锅炉压力容器安全讲座——表面工程在线服务网

锅炉压力容器为何属于特殊设备
锅炉是生产蒸汽或加热水的设备。生产蒸汽的锅炉叫蒸汽锅炉，加热水使其升温但不汽化的锅炉叫热水锅炉。压力容器泛指承受流体压力的密闭容器。安装和使用地点固定、工艺条件和操作人员也比较固定的容器为固定式容器，用以装载、运输气体或液体介质的容器为移动式容器。
锅炉压力容器在国民经济建设中起着重要作用，锅炉压力容器安全受到各方的关注。国内外普遍将锅炉压力容器视作特殊设备，其原因是：
一、使用广泛
锅炉广泛应用于电力、机械、冶金、化工、轻工等行业及日常生活中。火力发电中用以产生高温高压蒸汽的锅炉叫电站锅炉，其他工业企业及供暖使用的锅炉统称为工业锅炉。我国矿石燃料产量的一半以上都被锅炉消耗，转化为电能或热能，供生产或生活利用。
压力容器的使用比锅炉更为广泛。在化学工业中，几乎每一个工艺过程都离不开压力容器，其他工业部门也普遍使用压力容器。液化石油气钢瓶等压力容器则已进入千家万户，与人们的日常生活密切相关。
二、事故率高
锅炉压力容器的工作条件一般比较恶劣，因而容易发生各种事故：
1.承受压力及温度锅炉的汽水系统在密闭的容器和管道中工作，承受着介质压力和火焰加热，有时承受的压力和温度会很高。压力容器承受大小不同的压力载荷和其他载荷，有些容器还在高温或深冷条件下运行。锅炉压力容器内的压力可能因操作失误或反应异常而迅速升高，从而导致承压部件超压破裂。
2.接触腐蚀性介质锅炉外侧要接触烟气、灰尘，内侧要接触水或蒸汽，常会造成腐蚀或磨损。压力容器的工作介质常具有较强的腐蚀性，会导致氧腐蚀、硫腐蚀、硫化氢腐蚀以及各种浓度的酸、碱、盐腐蚀，损坏设备。
3.较为复杂的局部应力锅炉压力容器通常都有开孔接管及其他的不连续结构，在这些区域内存在着较高的应力，在不利的使用环境或载荷条件下，会导致承压部件破裂。
4. 连续运转不易检验锅炉压力容器大多是钢制焊接结构，在焊缝部位常隐含着漏检缺陷或标准允许的细微缺陷。在使用中，锅炉及很多压力容器必须连续运行，不便停用检查，常因缺陷扩展而导致破裂。
在上述因素共同影响下，即使是设计、制造质量符合标准的锅炉压力容器，在正常操作条件下也会发生各种事故，更不用说带有设计、制造缺陷的设备和操作失当的设备了。
三、事故后果严重
锅炉压力容器承压部件的断裂破坏伴随着介质的能量释放会形成爆炸，具有巨大的破坏力，不仅损坏设备本身，而且损坏周围的设备和建筑，并常常造成人身伤亡，后果极其严重。造成伤害的因素主要有：
1.冲击波伤害锅炉压力容器内的介质一般是具有一定压力的气体、液化气体或高温液体，承压部件一旦破裂，介质即泄压膨胀或瞬时汽化，瞬间释放出大量的能量。其中大约85%的能量用以产生冲击波，向周围快速传播，破坏设备、建筑并危害人身安全。
2.设备碎片伤害锅炉压力容器破裂时，有些壳体可能会断裂成碎片并高速飞出，击穿、撞坏相遇的设备或建筑，有时直接伤人。
3.介质伤害锅炉压力容器破裂时介质外泄，常常造成人员烫伤、中毒、现场燃烧及二次爆炸，产生连锁反应。
总之，锅炉压力容器爆炸，常造成大面积的、立体性的破坏和群体伤害，给事发单位和社会造成严重损失。
综上所述，锅炉压力容器应用广泛，工作条件恶劣，容易损坏并发生事故，且事故后果严重。因而对锅炉压力容器安全不能等闲视之，一定要慎之又慎，确保万无一失。我国把锅炉压力容器作为一种特殊设备，由国家委托的专门机构对其安全进行监督管理。
