承壓蒸汽鍋爐常見事故分析及預(yù)防

楊飛飛，姜雪峰

（紅河州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南蒙自 661100）

1 承壓蒸汽鍋爐事故

從技術(shù)角度按照設(shè)備的損壞程度，承壓蒸汽鍋爐可分為三種類型：

（1）普通事故，是指沒有導(dǎo)致鍋爐重大損壞的事故，如發(fā)生爆管，或者其他承壓部件泄漏等影響鍋爐安全運(yùn)行，但未造成其他傷害；

（2）較嚴(yán)重事故，是指造成鍋爐受損嚴(yán)重，必須停爐大修的事故，如鍋爐筒體、封頭、管板、爐膽、爐膽頂、下腳圈、集箱等主要承壓部件嚴(yán)重變形或者泄漏，爐膛爆炸導(dǎo)致爐墻倒塌或者鋼架嚴(yán)重變形等[4]；

（3）失效事故，是指承壓蒸汽鍋爐的關(guān)鍵部位在受壓狀態(tài)下瞬間嚴(yán)重開裂，使?fàn)t內(nèi)壓力急劇下降到大氣壓，在失效的瞬間，從裂口處噴出的高溫高壓的汽水降至大氣壓時(shí)迅速汽化導(dǎo)致體積急劇膨脹，能量快速釋放，絕大部份能量只能作用于鍋爐，在噴射的反作用力下造成鍋爐位移，對(duì)于立式鍋爐，一般會(huì)造成鍋爐本體騰空而起，高度幾米至十幾米，距離十幾米至幾十米，對(duì)于臥式鍋爐一般會(huì)造成嚴(yán)重位移，位移距離往往幾十米甚至上百米，并且此類事故在發(fā)生的瞬間造成汽浪沖擊，該類事故能夠摧毀和震壞建筑物造成嚴(yán)重破壞和傷亡。

2 普通事故的預(yù)防和處理措施

紅河州大部分地區(qū)原水硬度高，若水處理設(shè)備不完善，容易導(dǎo)致鍋爐內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，受熱面?zhèn)鳠釔夯?，鍋爐換熱頻繁部位容易過燒[3]、變形、泄漏，如水冷壁管、對(duì)流管、立式鍋爐橫水管、爐排管等。此類管道由于長期受熱，水垢產(chǎn)生后附著于管子內(nèi)壁，導(dǎo)致傳熱惡化，導(dǎo)致管子外壁長期超溫，在高溫和應(yīng)力的作用下，金屬內(nèi)部晶界處產(chǎn)生珠光體碳化物球化并增大，產(chǎn)生二次再結(jié)晶的粗大晶粒，同時(shí)發(fā)生蠕變，在晶界處先產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)壁溫達(dá)到了金屬抗氧化臨界溫度以上，管子內(nèi)壁保護(hù)膜被高溫汽水混合物氧化產(chǎn)生一層較厚氧化鐵，由于金屬跟氧化鐵熱膨脹量不一致，氧化鐵層受應(yīng)力作用，并在高溫汽水混合物的作用下，氧化鐵層最終會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)后，新的金屬?zèng)]有保護(hù)膜，在金屬拉應(yīng)力和內(nèi)壁汽水混合物的作用下發(fā)生腐蝕，加快裂紋的深度發(fā)展，造成沿晶界的應(yīng)力腐蝕裂紋，最終導(dǎo)致事故發(fā)生?；蛘咚干伤俾侍?，在內(nèi)壁附著超過3 mm，外壁溫度迅速升高，這種情況下金屬蠕變速率持續(xù)增加，直至破裂。

使用單位應(yīng)建立健全安全管理制度，完善管理操作規(guī)程及應(yīng)急預(yù)案，完善水處理設(shè)備，加強(qiáng)司爐人員及水處理人員的培訓(xùn)，要求司爐人員嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定使用，在有條件的情況下，定期進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)，能很好地防止此類事故發(fā)生。

