一起立式橫水管燃煤蒸汽鍋爐爆炸事故分析與警示

李 博 吳興華 梁 驍 黃文和

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 事故調(diào)查技術(shù)中心 上海 200333）

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一起立式橫水管燃煤蒸汽鍋爐爆炸事故分析與警示

李 博 吳興華 梁 驍 黃文和

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 事故調(diào)查技術(shù)中心 上海 200333）

摘 要：本文針對(duì)一起立式橫水管燃煤正燒蒸汽鍋爐爆炸事故，擬從技術(shù)層面上對(duì)事故展開分析，從現(xiàn)場(chǎng)勘查、失效分析、性能測(cè)試、強(qiáng)度校核、爆破壓力估算等多個(gè)角度，探究并揭示事故發(fā)生的主要原因，在給出事故分析結(jié)論的基礎(chǔ)上，分別從設(shè)備制造層面和操作管理層面上，結(jié)合具體事故情況對(duì)該類事故提出事故警示和預(yù)防建議。

關(guān)鍵詞：鍋爐 事故 焊接缺陷 強(qiáng)度校核

1 事故概況

某金屬加工廠發(fā)生一起鍋爐爆炸事故。涉事鍋爐為立式橫水管燃煤正燒蒸汽鍋爐，額定出口壓力0.7MPa，額定溫度170℃，額定蒸發(fā)量1.0t/h，鍋爐殼體厚度10mm，材料為20號(hào)鍋爐鋼。事發(fā)當(dāng)日下午，司爐工對(duì)該事故鍋爐進(jìn)行關(guān)閉引風(fēng)機(jī)、打開爐門、添加燃料操作，此時(shí)壓力表值處于正常范圍內(nèi)（約0.3MPa）；在距上述操作約380min，該鍋爐突然爆炸，巨大沖擊力造成該公司廠房、設(shè)備及周邊部分建筑物受損，所幸未造成人員傷亡。該鍋爐由某鍋爐制造廠安裝調(diào)試合格后投入使用3年。據(jù)查，事故發(fā)生前，制造廠對(duì)該鍋爐進(jìn)行過(guò)兩次維修，并有在鍋筒上切割開方孔的操作歷史，用于更換損壞的爐管。

本文擬從技術(shù)層面上對(duì)該事故展開分析，從現(xiàn)場(chǎng)勘查、失效分析、性能測(cè)試、強(qiáng)度校核、爆破壓力估算等多個(gè)角度，揭示事故主要原因，并結(jié)合具體事故情況對(duì)該類事故提出事故警示和預(yù)防建議。

2 事故現(xiàn)場(chǎng)勘查

經(jīng)事故現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，涉事鍋爐爆炸后的本體爆裂成數(shù)塊碎片飛散在鍋爐房周圍，爆炸沖擊波造成鍋爐房大部分墻體和屋頂?shù)顾?，同時(shí)造成相鄰廠房?jī)?nèi)設(shè)備傾覆［見圖1（a）］；距鍋爐房最遠(yuǎn)的一塊碎片飛至110m遠(yuǎn)的居民住房屋頂，導(dǎo)致屋頂坍塌［見圖1（b）］；鍋爐安全閥已飛至隔壁廠家并已解體；鍋筒封頭以及與爐體連接的進(jìn)出水管、排污管、煙道等全部斷裂［見圖1（c）、圖1（d）、圖1（e）］。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)事故鍋爐碎片進(jìn)行收集、整理，發(fā)現(xiàn)鍋爐上的兩處明顯修補(bǔ)痕跡，修理中采用了在爐殼外體開矩形方孔的方式，通過(guò)矩形孔對(duì)鍋爐內(nèi)部進(jìn)行修補(bǔ)。圖1（f）為一塊沿四周焊縫斷裂的焊接鍋筒補(bǔ)板。

