基于能量轉移理論分析立式鍋爐爆炸損傷控制

劉震杰 童良懷

(衢州市特種設備檢驗中心 衢州 324000)

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

1 爆炸機理分析

蒸汽鍋爐運行狀態下，當承壓部件的強度無法滿足要求，產生破裂時，鍋爐汽水側的水汽會從破口處泄漏，導致汽水側壓力急劇下降，壓力下降又使飽和水汽化，導致壓力再次上升，沖擊破口使其不斷擴大，當大量的水汽噴瀉而出時，會出現汽體體積的急劇膨脹，直至形成強大的爆炸沖擊波，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，大部分能量會以沖擊波的形式作用于周邊，造成人員傷亡及財產的損失。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瞬時過程，不存在較大的換熱損失，為了簡化計算將該過程視為絕熱膨脹過程，爆炸的能量按表1計算。

表1 爆炸能量計算公式匯總表[2]

3 爆炸損害半徑

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

式中：

R0——目標與基準爆炸中心的相當距離；

R——目標距爆炸源的距離；

wTNT0——基準爆炸能量；

Δp0——基準處的超壓；

Δp(R) ——目標處的超壓；

α——炸藥爆炸試驗的模擬比。

根據事故能量的損傷機理，只要沖擊波超壓達到一定值時，便會對目標造成一定的傷害或破壞。根據爆炸沖擊波的超壓與爆炸中心距離的關系，可以確定各級損傷半徑，死亡半徑R1、重傷半徑R2及輕傷半徑R3按式（3）～式（5)計算確定，依據沖擊波超壓對人體傷害表[3]選取傷害人員超壓值Δps，重傷取44kPa；輕傷取17kPa；p0為環境壓力(101kPa)；R'為折算距離。

建筑物的破壞半徑由式（6）計算可得，K按英國建筑破壞等級劃分表選取4.6[5]，該分級可作為財產損失半徑，即該半徑內財產大量損失，半徑外財產基本完好。

4 能量轉移理論應用

當前，相關的規范標準就鍋爐凈距有所規定，主要出于操作與檢修方便的考慮，注重空間節約，并未涉及控制鍋爐爆炸的沖擊波損傷，大多數鍋爐使用單位在鍋爐使用管理方面，也缺乏該方面的針對性考慮。使用單位在鍋爐爆炸的損傷控制方面應落實特種設備安全的主體責任，與此同時，規范對檢驗機構就鍋爐房在安裝監檢方面也提出了要求。針對上述需要，鍋爐的安裝與使用管理可以借助能量轉移理論來指導鍋爐爆炸損傷控制。

1）2014年9月，浙江省某企業型號為LSG0.05-0.4-SM的立式蒸汽鍋爐在使用過程中發生爆炸，爆炸形成的巨大破壞力，導致3人傷亡，兩間房屋部分倒塌[6]，根據事故調查，死者為鍋爐操作工，受傷人員為處于鍋爐房隔壁車間內工人，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所示為爆炸現場的示意圖，對照表2相近爐型LHC0.06-0.39的損傷半徑，現場情況與計算值基本吻合。

表2 不同蒸汽產量鍋爐的爆炸當量及相關傷害半徑

圖1 鍋爐爆炸事故現場示意圖距離單位（mm）

2）利用鍋爐爆炸計算結果，表2中兩種額定工作壓力下的立式鍋爐不同蒸汽產量的計算結果匯總，可作為鍋爐房泄壓空間的確定依據；根據損傷半徑，確定損傷區域，繪制鍋爐爆炸損傷區域劃分圖，如圖2所示，在此基礎上進行安全分級管理，可系統且有效地控制鍋爐爆炸損傷。

圖2 鍋爐的爆炸損傷區域劃分示意圖

3）當鍋爐設置在人口密集區或重要設備附近時，在土地資源比較緊張的情況下無法保障安全距離，依據表2數據通過增加防爆墻等防護措施可有效地控制鍋爐爆炸的損傷。

5 結論

1）根據事故能量轉移理論，對鍋爐爆炸的機理與損傷進行分析，并通過計算得出鍋爐爆炸能量和損傷半徑，計算結果與爆炸案例情況基本吻合。

2）提出了能量轉移理論在鍋爐安裝與使用管理方面的應用，可有效補充當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防[J].中國特種設備安全， 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]國家安全生產監督管理局. 安全評價[M]. 北京：煤炭工業出版社，2003.

[4]牛國慶，徐志勝，徐彧，等. 鍋爐爆炸原因分析與事故后果模擬[J]. 遼寧工程技術大學學報，2005，24(06)： 9 09-912.

[5]張永樂. 淺談鍋爐爆炸的原因、爆炸的能量及預防措施[J]. 電器工廠設計，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.