梁耀東 李之光

（北京盛昌之光鍋爐研發(fā)中心 北京 102600）

鍋爐汽水爆炸特點(diǎn)與始裂壓力估算方法

梁耀東 李之光

（北京盛昌之光鍋爐研發(fā)中心 北京 102600）

本文根據(jù)汽水爆炸理論分析與鍋爐熱態(tài)爆炸試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鍋爐汽水爆炸的特點(diǎn)、汽水爆炸能量、爆炸過程中壓力的變化及引發(fā)爆炸的必要條件、空氣沖擊波能量系數(shù)等進(jìn)行全面論述，并給出始裂壓力估算方法與事故分析示例。

鍋爐 汽水爆炸 爆炸能量 始裂壓力 空氣沖擊波能量系數(shù) 估算方法 事故分析

有壓的飽和水與蒸汽可能引發(fā)爆炸是涉及鍋爐安全的首要控制事項(xiàng)。早期的鍋爐，汽水爆炸事故較為頻繁[1-2]；以后，隨著技術(shù)進(jìn)步及管理嚴(yán)格，鍋爐爆炸事故逐漸減少，但至今仍有發(fā)生。

高壓（10MPa）以上鍋爐，國(guó)內(nèi)外至今從未發(fā)生過鍋筒汽水爆炸，其主要原因在于各環(huán)節(jié)均十分審慎對(duì)待所致。

鍋爐汽水爆炸一般皆發(fā)生在低壓小容量蒸汽與有壓或常壓熱水鍋爐上，主要由于疏于管理、運(yùn)行不當(dāng)（補(bǔ)水不處理、安全附件失靈、嚴(yán)重缺水、司爐違規(guī)，等）所致[3-5]。

由于鍋爐汽水爆炸一般皆發(fā)生在低壓鍋爐上，已有的很少實(shí)驗(yàn)研究也是針對(duì)低壓[6-8]，故本文論述以低壓鍋爐汽水爆炸為主。

導(dǎo)致汽水爆炸的始裂壓力頗重要，它涉及爆炸起因是屬于超壓爆炸（安全閥失靈等原因造成的），還是低壓爆炸（結(jié)垢過燒等原因造成的）。本文對(duì)鍋爐爆炸始裂壓力估算方法進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 鍋爐汽水爆炸特點(diǎn)

1.1 汽水爆炸過程

實(shí)測(cè)鍋筒模型汽水爆炸時(shí)介質(zhì)壓力的變化[6-7]見圖1。鍋爐汽水爆炸介質(zhì)壓力的上述變化規(guī)律見圖2。

由圖1可見：汽水爆炸過程的全部時(shí)間（圖2中的爆炸時(shí)間τb）極短——實(shí)測(cè)為幾十毫秒(ms)，即汽水爆炸的開始至結(jié)束僅在一瞬間。

由圖2可見，汽水爆炸由以下三個(gè)過程組成：

過程Ⅰ——受壓殼體最薄弱部位出現(xiàn)開口（圖2中a點(diǎn)），其附近的介質(zhì)與大氣相通并降壓（圖2中a-b線）。

圖1 φ260mm鍋筒模型汽水爆炸實(shí)測(cè)介質(zhì)壓力變化曲線

圖2 汽水爆炸介質(zhì)壓力變化示意圖

過程Ⅱ——介質(zhì)降壓使飽和溫度下降，介質(zhì)處于過熱狀態(tài)，導(dǎo)致鍋水急劇核態(tài)沸騰，引起裂口附近壓力上升（圖2中b-c線下部）。

過程Ⅲ——壓力上升導(dǎo)致裂口大開，全部介質(zhì)劇烈沸騰并大幅度升壓，撕裂容器，釋放出汽水全部能量，而形成鍋爐汽水爆炸（圖2中b-c線上部）。

局部開口后，只有開口周邊的強(qiáng)度抵擋不住升高的壓力，才可能使開口瞬時(shí)擴(kuò)展（撐開），引發(fā)內(nèi)部介質(zhì)全部汽化而劇烈膨脹，從而形成汽水爆炸。相反，局部壓力升高時(shí)，如果開口周邊強(qiáng)度較大（例如無(wú)原始裂紋等缺陷），則不可能形成大裂口，也就不可能發(fā)生汽水爆炸。例如，管子拔脫，而孔邊緣強(qiáng)度足夠不可能裂開時(shí)，介質(zhì)只能向外不斷噴出，不可能形成汽水爆炸，而屬于介質(zhì)噴泄降壓。由上述分析可見：裂口瞬時(shí)大開才是引發(fā)汽水爆炸的必要條件。

