鍋爐、與壓力容器安全對策(一)

1、鍋爐、與壓力容器安全對策(一) （1） 鍋爐（boiler） 鍋爐是生產(chǎn)蒸氣的機械設(shè)備。它把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，再利用熱能產(chǎn)生蒸氣。鍋爐主要由“鍋”和“爐”兩部分構(gòu)成。“鍋”是指它的汽水系統(tǒng)，其主要作用是使水受熱變成水蒸氣。由密閉的容器和管道組成。包括對流管束、水冷壁等受熱面及其它一些不直接受熱的容器與管道。汽水系統(tǒng)承受一定的壓力和溫度·“爐”是指鍋爐的燃燒系統(tǒng)，或稱風(fēng)煤煙系統(tǒng)，其主要作用是進行燃燒與熱交換。燃燒系統(tǒng)包括爐膛與燃燒器。由于鍋爐是在很高的溫度下運行的，汽水系統(tǒng)中的容器與管道又同進承受著較高的溫度與壓力，運行時可能有爆炸的危險。而鍋爐一旦發(fā)生爆炸事故，不僅僅是設(shè)備本身

2、遭到破壞，還會毀壞周圍的設(shè)備及廠房等建筑物，造成嚴(yán)重的人身傷亡。所以鍋爐的安全問題一直是一俱令人關(guān)注和重視的問題。世界上許多國家都把鍋爐和壓力容器作為一種特殊設(shè)備，由國家設(shè)立專門的安全監(jiān)察機構(gòu)（在我國，現(xiàn)為勞動部鍋爐壓力容器安全監(jiān)察局）對鍋爐與壓力容器的設(shè)計、制造、安裝、運行、檢驗維修等進行全面的安全監(jiān)督。 （2）壓力容器（pressure vessel） 廣義的壓力容器，應(yīng)包括所有承受流體壓力的密閉容器。但在工業(yè)中，通常所說的壓力容器是指其中比較容易發(fā)生事故，而且事故的危害性比較大，需要接受國家專門機構(gòu)安全監(jiān)督的容器。按照我國壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程的規(guī)定，它的適用范圍是同時具備下列條件的容器：

3、（1）最高工作壓力（pw）大于等于0·1mpa；（2）容積（v）大于等于25l，且內(nèi)直徑大于等于150mm；（3）介質(zhì)為氣體、液化氣體和最高工作溫度高于其標(biāo)準(zhǔn)沸點的液體。壓力容器的主要用途是貯存或運輸氣體或液化氣體，使它保持有一定的壓力；或為工作介質(zhì)的傳質(zhì)、傳熱提供密閉的空間。它的主要部件就是一個能承受壓力的各種形狀的殼體。容器的形狀根據(jù)其用途而定，但為了保持良好的受力狀態(tài)，承壓殼體的幾何形狀和輪廓應(yīng)平緩過渡，不能有突然的急劇變化。常用壓力容器是球形和圓筒形。壓力容器不僅承受介質(zhì)的壓力載荷和其它機械載荷（重力、風(fēng)力等），有些還要在高溫或深冷的條件下運行，介質(zhì)又多具有腐蝕性，工作條件比

4、較苛刻，比較容易發(fā)生惡性爆炸事故，壓力容器發(fā)生爆炸，系列連鎖反應(yīng)，常常使災(zāi)情進一步擴大。由于壓力容器的事故率較高、事故危害性較大，許多國家都把它作為一種特殊設(shè)備，設(shè)專門機構(gòu)進行安全監(jiān)督。 （3）鍋爐蒸發(fā)量與蒸氣參數(shù)（ecaporative capacity and parameter of syeam） 鍋爐每小時所產(chǎn)生蒸氣量，稱為鍋爐蒸發(fā)量，或稱鍋爐的“出力”或“容量”。其單位是t/h。鍋爐在規(guī)定的蒸氣參數(shù)和給水溫度下，連續(xù)運行時所必須保證的最大蒸發(fā)量，稱為“額定蒸發(fā)量”。通常所說的以及鍋爐銘牌上標(biāo)注的蒸發(fā)量就是額定蒸發(fā)量。蒸氣參數(shù)用以表征鍋爐所產(chǎn)蒸氣的熱力性質(zhì)，即蒸氣的壓力和溫度。按照通常

