運(yùn)用TNT當(dāng)量法及事故樹法在分析鍋爐爆炸的危害

程華瑞，栗繼祖

（太原理工大學(xué)a．礦業(yè)工程學(xué)院；b．煤炭產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展研究中心，太原030024）

鍋爐是提供動(dòng)力和熱能的設(shè)備，它在運(yùn)行時(shí)，爐中的燃料燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過受熱面的傳熱，被鍋內(nèi)工質(zhì)（水）吸收，產(chǎn)生一定的飽和水、水蒸汽和高溫水。鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存著大量的熱能，不僅要承受高溫高壓，還要承受介質(zhì)侵蝕和飛灰磨損，所以鍋爐工作環(huán)境比較惡劣［1］，是具有潛在爆炸危險(xiǎn)的特殊設(shè)備。鍋爐系統(tǒng)的使用很廣，廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)部門。近年來，我國鍋爐爆炸的事故屢有發(fā)生，造成大量的財(cái)產(chǎn)損失以至人員傷亡，給經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)文明帶來了巨大影響。

1 鍋爐系統(tǒng)爆炸分析

1．1 鍋爐爆炸機(jī)理

鍋爐爆炸屬物理性爆炸，是鍋爐系統(tǒng)中儲(chǔ)存的大量能量迅速釋放并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能造成。爆炸形式有兩種：一種是某受壓部件（主要是汽包等）遭到嚴(yán)重?fù)p壞，鍋爐內(nèi)汽水混合物以極高的速度從破裂處噴射出來，導(dǎo)致鍋爐爆炸；另一種是燃料在爐膛內(nèi)瞬間突然爆燃，導(dǎo)致爐膛爆炸。

鍋爐爆炸兩個(gè)過程：第一過程是鍋爐受壓元件，主要是鍋筒的筒體或封頭等主要受壓元件的最薄弱處及焊縫等，由于鋼材質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)不合理、強(qiáng)度不夠、安裝質(zhì)量不合格、運(yùn)行于管理不當(dāng)?shù)仍?，在介質(zhì)工作壓力下發(fā)生破裂［2］；第二過程是當(dāng)鍋爐受壓元件破裂后，鍋爐內(nèi)的介質(zhì)，即一定壓力下的帶有能量的飽和水和飽和蒸汽從破口處急速?zèng)_出來，在一瞬間，鍋爐內(nèi)的全部介質(zhì)從原來的工作壓力驟降到一個(gè)絕對(duì)大氣壓，飽和水和飽和蒸汽所含的巨大熱能使水汽化，使蒸汽體積進(jìn)一步膨脹，體積可以擴(kuò)大上千倍，造成壓力再次升高，裂口進(jìn)一步擴(kuò)大。大量的熱能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，形成具有很大破壞力的爆炸。

1．2 鍋爐系統(tǒng)爆炸危害

鍋爐爆炸主要指鍋爐汽包內(nèi)筒體、封頭或焊縫破裂引起的爆炸，鍋爐在運(yùn)行狀態(tài)下，鍋爐汽包內(nèi)水汽所占容積之比一般為5∶3，即水所占容積大于汽，若鍋爐為上下二個(gè)汽包，則上汽包為汽水混合物，下汽包為飽和水。

爆炸所產(chǎn)生的危害主要有二方面：一是鍋爐的飽和水和飽和蒸汽膨脹放出的能量引起的危害；二是鍋爐內(nèi)的熱蒸汽及部分飽和水迅速蒸發(fā)產(chǎn)生大量蒸汽向四周擴(kuò)散引起的危害。水容量越大的鍋爐，壓力越高，造成的爆炸危害越嚴(yán)重。

1．3 鍋爐系統(tǒng)危險(xiǎn)、有害因素的分析

對(duì)鍋爐系統(tǒng)分析之后，其主要危險(xiǎn)、有害因素見表1所示。

2 鍋爐爆炸分析計(jì)算

2．1 鍋爐爆炸能量計(jì)算

1）鍋爐爆炸能量UB計(jì)算。

選用鍋爐型號(hào)為SHL20－25－400A型。其出蒸汽量Q＝20t／h，p＝2．45MPa，正常水容量為26 m3以上。

表1 鍋爐系統(tǒng)危險(xiǎn)源及主要危險(xiǎn)性

正常運(yùn)行狀態(tài)下，鍋爐水容積：汽容積＝5∶3，則汽容積約為16m3以上。

通過查表，2．45MPa飽和蒸汽爆炸能量系數(shù)CS及飽和水爆炸能量系數(shù)CW，通過查表分別為CS＝6．24×106J／m3，CW＝9．56×107J／m3。

