承壓蒸汽鍋爐常見事故分析及預防

楊飛飛，姜雪峰

（紅河州質量技術監督綜合檢測中心，云南蒙自 661100）

1 承壓蒸汽鍋爐事故

從技術角度按照設備的損壞程度，承壓蒸汽鍋爐可分為三種類型：

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

（2）較嚴重事故，是指造成鍋爐受損嚴重，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重變形或者泄漏，爐膛爆炸導致爐墻倒塌或者鋼架嚴重變形等[4]；

（3）失效事故，是指承壓蒸汽鍋爐的關鍵部位在受壓狀態下瞬間嚴重開裂，使爐內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迅速汽化導致體積急劇膨脹，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，對于立式鍋爐，一般會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，對于臥式鍋爐一般會造成嚴重位移，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重破壞和傷亡。

2 普通事故的預防和處理措施

紅河州大部分地區原水硬度高，若水處理設備不完善，容易導致鍋爐內部結垢嚴重，受熱面傳熱惡化，鍋爐換熱頻繁部位容易過燒[3]、變形、泄漏，如水冷壁管、對流管、立式鍋爐橫水管、爐排管等。此類管道由于長期受熱，水垢產生后附著于管子內壁，導致傳熱惡化，導致管子外壁長期超溫，在高溫和應力的作用下，金屬內部晶界處產生珠光體碳化物球化并增大，產生二次再結晶的粗大晶粒，同時發生蠕變，在晶界處先產生微裂紋，當壁溫達到了金屬抗氧化臨界溫度以上，管子內壁保護膜被高溫汽水混合物氧化產生一層較厚氧化鐵，由于金屬跟氧化鐵熱膨脹量不一致，氧化鐵層受應力作用，并在高溫汽水混合物的作用下，氧化鐵層最終會出現裂紋，裂紋出現后，新的金屬沒有保護膜，在金屬拉應力和內壁汽水混合物的作用下發生腐蝕，加快裂紋的深度發展，造成沿晶界的應力腐蝕裂紋，最終導致事故發生。或者水垢生成速率太快，在內壁附著超過3 mm，外壁溫度迅速升高，這種情況下金屬蠕變速率持續增加，直至破裂。

使用單位應建立健全安全管理制度，完善管理操作規程及應急預案，完善水處理設備，加強司爐人員及水處理人員的培訓，要求司爐人員嚴格按照相關規定使用，在有條件的情況下，定期進行水質化驗，能很好地防止此類事故發生。

3 較嚴重事故的預防和處理措施

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]，在發生普通事故時，這些部件往往從外部還無法觀察到異常，但其實已經有水垢堆積，使用單位若不進行清理，同時也未加強水質管理，這些地方水垢堆積量繼續增加，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，發現水垢由下腳圈堆積至筒體，水垢堆積厚度達380 mm，此時水垢堆積部位換熱能力基本失效，長期累積導致事故發生；又如某企業臥式鍋殼鍋爐鍋筒底部鼓包，停爐檢驗發現鍋筒底部鼓包位置水垢堆積嚴重，該爐火焰經過該處時換熱不及時，長期運行導致過燒、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，金屬高溫蠕變應力主要來源于晶粒內的位錯滑移和晶粒間的運動，蠕變過程緩慢而不可逆，在蠕變開始時，晶粒因為位錯滑移產生變形，此時晶粒與晶界、晶粒相互干涉導致應力集中，同時，通過局部晶粒產生變形帶或扭折帶導致松弛，這一階段金屬內部硬化大于松弛，蠕變速率下降。當晶粒被變形帶或者扭著帶分割，通過刃型位錯的攀移-多邊化過程產生亞結構，這種亞結構的大小隨溫度增加而增加，此時運行鍋爐加快了蠕變速率，當蠕變進行到一定時候，將導致晶界運動。晶界有兩種運動方式：晶界滑移，即晶界在切應力作用下，在晶界面上相互移動，晶界遷動，即晶界在垂直于晶界方向上的運動。在一般情況下晶界滑移與晶界遷動不可能單獨進行，晶界滑移所產生的應力要由晶界遷動來消除后才能繼續進行，但受熱應力影響，晶界遷動不能及時進行，導致晶界交點處應力集中，當應力超過晶界結合力時，出現晶間裂紋，隨著時間累積，裂紋不斷擴張和出現新裂紋，直至金屬失效或者破裂[2]。