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)勘查情況圖

3 失效分析

3.1 取樣方法

為深入分析鍋爐爆炸原因，對(duì)鍋爐碎片割取6塊試樣展開分析。試樣編號(hào)、圖樣及對(duì)應(yīng)取樣位置如圖2所示（圖2為根據(jù)鍋爐碎片形態(tài)，還原爆炸前鍋爐殼體展開示意圖，圖中粗灰實(shí)線為補(bǔ)板焊縫、粗黑實(shí)線為殼體制造焊縫、細(xì)紅實(shí)線為爆炸斷口），其中，1#樣取自圖1（f）中的整塊補(bǔ)板，2#樣取自圖1（d）殘?bào)w上與1#樣擁有共同一側(cè)短邊焊縫的部位，3#樣取自圖1（c）碎片中與1#樣擁有共同一側(cè)長(zhǎng)邊焊縫的部位，4#樣取自圖1（d）殘?bào)w上帶有與1#樣擁有共同一側(cè)長(zhǎng)邊焊縫的部位，5#樣取自圖1（c）中的鍋筒補(bǔ)板碎片，該補(bǔ)板四周焊縫未有明顯開裂。對(duì)上述各試樣進(jìn)一步取小樣，分別進(jìn)行宏觀檢查及金相顯微分析、力學(xué)性能檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和表面滲透檢測(cè)。取樣位置如圖2所示。

圖2 鍋爐碎片復(fù)原示意圖及取樣位置

3.2 宏觀檢查

涉事鍋爐殼體厚度10mm；圖2所示的A、B兩塊補(bǔ)板均采用矩形開孔，尺寸分別為1450mm×410mm 和1500mm×420mm；補(bǔ)板與鍋爐殼體連接方式為單面手工焊接頭，焊縫表面成形較差，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，A、B補(bǔ)板焊縫均未按照全焊透的要求加工出V型或Y型坡口，板材僅是呈無(wú)坡口對(duì)接形式進(jìn)行施焊，致使幾乎整條焊縫均呈現(xiàn)出嚴(yán)重的未焊透缺陷（見圖3），A補(bǔ)板上的爆炸破裂斷口均沿該補(bǔ)板四周的焊縫分布呈現(xiàn)［見圖1（f）］；經(jīng)測(cè)量，在圖2所示A補(bǔ)板的斷口上，焊縫的根部坡口切割直邊深度約為5～9.5mm，最大值約9.5mm，而有效焊縫熔深僅為2mm；在B補(bǔ)板上出現(xiàn)未焊透坡口的切割直邊深度約為3～5mm。

圖3 補(bǔ)板焊縫未焊透缺陷形貌

A補(bǔ)板因爆破而呈現(xiàn)S狀嚴(yán)重變形［見圖1（f）］，該補(bǔ)板一側(cè)的短邊焊縫斷口上呈現(xiàn)的有效熔深最?。垡妶D3（a）］，焊縫橫向的拉伸承載面積也最小，而該短邊焊縫又恰處于鍋爐殼體的環(huán)向應(yīng)力作用下，故分析認(rèn)為該焊縫很可能是爆炸起始部位。在A補(bǔ)板焊縫發(fā)生完全斷裂并與鍋爐殼體分離后，所呈現(xiàn)的斷面走向基本與該焊縫中心線重合，也即是該焊縫根部未焊透缺陷的存在位置［見圖4（a）］。值得注意的是，B補(bǔ)板與鍋爐殼體的焊縫也不同程度地出現(xiàn)裂紋，且局部還出現(xiàn)了貫穿性開裂［見圖4（b）］，開裂位置同樣存在嚴(yán)重的焊縫根部未焊透缺陷。鍋爐碎片經(jīng)拼接復(fù)原后可以看到，呈撕裂狀斷裂均發(fā)生于A補(bǔ)板矩形的四個(gè)頂角應(yīng)力集中處，斷口表面平整且較粗糙，斷面呈45°剪切唇特征并伴隨有收縮變形形貌，顯示出因受剪切力作用而產(chǎn)生失穩(wěn)快速擴(kuò)展、瞬間斷裂的特征；B補(bǔ)板開裂斷口較平整，斷面上并呈灰色、較粗糙的纖維狀，表現(xiàn)出一定的韌性斷裂宏觀特征。

圖4 補(bǔ)板焊縫未焊透缺陷處開裂形貌

3.3 微觀分析

對(duì)圖2所示的取樣件進(jìn)行金相觀察可知，A補(bǔ)板母材和與其相接的鍋爐殼體母材的材質(zhì)一致，顯微組織均為呈帶狀的鐵素體和珠光體，鐵素體晶粒度約為8.5級(jí)，非金屬夾雜物未見異常（見圖5）。對(duì)初步判定的A補(bǔ)板爆炸起始部位的短邊焊縫取樣分析，焊縫顯微組織顯示正常（見圖6），而根部未焊透缺陷截面的組織特征是含有沿奧氏體晶界析出的鐵素體和珠光體、包括少量魏氏組織，應(yīng)為過(guò)熱態(tài)非正常顯微組織，說(shuō)明根部對(duì)接面受到過(guò)熱影響，這應(yīng)與板材切割采用火焰熱加工有關(guān)（見圖7）［1］。

