杭州市特种设备检测院 盛水平
锅炉爆炸是一种汽水爆炸使锅炉受压元件发生破坏，汽水中储存的大量能量迅速释放，内压瞬间降至外界大气压的现象。锅炉在长期使用下，由于操作失误和设备老化，如水位控制不当、水垢形成、钢材腐蚀等均会造成锅炉事故，甚至发生爆炸。本文对近年来中小型锅炉爆炸事故进行调查分析，找出爆炸的主要原因，进行了缺水再进水试验和炉胆失稳模拟试验，得出爆炸形成的规律，为以后防止和处理类似爆炸事故提供参考依据。
一、中小型锅炉爆炸事故分析
在用中小型锅炉指立式燃煤锅炉(LHG、LSG)、立式燃油锅炉(LHS)、卧式燃煤锅炉(DZL、DZG)、卧式燃油燃气锅炉(WNS)、水管锅炉（SZL、SHL、DZS）及有机热载体锅炉等，不包括煤粉炉、循环流化床工业锅炉等热电生产的锅炉，其中立式锅炉数量约占中小型锅炉总数的1/3。
国家质检总局特种设备事故统计表明（见图1），在生产环节锅炉质量控制是有效的，而在使用环节造成的锅炉爆炸是主要因素。
根据全国爆炸锅炉的结构型式分类（见图2），中小型锅炉爆炸占爆炸事故总量的94％，其中立式锅炉爆炸占56％，考虑未知炉型中多数也为立式锅炉，实际应为（60～70）％。浙江省有8 台其中爆炸锅炉，立式锅炉占有6 台，占75％。
从发生事故比例较大的立式锅炉爆炸事故原因统计分析（见图3）可知，操作不当是立式锅炉爆炸原因的主要方面，其中缺水占33％，超压占47％（包括缺水再进水引起的超压）。因此，对立式锅炉缺水和超压进行材料受热拉伸和炉胆缺水失稳试验，研究其爆炸机理，具有重要意义。
缺水及再进水模拟试验。我们做了一批锅炉钢板及焊接试件进行模拟试验，将试件放入高温电阻炉加热到预设温度，锅炉材料缺水后温度升高，然后迅速放到万能材料试验机拉伸，测定力学性能，观察变形情况，直至试件断裂。对中小型锅炉缺水后再进水事故的模拟，将试件加热到预设温度，然后冲水冷却，水受热汽化在锅内产生压力，可以模拟材料缺陷产生的情况。
图4 为不同加热温度下的试件拉伸断裂瞬间照片。当温度为800℃时试件已经完全烧红，除了明显的延性伸长外，还有蠕变伸长。试件冷却后表面氧化皮的颜色和加热温度的关系是，当温度较低（400℃～450℃）时，表面氧化皮颜色呈灰黑色，当温度继续升高（550℃～600℃）时，表面氧化皮颜色逐渐呈亮青色。
图5 为两种材质的试件抗拉强度随加热温度改变的曲线。在较低的加热温度下（≤350℃），试件的抗拉强度降低不明显；而350℃～500℃的加热区域是试件抗拉强度突降的主要区域，材料性能的改变明显。当500℃以上时，抗拉强度低于110N/mm2，介于（90～107）N/mm2之间。且大于350℃时，试件会出现蠕变。
图6 为试件加热后连续滴水冷却试验的照片（模拟锅炉缺水后再进水事故）。观察到试板冷却后表面出现一层氧化皮，且连续滴水处试板厚度减薄。试板经过渗透探伤检测没有发现裂纹缺陷，说明连续滴水冷却产生的温差应力，在本试验条件下不至于产生裂纹，集肤效应并不明显。由此证明，锅炉缺水后再进水爆炸事故的主要原因是水的汽化造成锅内压力骤升，缺水和超压同时存在造成炉胆在外压作用下失稳。
内胆失稳模拟试验。由于立式锅炉的锅壳和内胆结构可近似为夹套圆筒容器，利用特制夹套圆筒试件来模拟炉胆失稳过程，既简单经济又相对安全。