5、習(xí)慣，表示鍋爐蒸氣壓力用表壓力，單位是mpa；溫度的單位是。我國鍋爐的蒸發(fā)量和參數(shù)已經(jīng)系列化并作為國家標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)鍋爐的參數(shù)系列如表101所示。 表101 工業(yè)蒸氣鍋爐的參數(shù)系列 見表 （4）蒸發(fā)率與熱效率（evaporativity and thermal efficiency） 蒸發(fā)率是鍋爐單位面積的受熱面上的蒸發(fā)量，即每平方米的鍋爐受熱面上每小時所產(chǎn)的蒸氣量。單位是kg/m2·h。鍋爐蒸發(fā)率的大小，與它的結(jié)構(gòu)型式有很大關(guān)系。例如，一般火管鍋爐的蒸發(fā)率約為1520kg/m2·h，而水管鍋爐則往往超過30kg/m2·h。蒸發(fā)率越高，同樣蒸發(fā)量的鍋爐所需的受熱面就越

6、少。鍋爐熱效率正常運行時，輸入鍋爐的熱量被有效利用的百分?jǐn)?shù)。鍋爐熱效率通常用表示.即： =（水汽吸收的熱量/輸入鍋爐的總熱量）×100% 熱效率越高，同樣蒸發(fā)量的鍋爐所消耗的燃料就越少· （5）鍋爐受熱面（heating surface） 在鍋爐內(nèi),把汽水與火焰煙氣隔開,也就是一面和火焰或煙氣接觸,吸收燃料燃燒時所放出的熱量,另一面與水或蒸氣接觸,將熱量傳給汽水的金屬壁面,稱為鍋爐受熱面,單位是m2。受熱面是汽水系統(tǒng)的主要部分，主要作用就是把煙氣的熱量傳給汽水。省煤器、水冷壁、對流管束、過熱器等都是受熱面。鍋殼式鍋爐的爐膽、煙管也是受熱面。鍋爐蒸發(fā)量的大小，在很大程度上取決

7、于它的受熱面。一般說來，受熱面越大，鍋爐蒸發(fā)量也越大。 （6）鍋爐水循環(huán)（water circulation） 鍋爐水循環(huán)是指和汽水混合物在鍋爐蒸發(fā)受熱成中的循環(huán)流動。依靠水和汽水混合物的重度差維持的循環(huán)叫自然循環(huán)。依靠回路水泵的壓頭所維持的循環(huán)叫強制循環(huán)。自然循環(huán)是最常見的鍋爐水循環(huán)方式。水管鍋爐的水循環(huán)在由上升管和下降管等組成的循環(huán)回路中進行；鍋殼式鍋爐的水循環(huán)沒有確定的循環(huán)回路，在鍋殼的水空間內(nèi)進行。在自然循環(huán)中，每一次只有一部分水變?yōu)檎魵?。進入上升管入口的水量稱為循環(huán)流量，它與此回路所產(chǎn)生的蒸氣量（即上升管出口的蒸氣量）之比值稱為循環(huán)倍率。鍋爐循環(huán)倍率是衡量鍋爐水循環(huán)安全性的指標(biāo)之一。