3 較嚴(yán)重事故的預(yù)防和處理措施

鍋爐筒體、封頭、管板、爐膽、爐膽頂、下腳圈、集箱等主要承壓部件并不屬于換熱頻繁部位[5]，在發(fā)生普通事故時(shí)，這些部件往往從外部還無法觀察到異常，但其實(shí)已經(jīng)有水垢堆積，使用單位若不進(jìn)行清理，同時(shí)也未加強(qiáng)水質(zhì)管理，這些地方水垢堆積量繼續(xù)增加，到無法換熱后過燒、變形甚至泄漏，如某單位立式鍋爐下腳圈變形后打開檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水垢由下腳圈堆積至筒體，水垢堆積厚度達(dá)380 mm，此時(shí)水垢堆積部位換熱能力基本失效，長期累積導(dǎo)致事故發(fā)生；又如某企業(yè)臥式鍋殼鍋爐鍋筒底部鼓包，停爐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鍋筒底部鼓包位置水垢堆積嚴(yán)重，該爐火焰經(jīng)過該處時(shí)換熱不及時(shí)，長期運(yùn)行導(dǎo)致過燒、變形。此種情況金屬失效過程較為緩慢，主要由高溫蠕變引起，金屬高溫蠕變應(yīng)力主要來源于晶粒內(nèi)的位錯(cuò)滑移和晶粒間的運(yùn)動(dòng)，蠕變過程緩慢而不可逆，在蠕變開始時(shí)，晶粒因?yàn)槲诲e(cuò)滑移產(chǎn)生變形，此時(shí)晶粒與晶界、晶粒相互干涉導(dǎo)致應(yīng)力集中，同時(shí)，通過局部晶粒產(chǎn)生變形帶或扭折帶導(dǎo)致松弛，這一階段金屬內(nèi)部硬化大于松弛，蠕變速率下降。當(dāng)晶粒被變形帶或者扭著帶分割，通過刃型位錯(cuò)的攀移-多邊化過程產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)，這種亞結(jié)構(gòu)的大小隨溫度增加而增加，此時(shí)運(yùn)行鍋爐加快了蠕變速率，當(dāng)蠕變進(jìn)行到一定時(shí)候，將導(dǎo)致晶界運(yùn)動(dòng)。晶界有兩種運(yùn)動(dòng)方式：晶界滑移，即晶界在切應(yīng)力作用下，在晶界面上相互移動(dòng)，晶界遷動(dòng)，即晶界在垂直于晶界方向上的運(yùn)動(dòng)。在一般情況下晶界滑移與晶界遷動(dòng)不可能單獨(dú)進(jìn)行，晶界滑移所產(chǎn)生的應(yīng)力要由晶界遷動(dòng)來消除后才能繼續(xù)進(jìn)行，但受熱應(yīng)力影響，晶界遷動(dòng)不能及時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致晶界交點(diǎn)處應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過晶界結(jié)合力時(shí)，出現(xiàn)晶間裂紋，隨著時(shí)間累積，裂紋不斷擴(kuò)張和出現(xiàn)新裂紋，直至金屬失效或者破裂[2]。

使用單位應(yīng)定期進(jìn)行內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)水垢應(yīng)及時(shí)清理，尤其是發(fā)生普通事故時(shí)，應(yīng)對(duì)鍋爐進(jìn)行全面清理，能很好地防止此類事故發(fā)生。

4 失效事故的預(yù)防和處理措施

鍋爐失效有兩種情況，一是超過鍋爐設(shè)計(jì)壓力導(dǎo)致鍋爐失效，導(dǎo)致鍋爐超過設(shè)計(jì)壓力的原因可能有：（1）安全閥、壓力表全部失靈；（2）操作人員擅離職守或玩忽職守，安全閥失靈；（3）鍋爐設(shè)計(jì)或制造有最大缺陷。二是正常壓力下鍋爐失效，導(dǎo)致正常壓力下的原因可能有：（1）鍋爐缺水，承壓部件過熱后進(jìn)水，導(dǎo)致鍋爐失效；此次失效事故就屬于這種情況；（2）改造不當(dāng)，造成改造后結(jié)構(gòu)不符合要求；（3）修理質(zhì)量過差，導(dǎo)致鍋爐承壓能力下降；（4）制造缺陷在運(yùn)行過程中發(fā)展到不能承受正常運(yùn)行壓力；（5）鍋爐承壓部件嚴(yán)重腐蝕減薄，無法承受正常工作壓力；（6）苛性脆化導(dǎo)致承壓部件強(qiáng)度降低；（7）承壓部件扳邊圓弧處裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致應(yīng)力集中使部件突然破裂[4]。