图7 为两个夹套圆筒试件水压失稳试验的波形图。试件L＝560mm 失稳的波数为4 个，L＝1000mm为3 个。观察表明，失稳波数并不是同时产生的，而是逐个产生的。下表给出了依次产生波数的临界压力试验值与理论值的比较。产生第1 个波的临界压力要明显低于其他波数，而此后每新增一个波，临界压力变化并不明显，但最终裂口的撕裂压力要比实际临界压力高一些。试验值比理论值偏小是因为内筒3mm 的Q235 钢板卷圆后存在一定的焊接变形（棱角度），降低了失稳压力。因此实际应用要考虑n=3 的失稳系数。
图8为夹套圆筒试件内筒水压失稳焊缝撕裂图。
裂口处于内筒与环板相连接的角焊缝，角焊缝是应力和缺陷集中区域，加上失稳造成弯曲应力增加，所以在此处焊缝撕裂。对于立式锅炉而言，通常在锅炉下脚圈与筒体连接的对接焊缝，炉胆、筒体和炉门圈的角焊缝最易造成焊缝失稳撕裂，继而引起锅炉爆炸。
二、中小型锅炉爆炸机理及安全性比较
爆炸的特点是大量能量在有限的体积内突然释放或急骤转化。锅炉破裂时锅内饱和水压力瞬即下降为大气压力，原工作压力下高于100℃的饱和水此时成了极不稳定、在大气压力下难于存在的“过饱和水”，其中的一部分即瞬时汽化，体积骤然膨胀许多倍，在容器周围空间形成爆炸。这是物理变化的爆炸。
立式锅炉通常为缺水和超压引起的爆炸。一般锅壳完好而炉胆压瘪（失稳破坏），炉排管也压扁。若严重超压，不仅炉胆压瘪，而且锅壳因超压纵向撕裂而展平。卧式锅炉通常为锅筒鼓包、水冷壁管爆管、烟管与管板连接处泄漏等，若严重超压，则引起锅壳开裂爆炸。水管锅炉即多为爆管事故。
司炉工操作失误会造成锅炉严重缺水。尤其在严重缺水后再进水会引起锅水从裂口中喷出，瞬间膨胀致使锅炉本体向外飞出数米甚至数十米远，因此当锅炉发生严重缺水事故时（缺水到什么程度为严重缺水视炉型而定）切不可加水，应当采取撤煤灭火（不可用水灭火）措施紧急停炉。
中小型锅炉安全性比较。中小型锅炉按结构型式主要分为立式锅炉、卧式锅炉和水管锅炉。3 种型式的锅炉爆炸危险性不一样：
立式锅炉为整体焊接，刚性大，炉胆下部受火焰加热（高温辐射），承受外压易失稳，上部由炉胆顶包牢（管板除外），泄漏点少，一旦出现操作不当引起缺水、超压或缺水后再进水超压，焊缝往往成为起爆点，极易发生爆炸事故。
卧式锅炉烟管与管板胀接或焊接，泄漏点多，易在薄弱环节泄漏（如烟管胀口处）。其中DZL 锅炉在炉膛内受辐射热，由于水冷壁管柔性好，故不易发生爆炸事故；WNS 锅炉在炉胆内受辐射热，若严重缺水则烟管与管板胀接点开裂泄漏，漏而不爆，锅水泄漏报警。这是立式锅炉无法比拟的优点。
水管锅炉的锅筒不直接受热，主要受热面的管子直径较小，承压能力高，采用弹性较好的弯水管可承受热胀冷缩。直接受热的管子即使爆破，其危害性也比筒体爆炸小得多。因此水管锅炉的安全性能最高。
因此，不管从安全性还是从热效率和环保的角度都力推水管锅炉集中供热。而立式锅炉由于其结构紧凑，占地面积小，价格低廉，整体运输和安装方便等优点，在中小企业中得到广泛应用，但是必须从设计、制造、安装、检验、使用各方面重视立式锅炉的安全性。
三、中小型锅炉爆炸事故的技术预防措施
