一台立式锅炉爆炸事故分析

　　摘要：分析厂立式横水管锅炉炉胆的稳定性，讨论了高温下炉胆失稳的可能性 分析了锅炉爆炸事故的产生原因，提出了防止过热情况下立式锅炉炉胆失稳的措施。

　　关键词：立式横水管锅炉；缺水；失稳；爆炸。

　　1．事故概况

　　2004年l2月，我市某单位一台立式横水管锅炉运行半4,B,-t后，司炉工，发现锅炉水位表看不见水位，遂停止引风机，开启给水泵，随即发生锅炉爆炸。事故造成锅炉房严重受损，司炉工被烫伤。

　　1．1锅炉基本情况

  1．进水口2．炉门圈3．横水管4．锅壳5．炉胆

　　爆炸锅炉为LSSO．3-0．4-Y立式横水管锅炉，结构简图见图l，额定蒸发量0．3t／h，额定压力0．4Mpa。为增加受热面，该炉在炉膛内布置了数层密排横水管，管排轴线相互平行：进水管布置在炉门圈左侧。炉胆材料为20g，板厚6=8mm。

　　1．2事故检查

横水管两侧炉胆发生严重塌陷，塌陷部位沿横水管轴线近似成对称分布，如图2所示。

 　　炉门圈上部第一排横水管两侧塌陷最为严重，横水管受炉胆挤压严重变形。炉胆与炉门圈上部角焊缝撕裂。金相分析表明，炉门圈上部第一排横水管及其附近炉胆有过热现象存在。

　　2．立式横水管锅炉炉胆的稳定性分析

　　火稳是指对于刚性不是很大的承受外压的元件，应力远未达到屈服极限，却失去原来的形状，产生压扁或折皱的现象。导致元件失稳的最小压力称为临界载荷Per。失稳产生的破坏是不可逆转的，设计时应使元件具有足够的稳定性，避免火稳现象的发生。

　　从炉胆剖面图(图3)可以看出，对于立式横水管锅炉， 由于横水管的加强作刚，横水管管孑L区附近的炉胆的稳定性大大提高；而横水管两侧的炉胆由于缺少约束，整个炉胆的不稳定性集中于此。

　　横水管两侧炉胆的受力状况可简化为承受外压的两端固定的圆拱(图4)。根据炉胆剖面图可以得到圆拱的儿何参数，其中R=414mm，Y=45。。

　　文献【1】指出，对于两端固定的圆拱，其理论临界载荷P’c= F而L[ 等 ]j ㈩)

　　其中：E⋯ 材料的弹性模量，Mpa

　　I一一一惯性矩，mm

　　R一一一半径，mm

　　L一炉胆长度，mm

　　Y⋯ 圆拱张角，rad

　　锅炉实际运行过程中，各种不稳定因素，如受热不均、初始椭圆度、炉胆过热后急速冷却时产生的附加压应力，会降低炉胆的稳定性。文献【2】在计算卧式锅炉平炉胆稳定性时，引入了稳定性安全系数n以表征上述不稳定因素对稳定性的影响。参照文献【2)的作法，引入稳定性安全系数n，并取n=3．9，则临界载荷Pcr为Pcr= 而L[ 吾一-]j ‘2)在正常工况下，炉胆温度在250℃左右，相应弹性模量E=I．887 X 105MPa[ 1。根据式(2)，Pcr=0．448MPa>0．4Mpa。即正常工况下，炉胆不会产生失稳现象。实际上，文献【2】在计算立式锅炉炉胆壁厚时并未考虑稳定性对壁厚的影响。

　　炉胆温度在600℃ 时， 相应弹性模量E=1．24 X 105MPa[ 1， Per：0．295M Pa<0．4Mpa。碳素钢过热时，温度将超过700℃ ，由于E与温度成反比，过热时炉胆Pcr<0．4Mpa，即炉胆过热时，在止常工作压力下存在失稳的可能性。 ．

　　3．事故原因分析

　　锅炉缺水后干烧，导致炉胆过热，Pcr降低。司炉工盲目进水后，给水瞬间大量汽化，锅炉内部压力骤然伸高；同时进水口附近炉胆内壁急速冷却，产生附加压应力，导致P>Pcr。进水口附近炉胆过热最为严重，首先失稳，且变形量最大。炉胆塌陷导致横水管受压严重变形，并在横水管口区域产生附加拉应力，使得强度较差的炉门圈角焊缝撕裂，最终导致锅炉爆炸。

　　4．改进措施

　　我所的普查表明，立式横水管锅炉广泛用于服务业之中。改进锅炉结构以提高炉胆稳定性，对于降低锅炉过热情况下爆炸的可能性，提高锅炉的安全性，有着重要意义。

　　横水管的作用之一就是增加约束，提高炉胆稳定性。但同向布置的横水管只是提高了管孔区附近炉胆的稳定性，对横水管两侧炉胆并未起到加强作用，即同向布置的横水管并未提高炉胆整体的稳定性。相邻两层横水管交义布置(即相邻两层横水管轴线成90。)可以将横水管的约束作用均布于炉胆上，从而改善炉胆整体的稳定性，防止炉胆失稳。

　　式(1)表明，炉胆结构严重影响P r，其中P cI r oc Y _。， 因而减小Y可以大幅度提高P r，在横水管两侧炉胆部位加装加强筋(图5)可以减小Y，提高产Pcr，达到在不改变横水管布置方式的前提下，提高炉胆稳定性的作用。

 　　5．结论

　　根据以上分析，可以得出如下结论：

　　(1)锅炉缺水过热后，司炉工的误操作是锅炉爆炸的直接原因。

　　(2)炉胆结构的不合理导致炉胆过热后失稳是锅炉爆炸的根本原因。

　　通过以下两种方法可以提高炉胆整体的稳定性：

　　1) 相邻两层横水管交叉布置

　　2)不改变横水管布置方式，在横水管两侧炉胆部位加装加强筋