以上所述屬于蒸汽鍋爐爆炸過程，熱水鍋爐爆炸、高壓蒸汽管道爆炸與此類似。

1.2 始裂壓力與爆炸壓力

促使受壓部件最薄弱部位開始破裂的壓力（圖2中psl）稱始裂壓力，而受壓部件破口大開導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)劇烈膨脹，明顯升壓后的壓力最高值（圖2中pb）稱爆炸壓力。

按強(qiáng)度理論推算，無(wú)明顯缺陷正常運(yùn)行圓筒形受壓元件的始裂壓力應(yīng)為額定設(shè)計(jì)壓力的3倍以上。

2 汽水爆炸能量

由于汽水爆炸過程時(shí)間極短，介質(zhì)來(lái)不及換熱，可按熱力學(xué)絕熱等熵過程計(jì)算汽水爆炸釋放出的全部能量[9-10]。

汽水爆炸過程釋放出的全部能量，按等熵過程推導(dǎo)，可歸納成以下簡(jiǎn)單公式[9]：

式中：

Wo——與介質(zhì)壓力、容積有關(guān)的汽水爆炸時(shí)釋放出的全部能量，kJ；

V′、V″——爆炸前容器內(nèi)的水、汽容積，m3；

C′、C″——水、汽爆炸能量系數(shù)，kJ/m3，見圖3。

圖3 水、汽爆炸能量系數(shù)C′、C″

3 汽水爆炸能量的分配

汽水爆炸釋放出的全部能量Wo主要由以下三部分組成：

式中：

W1——爆炸介質(zhì)壓縮空氣形成空氣沖擊波所占部分能量；

W2——爆炸使殼體、碎片飛散（拋出）所占部分能量；

W3——爆炸后傳與大氣所占部分能量（混合、摩擦、擴(kuò)散、傳熱，等）。

3.1 空氣沖擊波能量（W1）

炸藥爆炸的空氣沖擊波能量關(guān)系式經(jīng)試驗(yàn)換算[11-14]表述為：

式中：

Δpmax——空氣沖擊波峰值超壓（見本文之4），MPa；

W1——空氣沖擊波能量，kJ；

R——距離，m。

低壓鍋爐汽水爆炸實(shí)驗(yàn)[6-8]表明，上述公式也適用于汽水爆炸，因?yàn)檎ㄋ幈ㄅc汽水爆炸皆壓縮周圍空氣形成空氣沖擊波，兩者性質(zhì)一樣。

式(2)是依據(jù)空中爆炸，沖擊波無(wú)限傳播試驗(yàn)所得。鍋爐的鍋筒（鍋殼）爆炸皆高于地面，故也近似應(yīng)用此式[6-8]。顯然，露天布置鍋爐各處破壞適用此式，鍋爐房四壁的毀壞也適用；而鍋爐房以外各處的沖擊波會(huì)有所減弱；另外，靠墻壁處，應(yīng)疊加反射沖擊波的能量。應(yīng)用式（2）求沖擊波能量W1時(shí)，應(yīng)根據(jù)爆炸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況考慮上述問題，參見本文之5的爆炸事故始裂壓力的估算方法與分析示例。

空氣沖擊波能量占全部汽水爆炸能量的份額η稱空氣沖擊波能量系數(shù)：

原兵器工業(yè)部第五設(shè)計(jì)院有豐富測(cè)試爆炸能量經(jīng)驗(yàn)。由該院協(xié)助兩次測(cè)試不同材料（碳鋼、鑄鐵、鋁）大量模擬鍋筒等元件與試驗(yàn)鍋爐完成爆炸試驗(yàn)工作。由測(cè)試結(jié)果[6-8]得出空氣沖擊波能量系數(shù)η見表1。

