐蝕性介質(zhì)濃度增高，促使腐蝕速度加快。

垢下腐蝕有兩種情況：

①酸性腐蝕。當(dāng)鍋爐水中pH值較低，且含有MgCl2、CaCl2類物質(zhì)時(shí)，就會(huì)在沉積物下發(fā)生如下發(fā)應(yīng)：

MgCl2+2H2O→Mg(OH)2↓+2HCl

CaCl2+2H2O→Ca(OH)2↓+2HCl

鹽酸是一種強(qiáng)酸，H+濃度大，H+是一種去極化劑，其電化反應(yīng)為：

陽極：Fe-2e→Fe2+

陰極：2H++2e→2H→H2

這就是垢下酸性腐蝕的過程。

②堿性腐蝕。如果鍋爐中有游離的NaOH，那么在垢下會(huì)因爐水濃縮而形成很高濃度的OH-，發(fā)生堿性腐蝕。NaOH在電化學(xué)腐蝕中的作用可用下式表達(dá)：

同時(shí)，鐵離子與氫氧根發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2++20H-→Fe(OH)2

由于上述原因，加之下腳圈處的應(yīng)力集中，金屬更易遭到腐蝕，使疲勞破壞加劇。

(3)排污管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不好或排污操作不當(dāng)

有些鍋爐排污管不在最低位置或管端伸入過長，排污時(shí)不能將下腳圈內(nèi)垢渣排凈；有的司爐工排污盲目操作，排污效果很差，甚至有的鍋爐長期不排污，致使下腳圈內(nèi)堆積大量垢渣，并生成二次水垢下腐蝕。有的蒸汽爐改成熱水爐后，將排污管改為回水管，使鍋爐無法排污。

(4)下腳圈外側(cè)腐蝕

將鍋爐安裝在潮濕的鍋爐房內(nèi)，鍋爐下腳下圈直接放在鍋爐基礎(chǔ)上，在鍋爐灰坑內(nèi)加水，都易使下腳圈外側(cè)發(fā)生腐蝕。下腳圈一般都處在爐排下部，表面溫度較低。當(dāng)溫度等于或低于空氣中水蒸氣的分壓PH2O相對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣就會(huì)部分地凝結(jié)在金屬表面上(即結(jié)露現(xiàn)象)當(dāng)燃料燃燒時(shí)，生成的三氧化硫與水蒸氣相遇后，便生成硫酸，嚴(yán)重地地腐蝕鍋爐金屬。

另外，煤中黃鐵礦(FeS2)受熱分解成硫化亞鐵和硫原子：硫化亞鐵又緩慢氧化，生成黑色磁性氧化鐵.?？梢姡履_圈外側(cè)腐蝕也是比較嚴(yán)重的，必須引起足夠的重視。

3 預(yù)防下腳圈失效的措施

3.1 根據(jù)下腳圈的結(jié)構(gòu)判斷其是否合理

立式下腳圈的結(jié)構(gòu)型式較多，有些是不合理的。對(duì)不合理的下腳圈的處理方法有三：更換新的鍋爐，切換下腳圈；修理加固。前兩種方法最好。但更換新鍋爐往往需要一定時(shí)間；切換下腳圈需要較強(qiáng)的施工力量。如果結(jié)構(gòu)允許用修理加固的方法，則應(yīng)修理加固。 有些U型下腳圈的鍋爐，下腳圈與鍋殼連接處采用單面焊接，即不加墊板，也不用氬弧焊封底，有的也不進(jìn)行無損探傷，焊接質(zhì)量難以保證。對(duì)這樣的鍋爐，要根據(jù)使用情況處理。焊縫外觀質(zhì)量必須合格，對(duì)使用壓力較高的，要按上述要求加裝一圈短拉撐，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行無損探傷，對(duì)不合格的焊縫進(jìn)行返修或切掉下腳圈重新施焊。

3.2 合理進(jìn)行下腳圈的強(qiáng)度計(jì)算

下腳圈的強(qiáng)度計(jì)算是按最不利的結(jié)構(gòu)考慮的。對(duì)于沖天管鍋爐的U型下腳圈，其最小需要壁厚按上述公式算出的值加厚20%，或最高工作壓力降低30%。對(duì)有沖天管鍋爐的下腳圈，當(dāng)壁厚大于或等于相連爐膽的壁厚時(shí)，可不必進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算(但要看腐蝕情況)。

3.3 加強(qiáng)水處理工作

加強(qiáng)水處理工作，這是防止下腳圈內(nèi)部腐蝕的重要因素。立式鍋爐容量一般小于lt／h，可采用爐內(nèi)加藥的辦法進(jìn)行水處理，但方法要行之有效。水質(zhì)應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。有條件的，盡可能采用爐外水處理。爐內(nèi)加藥時(shí)，最好將其加入貯水池（箱）內(nèi)攪拌均勻，待藥渣沉淀后向鍋爐上水，這樣可以減少下腳圈內(nèi)沉積物堆積。

3.4 進(jìn)行合理的排污操作

排污要在低負(fù)荷時(shí)進(jìn)行，不必降壓。有的司爐工將工作壓力降為 0.1～O.2MPa后才排污，使垢渣不易被排除。從實(shí)際情況來看，下腳圈內(nèi)的垢渣只有排污閥附近能排凈，其他部位仍有垢渣堆積現(xiàn)象，除操作原因外，還應(yīng)從設(shè)計(jì)上考慮。因此，建議設(shè)計(jì)、改造、修理時(shí)將排污口增加到兩個(gè)或三個(gè)，并且排污管應(yīng)設(shè)置在最低位置，管端不得伸入下腳圈內(nèi)，這樣排污阻力小，效果好。排污閥不應(yīng)采用一般截止閥。

3.5 避免鍋爐底部受潮

這是減少下腳圈外側(cè)腐蝕的主要措施。鍋爐房應(yīng)保持干燥。安裝時(shí)，下腳圈不應(yīng)直接放在基礎(chǔ)上，而應(yīng)在鍋爐底部焊上支座，這樣即防潮，又便于檢查、檢修。

[1]王銑慶.立式鍋爐下腳圈的強(qiáng)度分析[J].