基于能量轉(zhuǎn)移理論分析立式鍋爐爆炸損傷控制

劉震杰 童良懷

(衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心 衢州 324000)

常用爐型中立式蒸汽鍋爐的安全性是最差的[1]，在我國(guó)發(fā)生的爆炸事故最多，俗稱“炮彈爐”，基于事故能量轉(zhuǎn)移理論思想，分析鍋爐爆炸的機(jī)理，結(jié)合立式爐特點(diǎn)，選用Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion（BELEVE）[2]模型，采用TNT當(dāng)量法計(jì)算鍋爐爆炸的能量，計(jì)算爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓，并在此基礎(chǔ)上得出損傷半徑，依此來控制爆炸損傷。

1 爆炸機(jī)理分析

蒸汽鍋爐運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)承壓部件的強(qiáng)度無法滿足要求，產(chǎn)生破裂時(shí)，鍋爐汽水側(cè)的水汽會(huì)從破口處泄漏，導(dǎo)致汽水側(cè)壓力急劇下降，壓力下降又使飽和水汽化，導(dǎo)致壓力再次上升，沖擊破口使其不斷擴(kuò)大，當(dāng)大量的水汽噴瀉而出時(shí)，會(huì)出現(xiàn)汽體體積的急劇膨脹，直至形成強(qiáng)大的爆炸沖擊波，具有極大的損傷力。鍋爐爆炸釋放的能量少量[3]消耗于承壓部件破口等，大部分能量會(huì)以沖擊波的形式作用于周邊，造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)的損失。鍋爐爆炸釋放的能量與鍋爐的工作壓力和水容積成正比關(guān)系，壓力越高、水容積越大，爆炸損傷危害就越大。

2 爆炸能量

由于鍋爐爆炸幾乎是一個(gè)瞬時(shí)過程，不存在較大的換熱損失，為了簡(jiǎn)化計(jì)算將該過程視為絕熱膨脹過程，爆炸的能量按表1計(jì)算。

表1 爆炸能量計(jì)算公式匯總表[2]

3 爆炸損害半徑

鍋爐爆炸發(fā)生后，沖擊波壓力會(huì)出現(xiàn)多次瞬間升高，然后迅速下降的過程，并逐次衰減。爆炸初始階段產(chǎn)生的最大正壓力即為沖擊波波陣面上的超壓Δp。爆炸產(chǎn)生沖擊波的傷害與破壞作用主要由超壓產(chǎn)生。鍋爐爆炸的沖擊波超壓[4]通過如下公式確定：

式中：

R0——目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的相當(dāng)距離；

R——目標(biāo)距爆炸源的距離；

wTNT0——基準(zhǔn)爆炸能量；

Δp0——基準(zhǔn)處的超壓；

Δp(R) ——目標(biāo)處的超壓；

α——炸藥爆炸試驗(yàn)的模擬比。

根據(jù)事故能量的損傷機(jī)理，只要沖擊波超壓達(dá)到一定值時(shí)，便會(huì)對(duì)目標(biāo)造成一定的傷害或破壞。根據(jù)爆炸沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關(guān)系，可以確定各級(jí)損傷半徑，死亡半徑R1、重傷半徑R2及輕傷半徑R3按式（3）～式（5)計(jì)算確定，依據(jù)沖擊波超壓對(duì)人體傷害表[3]選取傷害人員超壓值Δps，重傷取44kPa；輕傷取17kPa；p0為環(huán)境壓力(101kPa)；R'為折算距離。

建筑物的破壞半徑由式（6）計(jì)算可得，K按英國(guó)建筑破壞等級(jí)劃分表選取4.6[5]，該分級(jí)可作為財(cái)產(chǎn)損失半徑，即該半徑內(nèi)財(cái)產(chǎn)大量損失，半徑外財(cái)產(chǎn)基本完好。

