一起蒸汽发生器运行事故技术分析

陈新，袁永正，顾贤

（1.南通万达锅炉有限公司，江苏 南通 226001；2.南通中集罐式储运设备制造有限公司，江苏 南通 226006；3.江苏首城工程设计有限公司，江苏 南通 226006）

2015年3月10日下午1时15分钟左右,某公司A厂区锅炉房内一台蒸汽发生器发生了爆炸，爆炸产生的巨大气浪将锅炉房及有机热载体锅炉掀翻，导致有机热载体炉内的油管破裂，引发大火。同时，巨大气浪将工厂内及周边多处汽车和建筑物窗户的玻璃震碎，并造成数人轻微受伤。该蒸汽发生器系江南某容器厂生产，2009年5月出厂。事故调查技术组于3月16日下午进入现场进行勘查。

1 事故概况

A厂区布置图如图1所示，锅炉房长约40m、宽约20m，位于整个厂区中间位置，锅炉房东侧和南侧都是生产车间，西侧为一条4m宽的南北方向厂区道路，北侧为3座酸化塔。锅炉房内东西两侧南北方向平行排列着2台锅炉，东侧为蒸汽锅炉、西侧为有机热载体锅炉，其中西侧有机热载体锅炉的北端设有蒸汽发生器。

图1 厂区平面图

爆炸后，锅炉房全部被掀翻，其中西侧的有机热载体锅炉向南整体倒塌，炉体整体向南移位了0.5m；东侧的蒸汽锅炉一侧面炉墙被炸毁，炉体骨架基本保持完整；位于有机热载体锅炉北部的蒸汽发生器已全不见踪影，各个部件散落在厂区各个方向，锅炉北侧有3个酸化塔，其中西边的酸化塔上部有一长为2m、高为1.5m的大洞，洞内嵌有部分蒸汽发生器的散落零件，而蒸汽发生器支架基本未位移，但发生了严重变形。经了解，事发当时，东侧的蒸汽锅炉正停炉检修，不在运行，而西侧的有机热载体锅炉处于正常运行状态，蒸汽发生器位于有机热载体锅炉的北侧，与锅炉尾部的排烟道相连，利用有机热载体锅炉烟气余热加热后产生饱和蒸汽。

根据现场勘查情况，蒸汽锅炉一侧炉墙损坏，而受压本体却并未坍塌，因此，可以排除蒸汽锅炉爆炸；有机热载体锅炉整体向南一个方向倒塌，并且锅体整体向南移位0.525m，炉管塌落在地但并未爆裂，因此，也可以排除有机热载体炉爆炸；蒸汽发生器的壳体、热管等部件解体并散落工厂各地，一部分壳体及热管将北侧的酸化塔炸出了一个大窟窿后落入酸化塔内，而其支架基本未位移但存在变形，上部框架最多处向外变形量达25cm。

图2 有机热载体锅炉移位图

图3 蒸汽发生器上部框架变形图

2 事故分析技术路线

根据现场勘察情况初步分析，本次事故可能有以下2个原因造成：蒸汽发生器超压运行或蒸汽发生器本体质量问题。

经调查了解，发生事故的蒸汽发生器安装在有机热载体炉尾部作为余热蒸发器使用，容器内径1500mm，壁厚为12mm，容积为3.62m3，总长为2625mm，设计压力为1.0MPa，设计温度为200℃,工作介质为水和水蒸气，材质为Q345R。这套有机热载体炉和蒸汽发生器系统是从该公司B厂区移装过来的，蒸汽发生器利用有机热载体炉尾部烟气余热加热，产生的蒸汽接到锅炉房内的分汽缸上，由分汽缸接出，供厂内车间使用。

从蒸汽发生器本身已安全使用数年的情况看，受压本体存在质量缺陷的可能性很小，同时，爆炸时蒸汽发生器本体已经被炸得四分五裂，如果从蒸汽发生器本体质量问题入手分析，不仅难度非常大，而且成本非常高，基于此，技术组决定以是否超压运行作为调查分析的技术路线。

3 事故调查了解的基本情况

经调查了解，该公司2009年5月购进1台有机热载体炉和蒸汽发生器，安装于B厂区，蒸汽发生器接在有机热载体炉尾部，蒸汽发生器利用有机热载体炉排出的烟气作为余热对本体内的水加热产生饱和蒸汽。2011年初，该公司将B厂区的有机热载体炉和蒸汽发生器一起移装至A厂区内，蒸汽发生器产生的饱和蒸汽接到锅炉房内的分汽缸上，由分汽缸接出供厂内车间使用。

2014年初，位于锅炉房东侧的燃煤蒸汽锅炉的省煤器损坏，公司便将位于有机热载体炉北侧的蒸汽发生器的管路系统与蒸汽锅炉的管路系统进行了改造，直接从蒸汽发生器的上部放空阀出口接了一根管子连接至蒸汽锅炉进水管路系统上，并通过给水泵对蒸汽发生器强制给水，将蒸汽发生器内的已加热汽水混合物挤送至蒸汽锅炉中，这种改造的目的就是将蒸汽发生器作为蒸汽锅炉的省煤器使用。有机热载体炉和蒸汽锅炉同时使用时，该台蒸汽发生器的进水是通过观察蒸汽锅炉上的水位计进行进水，当蒸汽锅炉的水位计显示水位较低时，即启动给水泵对蒸汽发生器给水，在给水的过程中就强制将蒸汽发生器中已加热的汽水混合物挤送至蒸汽锅炉中，作为蒸汽锅炉的补水。改造后的相联管线见图5。