表1 低壓鍋爐爆炸空氣沖擊波能量系數(shù)η

3.2 爆炸拋出物體能量（W2）

大量資料給出，容器爆炸拋出物體的能量W2的值為總能量的15%～30%，文獻(xiàn)[15]給出值約為19%，即所占份額并不大。

容器爆炸拋出物體的初速度與飛行距離估算：

1）初速度。

拋出物體的初速度wo可按下式估算：

式中：

W2——爆炸拋出物體的動(dòng)能，J；

wo——拋出物體的初速度，m/s。

本文5爆炸分析例2中爆炸全部能量Wo=13.3×104kJ； 爆炸拋出物體的動(dòng)能W2取Wo的20%，則 W2=0.2×13.3×104kJ=2.66×104kJ；爆炸拋出物體的質(zhì)量總和由式（4）得：

2）飛行距離。

不考慮空氣阻力時(shí)，按普通物理運(yùn)動(dòng)學(xué)，拋出距離[16]頗大：

如α=30°，飛行距離L達(dá)992m。

考慮空氣阻力時(shí)，如質(zhì)量較大，由于阻力引起的減速度a并不大，則飛行距離不會(huì)明顯減?。?/p>

式中：

C——阻力系數(shù)，低于音速[17]，取0.17；

f——迎風(fēng)面積（皆以最小形態(tài)飛行），

w——不同位置的飛行速度，m/s；

m——拋出破損鍋殼的質(zhì)量，4770kg。

3.3 爆炸傳與大氣的能量（W3）

由以上W1與W2數(shù)據(jù)可見，對(duì)于低壓工業(yè)鍋爐，汽水爆炸總能量Wo中扣除W1與W2后，傳與大氣的能量W3占有較大部分。

4 空氣沖擊波及其破壞后果

一般用空氣沖擊波陣面上的峰值超壓大小來(lái)衡量沖擊波的破壞作用。

圖4為空氣沖擊波試驗(yàn)曲線舉例。圖中Δpmax為最大壓力與大氣壓力之差值，稱峰值超壓。

圖4 距起爆中心某距離的沖擊波曲線

各有關(guān)文獻(xiàn)共識(shí)的峰值超壓Δpmax對(duì)建筑物的破壞程度見表2，對(duì)暴露人員的損傷程度見表3。

表2 沖擊波對(duì)建筑物的破壞程度

表3 沖擊波對(duì)暴露人員的損傷程度

5 爆炸事故始裂壓力的估算方法與分析示例

5.1 始裂壓力的估算方法

1）根據(jù)爆炸現(xiàn)場(chǎng)距爆炸中心不同距離R處，按建筑破壞或人員傷害情況確定沖擊波超壓Δpmax（見本文之4的表2與表3）。再按式（2）用Excel程序或手算試湊法求出爆炸空氣沖擊波消耗的能量W1，盡量求幾個(gè)地點(diǎn)的W1平均值。

2）根據(jù)鍋爐始裂處結(jié)構(gòu)與材質(zhì)，按本文之3中表1取空氣沖擊波能量系數(shù)η。

3）由求得的W1與η，按式（3）得爆炸全部能量Wo。

4）設(shè)一始裂壓力值，按鍋水與蒸汽的容積V′、V″，并按圖3與式（1）求得一Wo，如此Wo與3）按沖擊波能量系數(shù)計(jì)算的Wo基本一致，則所設(shè)始裂壓力值即被確定。

應(yīng)指出，根據(jù)爆炸現(xiàn)場(chǎng)破壞情況確定的沖擊波超壓Δpmax，以及根據(jù)鍋爐始裂處結(jié)構(gòu)與材質(zhì)取的空氣沖擊波能量系數(shù)η，皆有一定的近似性。因此，應(yīng)盡可能多點(diǎn)取值，并各取平均值來(lái)確定始裂壓力。

5.2 汽水爆炸始裂壓力估算與事故分析示例

例1：KZL2-8型（2t/h,0.8MPa表壓）鍋爐爆炸始裂壓力估算與事故原因分析[18]——含鍋爐房炸毀對(duì)沖擊波能量的吸收份額

1）情況調(diào)查。

爆炸事故死亡5人、重傷3人、輕傷2人，鍋爐房遭毀滅性破壞。

爆炸后，鍋爐本體翻轉(zhuǎn)180°，落在距鍋爐基礎(chǔ)5m處。

鍋爐運(yùn)行僅一年，無(wú)水垢。鍋爐后管板4根短拉撐全部拉脫，沿第一排孔橋與扳邊處撕開一塊1300×560mm管板，飛出125m。

安全閥堵死失效，分汽缸主汽閥關(guān)閉。

2）金屬材料鑒定。

化學(xué)、機(jī)械、金相、硬度性能全合格；斷口分析正常。

3）始裂壓力估算。

距鍋爐5m處鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鍋爐房嚴(yán)重坍塌，參照表2，取Δpmax≈0.3MPa。