缺水的预防。缺水爆炸事故在中小型锅炉爆炸事故中约占33%，原因多为司炉人员责任心不强，技术生疏或慌忙处置所致，只有少数是由于设备缺陷或其它故障造成的。因此，司炉人员应严格执行操作规程，对水位变化进行严格监视。对于立式小锅炉，建议加装低水位报警装置，形成人机互补关系。
超压的预防。超压引发的爆炸事故约占47%。压力表和安全阀都是防止锅炉超压的主要安全装置。
应根据在用锅炉的工作压力选购安全阀，不可盲目；新安装的安全阀必须经过校验合格后方可使用；发现泄漏严重、弹簧失效和超过校验周期的安全阀应停止使用；为防止安全阀阀芯锈死，应定期作手动或自动排汽试验，严禁将弹簧拧死或在杠杆上加放重物的方法来制止泄漏；安全阀排放管底部要设置疏水管，以防冷却水淤积在安全阀阀体内。新压力表必须经计量部门校验合格封铅后再使用；发现指针不动、指针因内漏跳动严重、指针不能回到零位、表盘玻璃破碎、刻度模糊不清、超过校验周期的，均应停止使用，待修复和校验合格后再用；为防止存水弯管堵塞，应定期冲洗三通，在存水弯管内积存冷凝水后再接通压力表。
其它缺陷预防。包括其它安全附件缺陷、水垢、炉膛爆炸等。如水位表至少每班冲洗一次，防止水位表汽水连管的堵塞，形成假水位；对于水位报警器，通过汽、水阀门产生低水位或高水位进行定期灵敏度和可靠性检查。锅筒底部的鼓包、水管爆管及管板裂纹、泄漏在事故中占有较大的比例，主要原因是水质（即水处理）不好，必须做好锅炉水质处理工作，保证锅炉受热面少结垢或不结垢。中小燃油和燃气锅炉爆炸事故有2/3 发生在点火过程，因此点火必须严格按操作程序进行。燃煤锅炉爆炸的预防，主要是在压火后重新将锅炉启用时应先启动引风机，通风（5～10）分钟，再启动鼓风机送风；若无引风机的应在锅炉启用前将烟道闸板和炉门打开，一般自然通风（8～15）分钟即可。
此外，锅炉运行和停炉期间的防腐措施也是十分重要的。短时间停运应进行蒸汽或湿法保养，长时间停运应进行干法保养。
一、中小型锅炉爆炸事故分析
在用中小型锅炉指立式燃煤锅炉(LHG、LSG)、立式燃油锅炉(LHS)、卧式燃煤锅炉(DZL、DZG)、卧式燃油燃气锅炉(WNS)、水管锅炉（SZL、SHL、DZS）及有机热载体锅炉等，不包括煤粉炉、循环流化床工业锅炉等热电生产的锅炉，其中立式锅炉数量约占中小型锅炉总数的1/3。
国家质检总局特种设备事故统计表明（见图1），在生产环节锅炉质量控制是有效的，而在使用环节造成的锅炉爆炸是主要因素。
根据全国爆炸锅炉的结构型式分类（见图2），中小型锅炉爆炸占爆炸事故总量的94％，其中立式锅炉爆炸占56％，考虑未知炉型中多数也为立式锅炉，实际应为（60～70）％。浙江省有8 台其中爆炸锅炉，立式锅炉占有6 台，占75％。
从发生事故比例较大的立式锅炉爆炸事故原因统计分析（见图3）可知，操作不当是立式锅炉爆炸原因的主要方面，其中缺水占33％，超压占47％（包括缺水再进水引起的超压）。因此，对立式锅炉缺水和超压进行材料受热拉伸和炉胆缺水失稳试验，研究其爆炸机理，具有重要意义。
缺水及再进水模拟试验。我们做了一批锅炉钢板及焊接试件进行模拟试验，将试件放入高温电阻炉加热到预设温度，锅炉材料缺水后温度升高，然后迅速放到万能材料试验机拉伸，测定力学性能，观察变形情况，直至试件断裂。对中小型锅炉缺水后再进水事故的模拟，将试件加热到预设温度，然后冲水冷却，水受热汽化在锅内产生压力，可以模拟材料缺陷产生的情况。