8、循環(huán)倍率大，表示鍋爐上升管出口段汽水混合物中蒸氣的份額小，水的份額大，附于管壁上的水膜厚，管壁的冷卻情況好，工作安全。自然循環(huán)的動力是下降管和上升管的壓力差，它是由下降管和上升管中水的重度差和循環(huán)回路的高度所確定的。如果循環(huán)動力被過分削弱，就會產(chǎn)生水循環(huán)故障。常見的水循環(huán)故障是停滯和倒流。水循環(huán)故障，常常危及鍋爐的安全運行，例如水循環(huán)出現(xiàn)停滯時，就可能導(dǎo)致管壁超溫爆破，即所謂爆管。所以要保證鍋爐安全運行，就得保證正?？煽康乃h(huán)。 （7）鍋爐水處理（water treatment） 鍋爐水處理是用機械的或化學(xué)的方法對鍋爐給水進行凈化和軟化，即除去或減少水中的雜質(zhì)，使其符合鍋爐的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)鍋

9、爐給水一般都取自然水。天然水中含有許多雜質(zhì)，包括：懸浮物，如泥沙、藻類、油污等不溶物質(zhì)；膠體物質(zhì)，如鐵化合物、硅鹽等；固體溶解物，如鈣鹽、鎂鹽、鈉鹽等；氣體溶解物，主要是氧和二氧化碳。這些雜質(zhì)給鍋爐帶來的主要危害，一是使鍋爐結(jié)垢，不僅降低鍋爐的熱效率，還會使受熱面金屬過熱，嚴(yán)重時導(dǎo)致爆管或鼓包。二是對鍋爐金屬產(chǎn)生腐蝕，包括電化學(xué)腐蝕及堿脆等應(yīng)力腐蝕，削弱受壓元件的強度，影響鍋爐安全運行。三是污染蒸氣，不僅使所產(chǎn)生的蒸氣品質(zhì)下降，還會造成過熱器等因沉鹽結(jié)垢而被損害。為了防止鍋爐給水帶來上述危害，就得進行水質(zhì)處理。鍋爐給水的處理過程分為爐外和爐內(nèi)處理兩部分。爐外處理是主要部分，一般有沉淀、凝聚、過

10、濾、軟化、除堿、除鹽等過程；爐內(nèi)處理是加藥劑于給水系統(tǒng)中，借藥劑在爐內(nèi)反應(yīng)來進行水的處理。 （8）立式鍋爐（vertical boiler） 立式鍋爐是鍋殼立式放置的鍋爐的總稱。有多種結(jié)構(gòu)形式，有火管式（指鍋爐燃燒火焰或煙氣地管內(nèi)流動）和水管式。立式鍋爐的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，但高度較大；安裝方便，很少或甚至不用爐墻；因為鍋筒垂直放置，可以按蒸氣干度要求選定蒸氣空間高度，蒸氣品質(zhì)較好；鍋爐檢修及水垢清洗也比較方便。此種鍋爐的熱效率一般都比較低，燃料消耗量大。常用的立式鍋爐結(jié)構(gòu)型式主要有立式大橫水管鍋爐、立式平頭火管鍋爐、立式多橫火管鍋爐（考克蘭鍋爐）和立式水管鍋爐等。其中立式水管鍋爐（包

11、括立式直水管鍋爐和立式彎水管鍋爐）是我國自行設(shè)計制造的，它的熱效率比其它立式鍋爐高，耗用鋼材也較少，是近年來發(fā)展較快的一種小型鍋爐。 （9）臥式鍋爐（horizontal boiler） 臥式鍋爐是鍋殼臥放的鍋爐的總稱，其結(jié)構(gòu)型式也較多。最老式的有雙火筒（爐膽）鍋爐，即蘭開夏鍋爐。因熱效率低，體積大，單位蒸發(fā)量的耗煤、耗鋼材都較大，現(xiàn)已被淘汰?，F(xiàn)用的臥式鍋爐有臥式內(nèi)燃回火管鍋爐和臥式外燃回火管鍋爐。此外，還有固定機車式鍋爐、船舶式鍋爐等。臥式鍋爐的蒸發(fā)量一般可以作得比立式鍋爐大，因為它的爐排在爐膽（火筒）內(nèi)沿鍋殼軸向布置，爐排和受熱面面積可以不受鍋殼直徑的限制，通過變更鍋殼的長度來調(diào)整爐排及受

