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

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院 事故調查技術中心 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

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院 事故調查技術中心 上海 200333）

摘 要：本文針對一起立式橫水管燃煤正燒蒸汽鍋爐爆炸事故，擬從技術層面上對事故展開分析，從現場勘查、失效分析、性能測試、強度校核、爆破壓力估算等多個角度，探究并揭示事故發生的主要原因，在給出事故分析結論的基礎上，分別從設備制造層面和操作管理層面上，結合具體事故情況對該類事故提出事故警示和預防建議。

關鍵詞：鍋爐 事故 焊接缺陷 強度校核

1 事故概況

某金屬加工廠發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℃，額定蒸發量1.0t/h，鍋爐殼體厚度10mm，材料為20號鍋爐鋼。事發當日下午，司爐工對該事故鍋爐進行關閉引風機、打開爐門、添加燃料操作，此時壓力表值處于正常范圍內（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試合格后投入使用3年。據查，事故發生前，制造廠對該鍋爐進行過兩次維修，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。

本文擬從技術層面上對該事故展開分析，從現場勘查、失效分析、性能測試、強度校核、爆破壓力估算等多個角度，揭示事故主要原因，并結合具體事故情況對該類事故提出事故警示和預防建議。

2 事故現場勘查

經事故現場勘查發現，涉事鍋爐爆炸后的本體爆裂成數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倒塌，同時造成相鄰廠房內設備傾覆［見圖1（a）］；距鍋爐房最遠的一塊碎片飛至110m遠的居民住房屋頂，導致屋頂坍塌［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出水管、排污管、煙道等全部斷裂［見圖1（c）、圖1（d）、圖1（e）］。對現場事故鍋爐碎片進行收集、整理，發現鍋爐上的兩處明顯修補痕跡，修理中采用了在爐殼外體開矩形方孔的方式，通過矩形孔對鍋爐內部進行修補。圖1（f）為一塊沿四周焊縫斷裂的焊接鍋筒補板。

圖1 事故現場勘查情況圖

3 失效分析

3.1 取樣方法

為深入分析鍋爐爆炸原因，對鍋爐碎片割取6塊試樣展開分析。試樣編號、圖樣及對應取樣位置如圖2所示（圖2為根據鍋爐碎片形態，還原爆炸前鍋爐殼體展開示意圖，圖中粗灰實線為補板焊縫、粗黑實線為殼體制造焊縫、細紅實線為爆炸斷口），其中，1#樣取自圖1（f）中的整塊補板，2#樣取自圖1（d）殘體上與1#樣擁有共同一側短邊焊縫的部位，3#樣取自圖1（c）碎片中與1#樣擁有共同一側長邊焊縫的部位，4#樣取自圖1（d）殘體上帶有與1#樣擁有共同一側長邊焊縫的部位，5#樣取自圖1（c）中的鍋筒補板碎片，該補板四周焊縫未有明顯開裂。對上述各試樣進一步取小樣，分別進行宏觀檢查及金相顯微分析、力學性能檢測、超聲波檢測和表面滲透檢測。取樣位置如圖2所示。

圖2 鍋爐碎片復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兩塊補板均采用矩形開孔，尺寸分別為1450mm×410mm 和1500mm×420mm；補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，宏觀檢查發現，A、B補板焊縫均未按照全焊透的要求加工出V型或Y型坡口，板材僅是呈無坡口對接形式進行施焊，致使幾乎整條焊縫均呈現出嚴重的未焊透缺陷（見圖3），A補板上的爆炸破裂斷口均沿該補板四周的焊縫分布呈現［見圖1（f）］；經測量，在圖2所示A補板的斷口上，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補板上出現未焊透坡口的切割直邊深度約為3～5mm。

圖3 補板焊縫未焊透缺陷形貌

A補板因爆破而呈現S狀嚴重變形［見圖1（f）］，該補板一側的短邊焊縫斷口上呈現的有效熔深最小［見圖3（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向應力作用下，故分析認為該焊縫很可能是爆炸起始部位。在A補板焊縫發生完全斷裂并與鍋爐殼體分離后，所呈現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補板與鍋爐殼體的焊縫也不同程度地出現裂紋，且局部還出現了貫穿性開裂［見圖4（b）］，開裂位置同樣存在嚴重的焊縫根部未焊透缺陷。鍋爐碎片經拼接復原后可以看到，呈撕裂狀斷裂均發生于A補板矩形的四個頂角應力集中處，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生失穩快速擴展、瞬間斷裂的特征；B補板開裂斷口較平整，斷面上并呈灰色、較粗糙的纖維狀，表現出一定的韌性斷裂宏觀特征。