圖5 A補(bǔ)板及其相鄰鍋爐殼體母材的微觀組織

圖6 A補(bǔ)板短邊焊縫微觀組織

圖7 A補(bǔ)板焊縫根部未焊透對(duì)界面微觀組織

4 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)如圖2所示的拉伸性能試樣進(jìn)行力學(xué)測(cè)試結(jié)果見表1，截取尚未完全斷裂的B補(bǔ)板的縱向焊縫試件（5-1）和橫向（5-2）焊縫試件，測(cè)試獲得其抗拉強(qiáng)度分別為16MPa、340MPa，均遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（根據(jù)GB 713-2008，應(yīng)不低于400MPa），力學(xué)性能的低劣性應(yīng)是存在嚴(yán)重未焊透缺陷的結(jié)果。

表1 補(bǔ)板焊縫及相鄰殼體、補(bǔ)板母材力學(xué)性能

5 無(wú)損探傷檢測(cè)

對(duì)如圖2所示的A、B補(bǔ)板頂角處、鍋爐殼體內(nèi)外表面存在應(yīng)力集中的位置，進(jìn)行超聲波檢測(cè)和表面滲透檢測(cè)，結(jié)果顯示上述位置的鍋爐筒體上均未發(fā)現(xiàn)可記錄的缺陷。該探傷結(jié)論有助于進(jìn)一步確認(rèn)補(bǔ)板焊縫的未焊透缺陷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要原因。

6 維修后鍋筒強(qiáng)度校核

根據(jù)GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》，基于A補(bǔ)板上經(jīng)測(cè)量的焊縫實(shí)際最薄厚度2mm，進(jìn)行強(qiáng)度校核。鍋筒最高允許計(jì)算壓力［p］：

式中：

Dn——鍋筒內(nèi)徑，取1600mm；

ty——有效壁厚，取2mm。

因此，計(jì)算獲得該鍋爐額定出口壓力為0.7MPa，而從計(jì)算結(jié)果分析，該鍋爐修理后已無(wú)法達(dá)到原使用參數(shù)。事發(fā)前壓力表顯示數(shù)值為0.3MPa，大于鍋筒最高允許計(jì)算壓力［p］，這說(shuō)明事發(fā)前設(shè)備存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。

7 爆破壓力估算

根據(jù)工程上推薦的已被普遍使用的圓筒形壓力容器爆破壓力（pb）經(jīng)驗(yàn)公式［2，3］：

其中：

σb——材料實(shí)際抗拉強(qiáng)度；

K——圓筒的外徑與內(nèi)徑之比。

截取鍋筒殘?bào)w中尚未破裂的矩形補(bǔ)板上橫向焊縫、縱向焊縫，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，選取較小的抗拉強(qiáng)度值作為σb值代入上式計(jì)算：

經(jīng)比較說(shuō)明，該鍋爐額定出口壓力為0.7MPa，事發(fā)前壓力表顯示數(shù)值為0.3MPa，二者均大于pb的計(jì)算值，且pb計(jì)算值與修復(fù)后鍋筒最高允許計(jì)算壓力［p］相近。因此，從計(jì)算結(jié)果分析，鍋爐可能在較低的工作壓力下失效爆破。

8 事故結(jié)論

1）涉事鍋爐補(bǔ)板接縫處破裂的直接原因是：補(bǔ)板未按常規(guī)焊接工藝加工合格的坡口，單面焊導(dǎo)致所焊部位均出現(xiàn)未焊透工藝缺陷，產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接質(zhì)量問(wèn)題，未焊透缺陷致使焊縫根部極易萌生裂紋，且填充金屬熔深不足，嚴(yán)重降低焊縫橫截面有效承載面積，焊縫結(jié)構(gòu)的承壓承載能力下降。