12、熱面的大小。這種鍋爐結(jié)構(gòu)也比較緊湊，安裝和檢修都比較方便，對水質(zhì)的要求也不太高。缺點是結(jié)構(gòu)剛性較大，對熱膨脹的補償能力較差，受熱不均勻時易于產(chǎn)生熱應(yīng)力；它的水循環(huán)情況也比立式鍋爐為差· （10）快裝鍋爐（self-contained boiler） 快裝鍋爐是在臥式外燃回火管鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種臥式水管鍋爐。在結(jié)構(gòu)上兼有火管鍋爐和水管鍋爐的特征。因為它是整體在制造廠全部組裝好后才運往使用單位安裝，故得此名。這種鍋爐主要由鍋筒、前后管板、煙管、水冷壁系統(tǒng)（水冷壁、聯(lián)箱、下降管）等部件，以及一個外殼和底坐所組成。臥式水火管鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，整體出廠，運輸和安裝都很方便，

13、使用時升火啟動快，負(fù)荷調(diào)整方便，熱效率比一般火管鍋爐為高，由于具有這些特點，所以它已成為近年來國內(nèi)用量最大的一種小型鍋爐。這種鍋爐的缺點是：鍋爐的下鍋筒直接受輻射熱，如果水質(zhì)不良或排污不正常，容易在鍋筒底部沉積泥渣，造成下壁過熱鼓包；煙管錯列，排列又密，管外和積垢不易清除；管板與筒體間有全焊式角板拉撐的剛性連接結(jié)構(gòu)，難以適應(yīng)壓力和溫度的變化，焊接質(zhì)量也無法保證，容易產(chǎn)生裂紋及開脫等嚴(yán)重缺陷。 （11）水管鍋爐（water tube boiler） 水管鍋爐是泛指燃燒高溫?zé)煔庠诠芡猓ㄩg）流動，而汽水在管內(nèi)吸熱蒸發(fā)的一類鍋爐。它的結(jié)構(gòu)型式也很多，但所包括的部件卻大體相同。汽水系統(tǒng)主要由鍋筒、聯(lián)箱、

14、水冷壁、對流管束、省煤器等部件組成；燃燒系統(tǒng)有燃燒器、爐膛和煙道、空氣預(yù)熱器等。水管鍋爐的出現(xiàn)，為提高鍋爐出力創(chuàng)造了條件。它在結(jié)構(gòu)上為增大鍋爐蒸發(fā)量、提高蒸氣參數(shù)提供了可能。因為在鍋筒外邊可以設(shè)置足夠大的爐膛，布置足夠多的受熱面。作為主要受熱面的管子直徑較小，可以承受更高的壓力，采用多彎水管時，彈性較好的彎管可以承受熱脹冷縮。水管鍋爐的安全性能也較好，因其鍋筒不直接受熱，工作條件比較優(yōu)越。直接受熱的管子即使爆破，其危害性也比筒體爆炸為小?，F(xiàn)在高參數(shù)大容量鍋爐全部是水管鍋爐。目前工業(yè)上常用的水管鍋爐有橫鍋爐分聯(lián)箱直水管鍋爐（拔柏葛鍋爐）、雙橫鍋筒彎水管鍋爐（k型鍋爐）、雙縱鍋筒彎水管鍋爐（d型和

15、、k、b型）等幾種。 （12）鍋筒（steam drum） 鍋筒，俗稱汽包，是水管鍋爐的主要承壓部件。除直流鍋爐沒有鍋筒外，其它水管鍋爐都有一個或兩個甚至多個鍋筒?，F(xiàn)代鍋爐的鍋筒一般都是焊接結(jié)構(gòu)，即在圓體兩端與凸形封頭焊接連接，筒體上開設(shè)許多管孔，用以裝接管子。鍋筒不象鍋殼那樣，是個受熱面，而是不直接受熱的部件。它的主要作用是：（1）容納一定量的水，使鍋爐在運行中的水位保持相對穩(wěn)定，并具有一定的適應(yīng)負(fù)荷變化的能力；（2）與上升管及下降管相連接，以構(gòu)成一個封閉的水循環(huán)回路，并作為汽水循環(huán)的起點和終點；（3）具有一定的蒸氣空間，進行汽水分離，在汽水系統(tǒng)中是汽液兩相的明確分界點。 （13）鍋爐聯(lián)箱（