使用單位應定期進行內部檢查，發現水垢應及時清理，尤其是發生普通事故時，應對鍋爐進行全面清理，能很好地防止此類事故發生。

4 失效事故的預防和處理措施

鍋爐失效有兩種情況，一是超過鍋爐設計壓力導致鍋爐失效，導致鍋爐超過設計壓力的原因可能有：（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）鍋爐設計或制造有最大缺陷。二是正常壓力下鍋爐失效，導致正常壓力下的原因可能有：（1）鍋爐缺水，承壓部件過熱后進水，導致鍋爐失效；此次失效事故就屬于這種情況；（2）改造不當，造成改造后結構不符合要求；（3）修理質量過差，導致鍋爐承壓能力下降；（4）制造缺陷在運行過程中發展到不能承受正常運行壓力；（5）鍋爐承壓部件嚴重腐蝕減薄，無法承受正常工作壓力；（6）苛性脆化導致承壓部件強度降低；（7）承壓部件扳邊圓弧處裂紋擴展，導致應力集中使部件突然破裂[4]。

鍋爐缺水或承壓部件過熱后進水導致鍋爐失效是非常嚴重的鍋爐失效事故，由于承壓部件過熱后強度降低，進水后壓力急劇升高，此時爐內壓力可能瞬間超過設計壓力，此次事故因為事故發生地沒有監控，無法準確判斷，但經后續調查和分析，事故發生時，安全閥處于開啟狀態，經檢驗機構拆卸后描述為“反沖盤導向套與反沖盤，有過熱跡象且嚴重粘死，密封面有輕微銹蝕”。鍋爐位移距離達18米，如圖1。

圖1 事故現場位置示意圖

具體事故分析如下。

（1）爐膽封頭、沖天管受爐膛火焰及高溫煙氣最強烈的沖刷部位，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）操作人員違規操作，未按《鍋爐安全技術監察規程》第8.1.7（1）鍋爐水位低于水位表最低可見邊緣時，應當立即停爐。鍋爐進水后造鍋內的水瞬間汽化，壓力急劇增高。

（3）安全閥委托鑒定報告可以得出安全閥在事故發生時是處于開啟狀態。

（4）過熱后的沖天管、爐膽、爐膽封頭鋼材的強度急劇下降，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力集中及強度薄弱區域）。從裂口處噴出的高溫高壓的汽水降至大氣壓時迅速汽化導致體積急劇膨脹，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）現場未懸掛粘貼相關操作規程和安全警示，未嚴格按安全操作規程操作可認為是此次事故發生的直接原因。

事故導致鍋爐嚴重受損，如圖2所示。

為有效防止鍋爐失效事故發生，給出以下建議：（1）加強對操作人員的培訓，建立完善的使用管理制度；（2）應使用符合規程的安全附件；（3）現場應懸掛粘貼必要的操作規程和安全警示標志；（4）購買鍋爐時應購買符合國家相關規程規范的合格產品；（5）鍋爐安裝、修理及改造應委托具有相應資質的單位嚴格按照相關規定進行，杜絕私自修理；（6）應注意鍋爐維護保養，尤其是停爐或長期停爐的保養；（7）使用過程中若發現問題無法判定時，應向當地檢驗檢測機構申請校驗；（8）屬于《中華人民共和國特種設備安全法》目錄范圍內的鍋爐，應當按照法律法規的規定注冊登記和檢驗[1]。