刘震杰 童良怀

(衢州市特种设备检验中心 衢州 324000)

常用炉型中立式蒸汽锅炉的安全性是最差的[1]，在我国发生的爆炸事故最多，俗称“炮弹炉”，基于事故能量转移理论思想，分析锅炉爆炸的机理，结合立式炉特点，选用Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion（BELEVE）[2]模型，采用TNT当量法计算锅炉爆炸的能量，计算爆炸所产生的冲击波超压，并在此基础上得出损伤半径，依此来控制爆炸损伤。

1 爆炸机理分析

蒸汽锅炉运行状态下，当承压部件的强度无法满足要求，产生破裂时，锅炉汽水侧的水汽会从破口处泄漏，导致汽水侧压力急剧下降，压力下降又使饱和水汽化，导致压力再次上升，冲击破口使其不断扩大，当大量的水汽喷泻而出时，会出现汽体体积的急剧膨胀，直至形成强大的爆炸冲击波，具有极大的损伤力。锅炉爆炸释放的能量少量[3]消耗于承压部件破口等，大部分能量会以冲击波的形式作用于周边，造成人员伤亡及财产的损失。锅炉爆炸释放的能量与锅炉的工作压力和水容积成正比关系，压力越高、水容积越大，爆炸损伤危害就越大。

2 爆炸能量

由于锅炉爆炸几乎是一个瞬时过程，不存在较大的换热损失，为了简化计算将该过程视为绝热膨胀过程，爆炸的能量按表1计算。

表1 爆炸能量计算公式汇总表[2]

3 爆炸损害半径

锅炉爆炸发生后，冲击波压力会出现多次瞬间升高，然后迅速下降的过程，并逐次衰减。爆炸初始阶段产生的最大正压力即为冲击波波阵面上的超压Δp。爆炸产生冲击波的伤害与破坏作用主要由超压产生。锅炉爆炸的冲击波超压[4]通过如下公式确定：

式中：

R0——目标与基准爆炸中心的相当距离；

R——目标距爆炸源的距离；

wTNT0——基准爆炸能量；

Δp0——基准处的超压；

Δp(R) ——目标处的超压；

α——炸药爆炸试验的模拟比。

根据事故能量的损伤机理，只要冲击波超压达到一定值时，便会对目标造成一定的伤害或破坏。根据爆炸冲击波的超压与爆炸中心距离的关系，可以确定各级损伤半径，死亡半径R1、重伤半径R2及轻伤半径R3按式（3）～式（5)计算确定，依据冲击波超压对人体伤害表[3]选取伤害人员超压值Δps，重伤取44kPa；轻伤取17kPa；p0为环境压力(101kPa)；R'为折算距离。

建筑物的破坏半径由式（6）计算可得，K按英国建筑破坏等级划分表选取4.6[5]，该分级可作为财产损失半径，即该半径内财产大量损失，半径外财产基本完好。

4 能量转移理论应用

当前，相关的规范标准就锅炉净距有所规定，主要出于操作与检修方便的考虑，注重空间节约，并未涉及控制锅炉爆炸的冲击波损伤，大多数锅炉使用单位在锅炉使用管理方面，也缺乏该方面的针对性考虑。使用单位在锅炉爆炸的损伤控制方面应落实特种设备安全的主体责任，与此同时，规范对检验机构就锅炉房在安装监检方面也提出了要求。针对上述需要，锅炉的安装与使用管理可以借助能量转移理论来指导锅炉爆炸损伤控制。

1）2014年9月，浙江省某企业型号为LSG0.05-0.4-SM的立式蒸汽锅炉在使用过程中发生爆炸，爆炸形成的巨大破坏力，导致3人伤亡，两间房屋部分倒塌[6]，根据事故调查，死者为锅炉操作工，受伤人员为处于锅炉房隔壁车间内工人，锅炉爆炸造成锅炉北面、东面的平房墙壁部分倒塌，附近的房屋门窗玻璃损坏，部分墙壁开裂，图1所示为爆炸现场的示意图，对照表2相近炉型LHC0.06-0.39的损伤半径，现场情况与计算值基本吻合。

表2 不同蒸汽产量锅炉的爆炸当量及相关伤害半径

图1 锅炉爆炸事故现场示意图距离单位（mm）

2）利用锅炉爆炸计算结果，表2中两种额定工作压力下的立式锅炉不同蒸汽产量的计算结果汇总，可作为锅炉房泄压空间的确定依据；根据损伤半径，确定损伤区域，绘制锅炉爆炸损伤区域划分图，如图2所示，在此基础上进行安全分级管理，可系统且有效地控制锅炉爆炸损伤。

图2 锅炉的爆炸损伤区域划分示意图

3）当锅炉设置在人口密集区或重要设备附近时，在土地资源比较紧张的情况下无法保障安全距离，依据表2数据通过增加防爆墙等防护措施可有效地控制锅炉爆炸的损伤。

5 结论

1）根据事故能量转移理论，对锅炉爆炸的机理与损伤进行分析，并通过计算得出锅炉爆炸能量和损伤半径，计算结果与爆炸案例情况基本吻合。

2）提出了能量转移理论在锅炉安装与使用管理方面的应用，可有效补充当前锅炉爆炸损伤控制方面的不足。

[1]盛水平，许林滔，程正米，等. 锅炉安全性比较及爆炸事故预防[J].中国特种设备安全， 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]国家安全生产监督管理局. 安全评价[M]. 北京：煤炭工业出版社，2003.

[4]牛国庆，徐志胜，徐彧，等. 锅炉爆炸原因分析与事故后果模拟[J]. 辽宁工程技术大学学报，2005，24(06)： 9 09-912.

[5]张永乐. 浅谈锅炉爆炸的原因、爆炸的能量及预防措施[J]. 电器工厂设计，2005（02）：31-33.

[6]陈征宇，肖彬，刘杰，等. 某小型立式蒸汽锅炉爆炸原因分析[J].锅炉制造，2015(05)：14-16.