16、boiler hea der） 聯(lián)箱又名集箱，是水管鍋爐汽水系統(tǒng)中用以聯(lián)接受熱面管子的箱形（盒形）結(jié)構(gòu)。除對流管束一般直接裝接在鍋筒上外，其它受熱面管子，一般都是由聯(lián)箱聯(lián)接，每個聯(lián)箱所聯(lián)接的管子構(gòu)成一個管組。早期設(shè)計制造的鍋爐，聯(lián)箱都是方形或矩形的箱體，它的名也是由此而來?，F(xiàn)代鍋爐中的聯(lián)箱，多是用直徑較大的無縫鋼管，兩端加焊封頭制成。為了聯(lián)接受熱面管子，聯(lián)箱上開有較多的管孔，此外還有檢查用手孔及疏水、排污管孔等。水管鍋爐設(shè)置聯(lián)箱，不但可以大大減少鍋筒殼壁的開孔數(shù)量，避免鍋筒強度過分削弱，而且還可以使受熱面的受熱情況與工質(zhì)流量分配狀況比較均勻，有利于提高鍋爐運行的安全可靠性。 （14）水冷壁（w

17、ater cooling bank） 水冷壁是由布置在水管鍋爐爐膛（燃燒室）四周、緊貼爐墻內(nèi)側(cè)的管子組成的一管系爐墻，由許多無縫碳鋼管彎制而成。它下端與聯(lián)箱聯(lián)接，上端大多直接聯(lián)接到鍋筒上，高參數(shù)大容量鍋爐則通過聯(lián)箱再用汽水導(dǎo)出管聯(lián)接到鍋筒上。水冷壁排的管間間距及管子長度則由鍋爐蒸發(fā)量及燃燒、傳熱情況確定，管子的總體形狀則取決于爐膛的形狀，即因爐而異。水冷壁是水管鍋爐的主要受熱面。對高壓鍋爐則是唯一的受熱面。水冷壁的管子內(nèi)不斷有汽水流過，爐膛內(nèi)火焰（高溫?zé)煔猓┑拇罅枯椛湔舭l(fā)受熱面。水冷壁也有保護爐墻的作用，因為爐膛內(nèi)大量輻射熱被水冷壁吸收后，爐墻的溫度便可大幅度降低，散熱損失減少，在爐墻上結(jié)渣的

18、可能性也小。 （15）對流管束（convection bank） 對流管束是指水管鍋爐內(nèi)上下兩端分別與上下鍋筒聯(lián)接（方式可以是脹接工焊接）的一束鋼管，是小型水管鍋爐的重要蒸發(fā)受熱面。因為這些管束不是布置在爐膛中，而是布置在爐膛出口處的煙道中主要以對流方式吸收煙氣的熱量，所以是對流蒸發(fā)受熱面。對流管束不是平面（壁面）布置，而是以體積形布置在煙道空間里。管子與管子之間有一定的間距，以便檢修時更換管子。管子的排列方式有順列和錯列兩種。為便于清灰，多數(shù)為順列排列。 （16）球形容器（spherical vessel） 球形容器俗稱球罐，它的本體就是一個球殼。一般都是焊接結(jié)構(gòu)，舊式的也有鉚接的。球形壓力