爆炸能量UB為飽和蒸汽釋放能量US及飽和水釋放能量UW之和。即UB＝US＋UW．

2）TNT當(dāng)量的計(jì)算

將爆炸能量UB換算成TNT當(dāng)量［3］。取1kg TNT炸藥爆炸能量

故鍋爐爆炸時(shí)相當(dāng)573kg TNT威力。

3）其他計(jì)算［4］。

死亡半徑 R1＝13．6（QTNT／1 000）0．37＝11．07 m，重傷半徑R2，由下列方程式求解：

式中：ΔpS為引起人員重傷沖擊波峰值，取44 000 Pa；p0為環(huán)境壓力（101 300Pa）；E 為爆炸總能量，J，E＝qTNT×QTNT。

將以上數(shù)據(jù)代入方程式，解得：R2＝31．47m．

輕傷半徑R3，由下列方程式求解：

式中：Δps為引起人員輕傷沖擊波峰值，取17 000Pa。

將以上數(shù)據(jù)代入方程式，解得：

R3＝57．37m．

2．2 鍋爐爆炸時(shí)高溫高壓蒸汽占有空間VB′計(jì)算

鍋爐爆炸時(shí)，高壓蒸汽迅速膨脹，體積增大，并放出大量熱量，在其占有的空間范圍內(nèi)，人員將被燙傷。鍋爐飽和蒸汽及飽和水的體積膨脹系數(shù)分別為GS和GW，其值通過查表分別為：

鍋爐爆炸燙傷范圍VB′計(jì)算：

設(shè)，蒸汽以半球形向地面擴(kuò)散，則其擴(kuò)散半徑RS為：

即以鍋爐為中心，直徑為31．4m，高為15．7m范圍內(nèi)人員受到嚴(yán)重燙傷。

3 事故樹分析法的理論

3．1 事故樹分析的作用

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）又稱故障樹分析，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，是一種表示導(dǎo)致災(zāi)害事故（或稱為不希望事件）的各種因素之間的因果及邏輯關(guān)系圖。事故樹不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。既能分析已發(fā)生的事故，又能預(yù)測發(fā)生事故的可能性。既可定性分析，又可定量分析。

3．2 事故樹分析的程序

事故樹分析，基本上可分為三個(gè)階段，即編制事故樹、進(jìn)行定性和定量分析以及制定防災(zāi)對(duì)策和改善系統(tǒng)。其程序如圖1所示。

圖1 事故樹分析程序

4 建立鍋爐系統(tǒng)事故樹

引起鍋爐爆炸的原因一般分為兩種：一是超壓爆炸，二是缺水爆炸。例如2012年4月16日沈陽某車間型號(hào)為 LSG0．13－0．04－AII的汽水兩用鍋爐，由于沒有安裝水封管，在鍋爐結(jié)構(gòu)較薄弱的爐門圈角焊縫處產(chǎn)生破口泄壓，導(dǎo)致超壓爆炸［5］。2011年7月6日新疆喀什市機(jī)場路1號(hào)的喀什某商貿(mào)有限公司洗衣粉廠內(nèi)一臺(tái)立式鍋爐，因缺水導(dǎo)致鍋爐干鍋，致使鍋爐材料金屬壁溫急劇升高，強(qiáng)度下降，而司爐工錯(cuò)誤處置加水，導(dǎo)致加入的水遇到高溫迅速氣化，造成缺水爆炸［6］。

4．1 鍋爐超壓事故樹分析

4．1．1 建立事故樹

通過對(duì)資料的整理與分析，以“鍋爐超壓”作為頂事件。建立如圖2所示的鍋爐超壓事故樹，圖中各符號(hào)所代表的事件如表2所示［7］。

圖2 鍋爐超壓事故樹

表2 鍋爐超壓事件類型表

4．1．2 事故樹的最小割（徑）集

根據(jù)事故樹最小割（徑）集最多個(gè)數(shù)的判別方法判斷，從最小徑集進(jìn)行分析該事故樹：

結(jié)構(gòu)函數(shù)

從而得到最小徑集3組，分別為：

4．1．3 結(jié)構(gòu)重要度分析

事故樹的結(jié)構(gòu)重要度分析，是指從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂上事件發(fā)生的影響程度。結(jié)構(gòu)重要度分析方法有兩種，一是利用計(jì)算公式求出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；二是用最小割（徑）集近似判斷各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的大小，并進(jìn)行排列次序。

經(jīng)判斷，其結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋?/p>

4．2 鍋爐缺水事故樹分析

4．2．1 建立事故樹

以“鍋爐缺水”作為頂事件。建立如圖3所示的鍋爐缺水事故樹，圖中各符號(hào)所代表的事件見表3［8］。

圖1 事故樹分析程序

表3 鍋爐缺水事件類型表

4．2．2 事故樹的最小割（徑）集

根據(jù)事故樹最小割（徑）集最多個(gè)數(shù)的判別方法判斷，從最小徑集進(jìn)行分析該事故樹：

結(jié)構(gòu)函數(shù)T＝X1＋X2X3X6X7X8X9X10X11＋X4X5X12X13X14X15X16X17X18；

得到最小徑集三組，分別為：

4．2．3 結(jié)構(gòu)重要度分析

從3個(gè)最小徑集看出：X1是單事件的最小徑集，X2X3X6X7X8X9X10X11同時(shí)出現(xiàn)在1組最小徑集P2中，X4X5X12X13X14X15X16X17X18同時(shí)出現(xiàn)在1組最小徑集P3中，可以得到：