4 能量轉(zhuǎn)移理論應(yīng)用

當(dāng)前，相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)就鍋爐凈距有所規(guī)定，主要出于操作與檢修方便的考慮，注重空間節(jié)約，并未涉及控制鍋爐爆炸的沖擊波損傷，大多數(shù)鍋爐使用單位在鍋爐使用管理方面，也缺乏該方面的針對(duì)性考慮。使用單位在鍋爐爆炸的損傷控制方面應(yīng)落實(shí)特種設(shè)備安全的主體責(zé)任，與此同時(shí)，規(guī)范對(duì)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)就鍋爐房在安裝監(jiān)檢方面也提出了要求。針對(duì)上述需要，鍋爐的安裝與使用管理可以借助能量轉(zhuǎn)移理論來指導(dǎo)鍋爐爆炸損傷控制。

1）2014年9月，浙江省某企業(yè)型號(hào)為L(zhǎng)SG0.05-0.4-SM的立式蒸汽鍋爐在使用過程中發(fā)生爆炸，爆炸形成的巨大破壞力，導(dǎo)致3人傷亡，兩間房屋部分倒塌[6]，根據(jù)事故調(diào)查，死者為鍋爐操作工，受傷人員為處于鍋爐房隔壁車間內(nèi)工人，鍋爐爆炸造成鍋爐北面、東面的平房墻壁部分倒塌，附近的房屋門窗玻璃損壞，部分墻壁開裂，圖1所示為爆炸現(xiàn)場(chǎng)的示意圖，對(duì)照表2相近爐型LHC0.06-0.39的損傷半徑，現(xiàn)場(chǎng)情況與計(jì)算值基本吻合。

表2 不同蒸汽產(chǎn)量鍋爐的爆炸當(dāng)量及相關(guān)傷害半徑

圖1 鍋爐爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)示意圖距離單位（mm）

2）利用鍋爐爆炸計(jì)算結(jié)果，表2中兩種額定工作壓力下的立式鍋爐不同蒸汽產(chǎn)量的計(jì)算結(jié)果匯總，可作為鍋爐房泄壓空間的確定依據(jù)；根據(jù)損傷半徑，確定損傷區(qū)域，繪制鍋爐爆炸損傷區(qū)域劃分圖，如圖2所示，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全分級(jí)管理，可系統(tǒng)且有效地控制鍋爐爆炸損傷。

圖2 鍋爐的爆炸損傷區(qū)域劃分示意圖

3）當(dāng)鍋爐設(shè)置在人口密集區(qū)或重要設(shè)備附近時(shí)，在土地資源比較緊張的情況下無法保障安全距離，依據(jù)表2數(shù)據(jù)通過增加防爆墻等防護(hù)措施可有效地控制鍋爐爆炸的損傷。

5 結(jié)論

1）根據(jù)事故能量轉(zhuǎn)移理論，對(duì)鍋爐爆炸的機(jī)理與損傷進(jìn)行分析，并通過計(jì)算得出鍋爐爆炸能量和損傷半徑，計(jì)算結(jié)果與爆炸案例情況基本吻合。

2）提出了能量轉(zhuǎn)移理論在鍋爐安裝與使用管理方面的應(yīng)用，可有效補(bǔ)充當(dāng)前鍋爐爆炸損傷控制方面的不足。

[1]盛水平，許林滔，程正米，等. 鍋爐安全性比較及爆炸事故預(yù)防[J].中國(guó)特種設(shè)備安全， 2009，25(12)：71-74.

[2]Center for chemical process safety of the American Institute of chemical engineers. Guidelines for evaluating the characteristic of vapor cloud explosions， flash fires，and BLEVEs[M]. 1994.

[3]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局. 安全評(píng)價(jià)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[4]牛國(guó)慶，徐志勝，徐彧，等. 鍋爐爆炸原因分析與事故后果模擬[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(06)： 9 09-912.

[5]張永樂. 淺談鍋爐爆炸的原因、爆炸的能量及預(yù)防措施[J]. 電器工廠設(shè)計(jì)，2005（02）：31-33.

[6]陳征宇，肖彬，劉杰，等. 某小型立式蒸汽鍋爐爆炸原因分析[J].鍋爐制造，2015(05)：14-16.