19、容器大多數(shù)是中、低壓容器，直徑都比較大，因為只有采用大型結(jié)構(gòu)才能充分發(fā)揮球形容器的優(yōu)越性。大直徑的球形容器難以整體或半球體壓制成形，所以大多是由許多塊按一定尺寸預(yù)先制成的球瓣組焊而成。從承壓殼體的受力情況看，球形是最適宜的形狀。因為在內(nèi)壓力作用下，球形殼體的應(yīng)力是圓筒形殼體的1/2。如果容器的直徑、制造材料和工作壓力都相同，則球形容器所需要的承壓壁厚只為圓筒形容器的一半。從殼體的表面積看，球形殼體的相對表面積（表面積與容器容積之比）要比圓筒形殼體小1030%。相對表面積小，所使用的板材也少，再加上承壓所需的壁厚較薄，因而制造同樣容積的壓力容器，球形容器要比圓筒形容器節(jié)省制造材料約3040%。球

20、形容器不適宜于作反應(yīng)、換熱用容器，而被廣泛用作盛裝貯存容器。大型球形容器的組裝焊接方式、施焊環(huán)境等條件都較差，因而容器焊接質(zhì)量難以保證。由此而造成的容器爆炸事故，國內(nèi)外發(fā)生過許多起。這是大型球形容器的缺點，因此使用時應(yīng)加強檢驗。 （17）圓筒形容器（cylindrical vessel） 圓筒形容器是由一個圓筒體和兩端的封頭（端蓋）組成的容器。是使用得最為普遍的一種壓力容器。雖然圓筒體的受力狀況不如球體，但比其它形狀（如方形）要好得多。圓筒體是一個平滑的曲面，沒有由于形狀突變而產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。而圓筒形容器比球形容器易于制造，內(nèi)部空間又適宜于裝設(shè)工藝裝置，并有利于相互作用的工作介質(zhì)的相對流動

21、，因而被廣泛用作反應(yīng)、換熱和分離容器。圓筒形容器的筒體，薄壁的，除直徑較小者常采用無縫鋼管外，一般都是用鋼卷圓后焊接制成；厚壁的，有單層的（包括整體鍛造和卷焊），也有多層組合的。為了便于成批生產(chǎn)，我國已經(jīng)實行壓力容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化。容器的筒體直徑按標(biāo)準(zhǔn)的公稱直徑選定。容器的公稱直徑，通常是指它的內(nèi)徑（無縫鋼管制容器除外），用dg表示。焊接容器的公稱直徑系列見表10 2。 表102 容器公稱直徑系列表（m m） 見表 （18）封頭（closure head） 封頭是圓筒形容器的主要承壓部件。它作為容器的封閉端，與圓筒體組成一個完整的密閉容器。習(xí)慣上，封頭常常是指與圓筒體焊接連接成不可拆的容器端部

22、結(jié)構(gòu)；而與筒體由螺栓蘭等連接的可拆結(jié)構(gòu)，則稱之為端蓋。封頭的型式較多，以它的縱剖面曲線形狀來分，有半球形、碟形、橢圓形、無拆邊球形、錐形及平板形等多種。在壓力作用下，封頭殼壁上的應(yīng)力的大小和分布都與它的型式、形狀有關(guān)。如何正確選用封頭的型式與尺寸參數(shù)，也是壓力容器設(shè)計中與安全有關(guān)的一個問題。通常在壓力容器設(shè)計中，平板封頭是很少采用的，只是一些中、低壓容器的人孔或手孔中用作蓋板。錐形封頭一般也只是用于某些特殊用途的場合。 （19）半球形封頭（semispherical head） 半球形封頭實際上就是個半球體。由于它的高度（深度）太大（與半徑相同），整體壓制成形比較困難，直徑較大的半球形封頭（公稱直徑dg>2·5m）一般都是由幾塊大小相同的梯形球瓣板和頂部中心的一塊圓形球面板（球冠）組焊而成。中心圓板的作用是把梯形球瓣板之間的焊縫保持有一定的間隔距離，以防止焊縫重疊或過分靠近致使金屬材料過熱，或產(chǎn)生太大的焊接應(yīng)力和變形。半球形封頭也和球形容器一樣，作為一種承壓的簡單殼體，它是最理想的型式，因為在直徑相