圖4 補板焊縫未焊透缺陷處開裂形貌

3.3 微觀分析

對圖2所示的取樣件進行金相觀察可知，A補板母材和與其相接的鍋爐殼體母材的材質一致，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，非金屬夾雜物未見異常（見圖5）。對初步判定的A補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，應為過熱態非正常顯微組織，說明根部對接面受到過熱影響，這應與板材切割采用火焰熱加工有關（見圖7）［1］。

圖5 A補板及其相鄰鍋爐殼體母材的微觀組織

圖6 A補板短邊焊縫微觀組織

圖7 A補板焊縫根部未焊透對界面微觀組織

4 力學性能檢測

對如圖2所示的拉伸性能試樣進行力學測試結果見表1，截取尚未完全斷裂的B補板的縱向焊縫試件（5-1）和橫向（5-2）焊縫試件，測試獲得其抗拉強度分別為16MPa、340MPa，均遠低于相關標準規定值（根據GB 713-2008，應不低于400MPa），力學性能的低劣性應是存在嚴重未焊透缺陷的結果。

表1 補板焊縫及相鄰殼體、補板母材力學性能

5 無損探傷檢測

對如圖2所示的A、B補板頂角處、鍋爐殼體內外表面存在應力集中的位置，進行超聲波檢測和表面滲透檢測，結果顯示上述位置的鍋爐筒體上均未發現可記錄的缺陷。該探傷結論有助于進一步確認補板焊縫的未焊透缺陷是導致結構失效的主要原因。

6 維修后鍋筒強度校核

根據GB/T 16508—1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》，基于A補板上經測量的焊縫實際最薄厚度2mm，進行強度校核。鍋筒最高允許計算壓力［p］：

式中：

Dn——鍋筒內徑，取1600mm；

ty——有效壁厚，取2mm。

因此，計算獲得該鍋爐額定出口壓力為0.7MPa，而從計算結果分析，該鍋爐修理后已無法達到原使用參數。事發前壓力表顯示數值為0.3MPa，大于鍋筒最高允許計算壓力［p］，這說明事發前設備存在嚴重的安全風險。

7 爆破壓力估算

根據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）經驗公式［2，3］：

其中：

σb——材料實際抗拉強度；

K——圓筒的外徑與內徑之比。

截取鍋筒殘體中尚未破裂的矩形補板上橫向焊縫、縱向焊縫，進行拉伸試驗，選取較小的抗拉強度值作為σb值代入上式計算：

經比較說明，該鍋爐額定出口壓力為0.7MPa，事發前壓力表顯示數值為0.3MPa，二者均大于pb的計算值，且pb計算值與修復后鍋筒最高允許計算壓力［p］相近。因此，從計算結果分析，鍋爐可能在較低的工作壓力下失效爆破。

8 事故結論

1）涉事鍋爐補板接縫處破裂的直接原因是：補板未按常規焊接工藝加工合格的坡口，單面焊導致所焊部位均出現未焊透工藝缺陷，產生嚴重的焊接質量問題，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，嚴重降低焊縫橫截面有效承載面積，焊縫結構的承壓承載能力下降。

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

3）涉事司爐工未按照其生產單位制定的《蒸汽鍋爐操作規程》相關規定，致使鍋爐在無人監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，據調查，該爆炸鍋爐存在設備超過定檢規定期限未檢、在超過定檢有效期的情況下擅自使用的情況；在該鍋爐的維修過程中，維修單位存在未制訂有效的鍋爐維修方案、派遣無有效證件的焊接人員進行修理施工和補板施焊、未辦理施工告知、未申報重大維修監督檢驗等情況。

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

9 事故警示

本起事故是鍋爐事故中比較典型的案例。鍋爐的安全運行不僅僅與鍋爐制造的產品質量相關，還與日常的正確維護、規范的使用、嚴格的管理和修理質量的控制相關。在《鍋爐安全技術監察規程》中，對操作工進行鍋爐壓火操作有明確規定，“鍋爐壓火后應當保證鍋水溫度、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程時都要求司爐工在壓火操作時、在爐內氣壓降到零位前，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《鍋爐操作規程》進行操作，是誘發事故的一個重要原因。此外，本案中對鍋爐實施維修的單位如果按要求制定合理的修理工藝、嚴格按照工藝進行修理，也可在很大程度上避免該事故。可見，了解鍋爐的基本設備技術知識，熟悉鍋爐使用管理的相關法規、規定，重視鍋爐的日常維護、使用管理，嚴格執行相關法規、規定的要求，對于避免鍋爐傷害事故具有十分重要的現實意義。

參考文獻

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［上海市質量技術監督局科研項目：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

作者簡介：李博（1986～），男，博士，從事先進焊接技術研究、特種設備制造與安全技術研究工作。

收稿日期：（2015-10-19）

中圖分類號：X933.2

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）06-0074-05

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