2）爆炸發(fā)生瞬間，補(bǔ)板因焊縫破裂而脫離鍋筒，爐水瞬間汽化產(chǎn)生的壓力急增，同時(shí)，由于補(bǔ)板采用不合理的矩形開孔方式，使鍋爐殼體與矩形補(bǔ)板對(duì)應(yīng)的各頂角位置存在高度的應(yīng)力集中，極易誘發(fā)裂紋并快速撕裂、破壞并最終形成碎片。

3）涉事司爐工未按照其生產(chǎn)單位制定的《蒸汽鍋爐操作規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，致使鍋爐在無(wú)人監(jiān)管的情況下仍保持一定的壓力，從而為鍋爐爆炸提供了直接的壓力源。

另外，據(jù)調(diào)查，該爆炸鍋爐存在設(shè)備超過(guò)定檢規(guī)定期限未檢、在超過(guò)定檢有效期的情況下擅自使用的情況；在該鍋爐的維修過(guò)程中，維修單位存在未制訂有效的鍋爐維修方案、派遣無(wú)有效證件的焊接人員進(jìn)行修理施工和補(bǔ)板施焊、未辦理施工告知、未申報(bào)重大維修監(jiān)督檢驗(yàn)等情況。

綜上，該起事故是因鍋爐維修單位的返修工藝不當(dāng)、焊接接頭質(zhì)量低下，使用單位管理不到位、操作人員違反安全操作規(guī)程等因素綜合造成的特種設(shè)備事故。

9 事故警示

本起事故是鍋爐事故中比較典型的案例。鍋爐的安全運(yùn)行不僅僅與鍋爐制造的產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)，還與日常的正確維護(hù)、規(guī)范的使用、嚴(yán)格的管理和修理質(zhì)量的控制相關(guān)。在《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中，對(duì)操作工進(jìn)行鍋爐壓火操作有明確規(guī)定，“鍋爐壓火后應(yīng)當(dāng)保證鍋水溫度、壓力不回升和鍋爐不缺水”。所以，鍋爐使用單位在制定操作規(guī)程時(shí)都要求司爐工在壓火操作時(shí)、在爐內(nèi)氣壓降到零位前，司爐工不得離開崗位，且要有可靠的保證措施。本案中的鍋爐操作人員未按照《鍋爐操作規(guī)程》進(jìn)行操作，是誘發(fā)事故的一個(gè)重要原因。此外，本案中對(duì)鍋爐實(shí)施維修的單位如果按要求制定合理的修理工藝、嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行修理，也可在很大程度上避免該事故?？梢姡私忮仩t的基本設(shè)備技術(shù)知識(shí)，熟悉鍋爐使用管理的相關(guān)法規(guī)、規(guī)定，重視鍋爐的日常維護(hù)、使用管理，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)法規(guī)、規(guī)定的要求，對(duì)于避免鍋爐傷害事故具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ 鐘振前，朱衍勇，王曉輝，等.鋼板火焰切割失效分析［J］.物理測(cè)試，2010，28（01）：38-41.

［2］ 柳愛(ài)群，楊中，楊燁.圓筒形壓力容器爆破壓力經(jīng)驗(yàn)公式的改進(jìn)［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2013，35（05）：652-656.

［3］ 盛水平.厚壁圓筒容器的承壓能力及安全裕度［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，1990，11（02）：18-21.

［4］ 詹葉玉生.《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》學(xué)習(xí)探討［J］.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2013，06：19-22+27.

［上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研項(xiàng)目：No.2015-38］

Investigation and Warning of an Explosion Accident of Vertical Horizontal Pipe Coal-fired Steam Boiler

Li Bo Wu Xinghua Liang Xiao Huang Wenhe
（Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research，Accident Investigation Center Shanghai 200333）

AbstractThe present paper is based on an explosion accident of vertical horizontal pipe coal-fired steam boiler. The accident investigation is performed. The analysis is proposed technically from the crime scene investigation，failure analysis， performance testing， intensity check and burst pressure estimation. According to the above analysis，the main cause of the accident is revealed. On the basis of the accident analysis， combined with the specific accident， the warning and preventive suggestions of this kind of accidents are proposed in the aspects of equipment manufacturing and operation management.

KeywordsBoiler Accident Welding defect Intensity check

作者簡(jiǎn)介：李博（1986～），男，博士，從事先進(jìn)焊接技術(shù)研究、特種設(shè)備制造與安全技術(shù)研究工作。

收稿日期：（2015-10-19）

中圖分類號(hào)：X933.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）06-0074-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.019