图4 为不同加热温度下的试件拉伸断裂瞬间照片。当温度为800℃时试件已经完全烧红，除了明显的延性伸长外，还有蠕变伸长。试件冷却后表面氧化皮的颜色和加热温度的关系是，当温度较低（400℃～450℃）时，表面氧化皮颜色呈灰黑色，当温度继续升高（550℃～600℃）时，表面氧化皮颜色逐渐呈亮青色。
图5 为两种材质的试件抗拉强度随加热温度改变的曲线。在较低的加热温度下（≤350℃），试件的抗拉强度降低不明显；而350℃～500℃的加热区域是试件抗拉强度突降的主要区域，材料性能的改变明显。当500℃以上时，抗拉强度低于110N/mm2，介于（90～107）N/mm2之间。且大于350℃时，试件会出现蠕变。
图6 为试件加热后连续滴水冷却试验的照片（模拟锅炉缺水后再进水事故）。观察到试板冷却后表面出现一层氧化皮，且连续滴水处试板厚度减薄。试板经过渗透探伤检测没有发现裂纹缺陷，说明连续滴水冷却产生的温差应力，在本试验条件下不至于产生裂纹，集肤效应并不明显。由此证明，锅炉缺水后再进水爆炸事故的主要原因是水的汽化造成锅内压力骤升，缺水和超压同时存在造成炉胆在外压作用下失稳。
内胆失稳模拟试验。由于立式锅炉的锅壳和内胆结构可近似为夹套圆筒容器，利用特制夹套圆筒试件来模拟炉胆失稳过程，既简单经济又相对安全。
图7 为两个夹套圆筒试件水压失稳试验的波形图。试件L＝560mm 失稳的波数为4 个，L＝1000mm为3 个。观察表明，失稳波数并不是同时产生的，而是逐个产生的。下表给出了依次产生波数的临界压力试验值与理论值的比较。产生第1 个波的临界压力要明显低于其他波数，而此后每新增一个波，临界压力变化并不明显，但最终裂口的撕裂压力要比实际临界压力高一些。试验值比理论值偏小是因为内筒3mm 的Q235 钢板卷圆后存在一定的焊接变形（棱角度），降低了失稳压力。因此实际应用要考虑n=3 的失稳系数。
裂口处于内筒与环板相连接的角焊缝，角焊缝是应力和缺陷集中区域，加上失稳造成弯曲应力增加，所以在此处焊缝撕裂。对于立式锅炉而言，通常在锅炉下脚圈与筒体连接的对接焊缝，炉胆、筒体和炉门圈的角焊缝最易造成焊缝失稳撕裂，继而引起锅炉爆炸。
二、中小型锅炉爆炸机理及安全性比较
爆炸的特点是大量能量在有限的体积内突然释放或急骤转化。锅炉破裂时锅内饱和水压力瞬即下降为大气压力，原工作压力下高于100℃的饱和水此时成了极不稳定、在大气压力下难于存在的“过饱和水”，其中的一部分即瞬时汽化，体积骤然膨胀许多倍，在容器周围空间形成爆炸。这是物理变化的爆炸。
立式锅炉通常为缺水和超压引起的爆炸。一般锅壳完好而炉胆压瘪（失稳破坏），炉排管也压扁。若严重超压，不仅炉胆压瘪，而且锅壳因超压纵向撕裂而展平。卧式锅炉通常为锅筒鼓包、水冷壁管爆管、烟管与管板连接处泄漏等，若严重超压，则引起锅壳开裂爆炸。水管锅炉即多为爆管事故。
司炉工操作失误会造成锅炉严重缺水。尤其在严重缺水后再进水会引起锅水从裂口中喷出，瞬间膨胀致使锅炉本体向外飞出数米甚至数十米远，因此当锅炉发生严重缺水事故时（缺水到什么程度为严重缺水视炉型而定）切不可加水，应当采取撤煤灭火（不可用水灭火）措施紧急停炉。
