一起立式锅炉炉胆失稳事故的分析与思考
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摘要：文章分析了一台立式锅炉炉胆失稳事故产生的原因，并提出了相应的预防措施。
关键词：立式锅炉；炉胆失稳 ；原因分析；事故预防
中图分类号：TK229 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）18-0150-02
立式锅炉广泛应用于各类小型用汽企业，如浴室、饭店、服装厂等，该类锅炉具有结构简单、操作维修方便、占地面积小、基建投资少等优点。但由于该类锅炉是整体焊接，刚性大、泄压释放点少、水容积小，进水快，缺水也快，炉胆直接受到高温辐射且承受外压，很容易失稳。还有此类锅炉一般自动化程度低，司炉工文化程度低，企业管理水平低，以致锅炉事故频发，以下就近期的一起立式锅炉炉胆失稳事故来进行深度分析，提出相应预防类似事故的措施。
1 事故概况及原因分析
该锅炉炉胆顶完全塌陷，前方正视下塌最深部分达300mm，下塌炉胆外露部分表面有致密的朱红色氧化铁。高温火焰区有烟灰和氧化皮剥落。对炉胆下塌处金属进行金相分析表明：金属晶粒为6～7级，珠光体晶粒度有球化现象，金属过热温度为再结晶温度535℃以上，说明该锅炉在运行过程中金属经受较长时间过热，金属在过热状态下强度骤降，塑性升高。由于炉胆承受外压产生的应力超过了材料的屈服限， 使炉胆压溃凹陷。具体事故经过及原因如下：司炉工违规操作，锅炉给水采用降压注水方式，司炉工采用注水后关闭主汽阀门烧炉升压（实行所谓“一锅一锅的烧”）。该锅炉给水管路上的止回阀失效已久，当锅炉水位低时司炉工一般打开给水管路上截止阀后启给水泵供水，但该事故发生时，锅炉已严重缺水司炉工试图打开给水泵供水时，此时炉内压力已高过给水泵压头，启泵不起，使得炉内饱和汽水混合物倒灌至给水箱，司炉工观察水位计无显示，以为炉内已注满水，在水位情况不明时没有进行“叫水”操作，但此时炉内已经严重缺水，司炉工又添煤猛烧，直至安全阀起跳、给水箱里大量蒸汽喷出后，司炉工才意识到问题的严重性，但此时锅炉损坏事故已经酿成。
2 事故分析推断反验证
2.1 对炉胆进行强度和稳定性校核计算如下
炉胆材料为20g，炉胆厚度8mm，计算长度L=1200mm， Dp=640mm，（数据来源于出厂检验数据）
n2=3.9 稳定安全系数，按照文献[2]选取。
炉胆稳定性公式（式1，按文献[2]）表明在炉胆结构尺寸一定的情况下，最高允许工作压力正比于炉胆材料的弹性模量E，由于弹性模量E反比与炉胆温度，因此炉胆温度越高，炉胆的最高允许工作压力越低。即在同样的应力水平下，炉胆温度越高，炉胆越容易产生稳定性失效。
在锅炉水循环正常，炉胆得到可靠冷却的工况下，可取tbj=250℃，相应Et=1.74×105MPa，则炉胆最高允许工作压力。
但当炉胆缺水干烧时，炉胆壁温可达500℃以上，取金相报告提供的温度525℃，查得相应金属的弹性模量Et=75×103MPa故此时炉胆最高允许工作压力[P]=0.222MPa。由于当时安全阀起跳，安全阀的整定压力为0.41MPa，远远大于当时炉胆的最高允许工作压力[P]=0.222MPa，故由计算结果可以断定，该锅炉炉胆在535℃壁温的情况下，承受远大于当时炉胆的最高允许外压而导致炉胆失稳炉胆顶塌陷。
2.2 计算炉胆失稳时锅炉内的总能量
锅炉内部的总能量来自两方面：一是锅筒内的高压蒸汽膨胀。由于锅炉爆炸是在极短的时间内发生的，高压蒸汽来不及与外界热交换，释放的能量可视为绝热膨胀所作的功。二是饱和水迅速汽化、继续膨胀所作的功。由于安全阀压力排放使液面压力瞬间释放下降为大气压，原工作压力下的饱和水此时变得极不稳定，变成在大气压下难以存在的“过饱和水”，大部分即瞬时汽化，体积骤然膨胀许多倍，在炉内空间形成巨大的能量。
E=ES+EW=VSCS+VWCW
式中：
E——总释放能量
ES——爆炸能量蒸汽
EW——饱和水爆炸能量
VS——蒸汽体积
VW——饱和水体积
CS——蒸汽爆炸能量系数
CW——饱和水爆炸能量系数
经查表可知压缩水蒸气的爆炸能量系数CS=3.25×104kj/m3
饱和水能量系数为：CW=8.31×102kj/m3
该锅炉爆炸总释放能量为：
E=3.25×104×1+8.31×102×1≈3.3×104（kJ）
小小炉内蕴藏的能量惊人！
3 事故预防措施
3.1 从直接原因提出相应对策（运行方面）
多数事故的发生，都是由于司炉人员责任心不强，技术生疏或忙乱处置所致，因此司炉人员应该严格执行操作规程，尤其对水位变化和锅炉压力进行严格监视，以防锅炉缺水超压。
3.1.1 水位表至少每班冲洗一次，以防止水位表汽水连管的堵塞，形成虚假水位。
3.1.2 定期做安全阀手动或自动排气试验，以防止安全阀芯锈死、与阀体粘连。
3.1.3 加强锅炉水质处理工作。尽量减少锅炉结垢引发的受热面鼓包或垢下腐蚀。
3.1.4 定期检验，避免锅炉主要承压部件带缺陷运行。
3.2 从锅炉监管的7个环节提出对策（锅炉监管方面）
据统计立式小锅炉事故占所有锅炉事故的70%～80%，所以此类小锅炉应该作为特检、质监部门的重点检验、监管对象，对小锅炉的事故预防，应从生产源头、使用管理、司炉工培训等严格把关，强调企业负责与政府监管并重。对将常压热水锅炉私自改装成承压锅炉的行为以及无证粗制滥造的锅炉要坚决查封。
4 结语
由于此类立式小锅炉升温、升压快、水容积、热惯性小，在运行中非常容易出现超温、超压现象。炉胆的稳定性将随着壁温的升高急剧降低，如锅炉同时处于超压状态，炉胆极易产生失稳现象，而且由于锅炉蒸发量小，容易被检验人员忽视，希望通过该事故案例，暴露出给该类锅炉的薄弱点，监察、检验部门把此类立式小锅炉作为以后的监察管控的重点。让企业接受预防为主的安全价值观，以案说法、举一反三，起到安全教育的作用。
参考文献
[1] 冯维君.锅炉爆炸事故原因分析与对策[J].中国锅炉压力容器安全，1999，15（3）；43-45.
[2] 锅壳锅炉受压元件强度计算（GB/T16508-1996）[S].
作者简介：余普洲（1984-），男，甘肃平凉人，内江市特种设备监督检验所助理工程师，研究方向：锅炉理论、锅炉检验、改造。