鍋爐缺水或承壓部件過熱后進(jìn)水導(dǎo)致鍋爐失效是非常嚴(yán)重的鍋爐失效事故，由于承壓部件過熱后強(qiáng)度降低，進(jìn)水后壓力急劇升高，此時(shí)爐內(nèi)壓力可能瞬間超過設(shè)計(jì)壓力，此次事故因?yàn)槭鹿拾l(fā)生地沒有監(jiān)控，無法準(zhǔn)確判斷，但經(jīng)后續(xù)調(diào)查和分析，事故發(fā)生時(shí)，安全閥處于開啟狀態(tài)，經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)拆卸后描述為“反沖盤導(dǎo)向套與反沖盤，有過熱跡象且嚴(yán)重粘死，密封面有輕微銹蝕”。鍋爐位移距離達(dá)18米，如圖1。

圖1 事故現(xiàn)場位置示意圖

具體事故分析如下。

（1）爐膽封頭、沖天管受爐膛火焰及高溫?zé)煔庾顝?qiáng)烈的沖刷部位，爐膽封頭及爐膽水垢較厚造成金屬傳熱效果差，缺水后造成沖天管、爐膽封頭、爐膽過熱。

（2）操作人員違規(guī)操作，未按《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.1.7（1）鍋爐水位低于水位表最低可見邊緣時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停爐。鍋爐進(jìn)水后造鍋內(nèi)的水瞬間汽化，壓力急劇增高。

（3）安全閥委托鑒定報(bào)告可以得出安全閥在事故發(fā)生時(shí)是處于開啟狀態(tài)。

（4）過熱后的沖天管、爐膽、爐膽封頭鋼材的強(qiáng)度急劇下降，造成沖天管、爐膽封頭、爐膽變形，爐膽封頭撕裂（鍋爐爐膽封頭是鍋爐應(yīng)力集中及強(qiáng)度薄弱區(qū)域）。從裂口處噴出的高溫高壓的汽水降至大氣壓時(shí)迅速汽化導(dǎo)致體積急劇膨脹，能量快速釋放，沖天管受壓變形后，絕大部份能量只能作用于鍋爐底座，巨大蒸汽能量噴射于鍋爐底座，在噴射的反作用力下造成鍋爐位移[6]。

圖2 鍋爐受損示意圖

（5）現(xiàn)場未懸掛粘貼相關(guān)操作規(guī)程和安全警示，未嚴(yán)格按安全操作規(guī)程操作可認(rèn)為是此次事故發(fā)生的直接原因。

事故導(dǎo)致鍋爐嚴(yán)重受損，如圖2所示。

為有效防止鍋爐失效事故發(fā)生，給出以下建議：（1）加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)，建立完善的使用管理制度；（2）應(yīng)使用符合規(guī)程的安全附件；（3）現(xiàn)場應(yīng)懸掛粘貼必要的操作規(guī)程和安全警示標(biāo)志；（4）購買鍋爐時(shí)應(yīng)購買符合國家相關(guān)規(guī)程規(guī)范的合格產(chǎn)品；（5）鍋爐安裝、修理及改造應(yīng)委托具有相應(yīng)資質(zhì)的單位嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，杜絕私自修理；（6）應(yīng)注意鍋爐維護(hù)保養(yǎng)，尤其是停爐或長期停爐的保養(yǎng)；（7）使用過程中若發(fā)現(xiàn)問題無法判定時(shí)，應(yīng)向當(dāng)?shù)貦z驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)申請(qǐng)校驗(yàn)；（8）屬于《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》目錄范圍內(nèi)的鍋爐，應(yīng)當(dāng)按照法律法規(guī)的規(guī)定注冊(cè)登記和檢驗(yàn)[1]。