图4 改造后相联管线图

2015年3月9日，事故发生的前一天，蒸汽锅炉由于炉墙损坏而停用修理，司炉人员将蒸汽发生器至蒸汽锅炉进水管路上的阀门关闭，并通过给水泵将蒸发器中的水加满，未将该台蒸发器至分汽缸的主出汽阀门打开，但打开了蒸汽发生器管线上的排污阀；3月10日，事故当天，蒸汽锅炉仍处于修理状态，有机热载体炉正常运行，加热产生的高温导热油供生产车间使用，公司司炉工因担心蒸发器缺水运行，前后2次（10点半和12点）启动给水泵向蒸发器中加水，加水前均打开管线上的排污阀进行排气减压操作，加水后又将排污阀关闭。下午1点15分左右，蒸汽发生器发生爆炸。

4 压力计算及分析

根据蒸汽发生器图纸等出厂资料，经计算，蒸汽发生器壳体最大允许工作压力为1.556MPa，此压力对应的饱和蒸汽温度为203℃，超过此温度后蒸汽发生器会有爆炸的风险。具体计算过程如下。

4.1 计算参数

公称直径：Di=1500mm。

计算压力：PC=1.0MPa。

设计温度：Td=200℃。

主要受压元件材质：16MnR。

钢板负偏差：C1=0.25mm。

腐蚀裕量：C2=1mm。

焊接接头系数：Φ=0.85。

16MnR设计温度下的许用应力：[σ]t=170MPa。

标准椭圆封头形状系数：K=1。

4.2 壳体强度计算

筒体名义厚度：δn=12mm。

筒体有效厚度：δe=δn-C1-C2=10.75mm。

封头名义厚度：δnh=10mm。

封头成型后最小厚度：δmin=8.1mm。

4.3 筒体排孔补强校核

两相邻开孔中心线与壳体轴线之夹角：θ=26.5°=0.463rad。Secθ：=1.1174。

管孔的轴向节距：S1=180mm。

孔带的单位长度：S2=S1=180mm。

管孔的对角向节距：S3=101mm。

开孔直径：dop=31.8mm。

排孔削弱系数γ，取γ1，γ2，γ3中的最小值：γ：=0.717。

排孔削弱系数γ，对筒体厚度进行校核：

根据上述计算，筒体名义厚度12mm，有效厚度10.75mm满足强度要求。

4.4 壳体最大允许工作压力计算

即：壳体最大允许工作压力Pw=1.556MPa。

4.5 压力分析

蒸汽发生器的热管接受有机热载体炉出口烟气加热，将热量传递给壳体内的水，在蒸汽发生器介质进出口关闭的状态下，壳体内就会形成汽液两相共存，此时，容器内的压力即为随温度而变化的饱和蒸汽压，壳体最大允许工作压力1.556MPa对应的饱和蒸汽的温度为203℃，若超过此温度，该设备就会有爆炸的风险。

5 事故原因技术分析

事发当日上午，有机热载体炉出口油温为238℃，正常运行情况下，尾部烟气温度比油温高约30℃以上，烟气温度约在270℃左右。由于尾部烟气一直在不断给蒸汽发生器内的水加热，水不断汽化，形成汽液共存状态，根据还原的管线图和了解到的情况，由于蒸汽发生器所有的出汽阀门在某一时段均被关闭，蒸汽发生器内产生的饱和蒸汽得不到泄放，致使蒸汽温度不断升高，压力也不断上升，当饱和汽液在270℃左右的烟气持续加热下，达到或超过203℃时，蒸汽发生器即会发生爆炸。由于爆炸威力特别巨大，爆炸后，事故调查组经多次现场勘察，一直未能找到蒸汽发生器上配置的安全阀和压力表，也未找到有机热载体炉和蒸汽发生器运行情况的记录，也就无法判断和计算出发生爆炸时准确的压力和温度数据，但可以确定蒸汽发生器爆炸前安全阀未起到泄放作用。

综上所述，判断此次蒸汽发生器发生爆炸的原因如下。

该公司A厂区将有机热载体炉尾部烟道中的蒸汽发生器的管路系统与燃煤蒸汽锅炉的管路系统进行了改造，长期关闭了蒸汽发生器至分汽缸的主出汽阀门（不再将蒸汽发生器产生的蒸汽输送至车间），将蒸汽发生器改造成了蒸汽锅炉的省煤器使用。改造后的管路系统不合理，当蒸汽锅炉停用、有机热载体炉正常运行时，关闭了蒸汽发生器通向蒸汽锅炉的出水出汽阀门，但未及时将该台蒸汽发生器至分汽缸的主出汽阀门打开。有机热载体炉正常运行时，尾部烟气一直不断地给蒸汽发生器内的水加热，而蒸汽发生器在某一时段所有出汽出水阀门都被关闭（管线上的排污阀在某一时段也处于关闭状态），安全泄放装置又未起作用，产生的蒸汽得不到泄放，水不断汽化，最终形成汽液饱和状态，当饱和汽液在270℃左右的烟气持续加热下，饱和蒸汽的温度、压力不断升高，当饱和蒸汽的温度达到或超过203℃时，内部压力也增大到了设备的承压极限，最终致使蒸汽发生器发生超压爆炸。

6 结语

此次蒸汽发生器超压爆炸事故暴露出运行单位在锅炉房安全运行管理方面存在严重问题，主要体现在锅炉房管路系统改造不合理、司炉工操作不规范等，教训深刻，为了预防同类事故再次发生，提出如下建议：（1）不私自改动锅炉房管路系统，如因生产工艺需要确需改动，应聘请有资质的设计单位专业人员出具改造方案，并委托有相应资质的安装单位实施改造。（2）建立健全良好的锅炉房管理制度，严格监督，加强考核。（3）必须有合格司炉证的司炉工进行司炉操作，并加强管理。