由式（2）得爆炸中心（鍋爐處）的沖擊波能量：

由式（3）得爆炸全部能量：

爆炸前的水、汽容積V′、V″各為4.3m3；

由式（1）得：

它接近前述按沖擊波能量系數(shù)計(jì)算所得的48×104kJ，則所設(shè)始裂壓力基本正確。

始裂壓力3.3MPa已達(dá)額定設(shè)計(jì)壓力0.8MPa的4.1倍，表明破裂處的強(qiáng)度足夠。

4）結(jié)論。

鍋爐強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理；主要是管理不善、司爐責(zé)任心不強(qiáng)造成的典型超壓爆炸事故。

注：距鍋爐50m處另一車間大部分玻璃破碎，參照表2，取Δpmax≈0.005MPa。

由式（2）得沖擊波能量：

鍋爐處沖擊波能量因鍋爐房破壞會(huì)被吸收一部分，則初始W1≈12×104kJ被吸收了37.5%。表明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鍋爐房破壞吸收了三分之一多的沖擊波能量。

例2：DZL型（4t/h，1.25MPa）鍋爐爆炸始裂壓力估算與事故分析——含墻壁反射波的增大倍數(shù)

1）情況調(diào)查。

當(dāng)場(chǎng)3人死亡；距鍋爐5m處輕鋼結(jié)構(gòu)暫設(shè)鍋爐房完全炸毀；鍋殼整體（含內(nèi)部煙管及鍋內(nèi)部件）飛離距鍋爐房約500m。

2）始裂壓力估算。

距鍋爐5m處輕鋼暫設(shè)結(jié)構(gòu)鍋爐房完全炸毀，參照表2，取Δpmax≈0.1MPa。

由式（2）得：

按表1取沖擊波能量系數(shù)η=0.2（后管板孔排處起爆）。

則爆炸全部能量：

設(shè)始裂壓力為0.85MPa，按圖 1，

得爆炸全部能量：

與前述按沖擊波能量系數(shù)計(jì)算得到的Wo基本接近，則所設(shè)始裂壓力為0.85MPa基本正確。

始裂壓力為0.85MPa，僅為額定設(shè)計(jì)壓力1.25 MPa的0.68倍。

3）事故分析。

此例爆炸物體拋出距離達(dá)500m是可能的，計(jì)算分析見本文3.2；此外，鍋殼爆炸于后管板大開口，鍋內(nèi)全部介質(zhì)瞬間向后噴射，使得鍋殼受到向前飛行的強(qiáng)大推力，也促使鍋殼飛行較遠(yuǎn)。

注：距鍋爐約在無(wú)損壞的墻附近工人致死，參照表3，取Δpmax≈0.08MPa。

由式（2）得：

則反射波能量約為入射波（2.65×104kJ）的1.9倍。可見，鍋爐房墻壁的反射波占有較大的能量份額[11，19]。

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Characteristics of Boiler Steam-water Explosion and the Fracture Pressure Estimating Method

Liang Yaodong Li Zhiguang
(Beijing Shengchang Zhi-guang Boiler Research Center Beijing 102600)

Based on the theory analysis of explosion and test result of boiler real explosion, the steam-water explosion energy and instantaneous power, pressure change process of explosion, the necessary condition to cause explosion, air shock wave energy coef fi cient and so on have carried on the comprehensive discussion, and the fracture pressure estimation method is given.

Boiler Steam-water explosion Explosion energy Fracture pressure Air shock wave energy coef fi cient Estimation method Accident analysis

X933.2

B

1673-257X(2017)09-0034-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.007

梁耀東（1960～)，男，本科，總工程師，高級(jí)工程師，從事鍋爐及熱能設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

梁耀東，E-mail： 13901211869@163.com。

2016-12-06）