中小型锅炉安全性比较。中小型锅炉按结构型式主要分为立式锅炉、卧式锅炉和水管锅炉。3 种型式的锅炉爆炸危险性不一样：
立式锅炉为整体焊接，刚性大，炉胆下部受火焰加热（高温辐射），承受外压易失稳，上部由炉胆顶包牢（管板除外），泄漏点少，一旦出现操作不当引起缺水、超压或缺水后再进水超压，焊缝往往成为起爆点，极易发生爆炸事故。
卧式锅炉烟管与管板胀接或焊接，泄漏点多，易在薄弱环节泄漏（如烟管胀口处）。其中DZL 锅炉在炉膛内受辐射热，由于水冷壁管柔性好，故不易发生爆炸事故；WNS 锅炉在炉胆内受辐射热，若严重缺水则烟管与管板胀接点开裂泄漏，漏而不爆，锅水泄漏报警。这是立式锅炉无法比拟的优点。
水管锅炉的锅筒不直接受热，主要受热面的管子直径较小，承压能力高，采用弹性较好的弯水管可承受热胀冷缩。直接受热的管子即使爆破，其危害性也比筒体爆炸小得多。因此水管锅炉的安全性能最高。
因此，不管从安全性还是从热效率和环保的角度都力推水管锅炉集中供热。而立式锅炉由于其结构紧凑，占地面积小，价格低廉，整体运输和安装方便等优点，在中小企业中得到广泛应用，但是必须从设计、制造、安装、检验、使用各方面重视立式锅炉的安全性。
三、中小型锅炉爆炸事故的技术预防措施
缺水的预防。缺水爆炸事故在中小型锅炉爆炸事故中约占33%，原因多为司炉人员责任心不强，技术生疏或慌忙处置所致，只有少数是由于设备缺陷或其它故障造成的。因此，司炉人员应严格执行操作规程，对水位变化进行严格监视。对于立式小锅炉，建议加装低水位报警装置，形成人机互补关系。
超压的预防。超压引发的爆炸事故约占47%。压力表和安全阀都是防止锅炉超压的主要安全装置。
应根据在用锅炉的工作压力选购安全阀，不可盲目；新安装的安全阀必须经过校验合格后方可使用；发现泄漏严重、弹簧失效和超过校验周期的安全阀应停止使用；为防止安全阀阀芯锈死，应定期作手动或自动排汽试验，严禁将弹簧拧死或在杠杆上加放重物的方法来制止泄漏；安全阀排放管底部要设置疏水管，以防冷却水淤积在安全阀阀体内。新压力表必须经计量部门校验合格封铅后再使用；发现指针不动、指针因内漏跳动严重、指针不能回到零位、表盘玻璃破碎、刻度模糊不清、超过校验周期的，均应停止使用，待修复和校验合格后再用；为防止存水弯管堵塞，应定期冲洗三通，在存水弯管内积存冷凝水后再接通压力表。
其它缺陷预防。包括其它安全附件缺陷、水垢、炉膛爆炸等。如水位表至少每班冲洗一次，防止水位表汽水连管的堵塞，形成假水位；对于水位报警器，通过汽、水阀门产生低水位或高水位进行定期灵敏度和可靠性检查。锅筒底部的鼓包、水管爆管及管板裂纹、泄漏在事故中占有较大的比例，主要原因是水质（即水处理）不好，必须做好锅炉水质处理工作，保证锅炉受热面少结垢或不结垢。中小燃油和燃气锅炉爆炸事故有2/3 发生在点火过程，因此点火必须严格按操作程序进行。燃煤锅炉爆炸的预防，主要是在压火后重新将锅炉启用时应先启动引风机，通风（5～10）分钟，再启动鼓风机送风；若无引风机的应在锅炉启用前将烟道闸板和炉门打开，一般自然通风（8～15）分钟即可。
此外，锅炉运行和停炉期间的防腐措施也是十分重要的。短时间停运应进行蒸汽或湿法保养，长时间停运应进行干法保养。