結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋?/p>

4．3 鍋爐系統(tǒng)事故防治策略

通過事故樹分析可知，鍋爐超壓事故最小徑集3個(gè)，防止鍋爐超壓事故的措施有3個(gè)方案。壓力上升（X5）是最主要的原因；其次是安全閥沒有定期進(jìn)行試驗(yàn)（X1），因而無法避免安全閥因機(jī)械原因失效；再者就是操作人員脫崗和巡查、監(jiān)視不到位。鍋爐缺水事故最小徑集也是3個(gè)，水位報(bào)警器（X1）失靈是最主要原因，其次是操作人員脫崗（X4）和排污閥故障（X2）。又由于鍋爐爆炸時(shí)相當(dāng)573kg TNT威力，且以鍋爐為中心，半徑為15．7m范圍內(nèi)都要受到嚴(yán)重傷害。因而從以下幾方面，建立防治措施。

1）借鑒爆炸危害半徑及擴(kuò)散半徑的計(jì)算，更加合理地選擇鍋爐房的位置，以避開重要的設(shè)施、設(shè)備和居民區(qū)［9］。

2）鍋爐的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用單位應(yīng)按照《鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法》、《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等國家法律法規(guī)執(zhí)行。

3）加強(qiáng)對(duì)鍋爐水蒸氣壓力上升的有效監(jiān)測，并做好相應(yīng)的防范措施。

4）提高作業(yè)人員的基本素質(zhì)和專業(yè)技能。及時(shí)組織作業(yè)人員參加崗位培訓(xùn)，確保作業(yè)人員持證上崗。司爐工必須嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，定期對(duì)安全閥、排污閥等進(jìn)行檢查。

5）企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)員工的安全教育，增強(qiáng)員工的安全意識(shí)，同時(shí)提高巡查和監(jiān)視力度，嚴(yán)禁操作人員脫崗［10］。

5 結(jié)論

1）對(duì)鍋爐系統(tǒng)爆炸的機(jī)理、危害和危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行了分析，并用TNT當(dāng)量法近似計(jì)算了事故爆炸能量和危害半徑，為鍋爐爆炸的防治提供了數(shù)據(jù)支持。

2）通過事故樹分析法，編制了鍋爐超壓事故樹和鍋爐缺水事故樹，從最小割（徑）集、結(jié)構(gòu)重要度等方面分析了鍋爐系統(tǒng)的爆炸事故。全面描述了各事件及其邏輯關(guān)系，為鍋爐系統(tǒng)事故的防治找到了側(cè)重點(diǎn)。

3）通過對(duì)理論和實(shí)際的分析，綜合的提出了鍋爐系統(tǒng)爆炸的防治策略，從鍋爐的位置、生產(chǎn)和使用，對(duì)員工的培訓(xùn)，加強(qiáng)安全教育等方面為鍋爐系統(tǒng)爆炸事故的安全防治提供了切實(shí)可行的措施。

［1］ 牛國慶，徐志勝，王海娟．鍋爐爆炸事故危害半徑的近似計(jì)算［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：447－451．

［2］ 宋維銀，張瑞．淺談鍋爐爆炸的機(jī)理和能量計(jì)算［J］．品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（21）：68．

［3］ 王沖．立式工業(yè)鍋爐蒸汽爆炸能量分析［J］．工業(yè)鍋爐，2012（1）：44－46．

［4］ 李文煒，狄剛，郭建平，等．LSC0．5－0．7－AII鍋爐爆炸事故的爆炸能量及危害半徑計(jì)算［J］．工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34（8）：30－32．

［5］ 包鋼．小型鍋爐超壓爆炸事故分析［J］．品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2012（12）：55．

［6］ 阿迪力江·依米提．一起鍋爐爆炸事故的原因分析［J］．石油和化工設(shè)備，201215（10）：88－89．

［7］ 蔣小云．事故樹分析法在防止鍋爐爆炸事故及安全管理中的應(yīng)用［J］．裝備制造技術(shù)，2010（7）：93－94，101．

［8］ 于洪波．鍋爐缺水和滿水事故分析［J］．黑龍江科技信息，2012（14）：23．

［9］ 趙傳靈．一起鍋爐爆炸事故引起的思考［J］．鍋爐制造，2012（5）：35－36，64．

［10］ 王斌．鍋爐爆炸事故分析與安全對(duì)策［J］．科協(xié)論壇，2010（1）：34－35．