探索避免爆炸事故的途径
在人类文明发展史上，锅炉是最早被使用的大型工业设备之一。锅炉压力容器安全技术是较早发展起来的特种设备安全技术。但是，人们对锅炉压力容器安全重要性及规律性的认识，从18世纪人类使用蒸气动力开始，经历了一个漫长的过程，经受了无数次锅炉爆炸及人员死伤的教训。不断的、惨重的流血事故引起人们对锅炉压力容器安全的关注，由关注而探索，逐步了解了事故发生的规律，并初步探索出避免事故的途径。
现在人们知道，锅炉压力容器安全技术是一门以设备安全为中心的系统安全工程技术。
以锅炉为例，它的制造和使用不但涉及人员、设备、环境等系统因素，它的本身就是一个复杂的多部件大系统。一台锅炉具有：1.燃烧系统，包括炉膛、烟道、燃烧装置等，是燃料燃烧放热及燃烧产物传热的机构和场所；2.锅内系统，由一系列容器和管道组成，是水汽介质受热流动的机构和场所；3.辅助机械，包括风机、水泵等，用于驱动风、烟、水、汽流动；4.附件仪表，包括各种安全装置及其他附件，用于监控调节介质参数和运行工况。锅炉安全涉及的因素很多，必须以系统的观点和方法进行分析。但锅炉爆炸却是锅内系统的大型核心部件破裂的结果，必须紧紧抓住这个核心或者中心。
保证设备在承压储能过程中不破裂，就从根本上解决了锅炉压力容器的安全问题。要保证设备在工作中不破裂，主要涉及设备和介质两个方面，从设备方面说，就是要有完好的质量和性能，要有足够的、满足工作要求的承压能力；从介质方面说，就是要限定其数量和参数在规定的限度之内，不要超过设备的承受能力。
反言之，锅炉压力容器爆炸，不外乎两个方面的原因：一是工作条件严重恶化，远远超出设计工作条件和设备承载能力，比如严重超压或超温；二是设备本身隐含或产生缺陷，使设备承受不了正常的设计工作条件。
相应地，避免锅炉压力容器破裂爆炸的对策是：（1）设计、制造出的设备应能满足正常工作条件的要求；（2）在使用中严格调整、监控设备运行参数，避免工作条件恶化；（3）防止和消除设备缺陷。
为严肃而切实地实行上述对策，国内外共同采用的行之有效的方法是：（1）用法规指导和控制锅炉压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造等七个环节；（2）对锅炉压力容器安全实行官方或第三方监督。
我国现行的锅炉压力容器安全主要法规有：
[1]国务院：锅炉压力容器安全监察暂行条例国发[1982]22号
[2]劳动部：蒸汽锅炉安全技术监察规程劳部发[1996]276号
[3]劳动部：热水锅炉安全技术监察规程劳锅字[1991]8号（1997年修订版）
[4]国家质检总局：压力容器安全技术监察规程质技监局锅发[1999]154号
[5]国家质检总局：气瓶安全监察规程质技监局锅发[2000]250号
由于设计、制造等七个环节分散在各个部门，涉及众多的技术、管理和操作人员，人们的处境、观念、水平及利害不尽相同，对同一法规的理解和执行情况也会有差异，因而必须有代表国家的综合部门对锅炉压力容器安全实施统一的监督管理。
由于涉及设备和介质两个方面及七个环节，锅炉压力容器安全涉及到较多的技术知识，技术含量较高。对锅炉及压力容器进行安全管理或安全操作，均需要对相关知识有所了解。
在这方面，有两种态度是不妥当的：一种是无视锅炉压力容器安全的重要性和技术含量，认为操作管理锅炉压力容器是粗活累活，随便找人临时干干就行；另一种是把锅炉压力容器安全神秘化，认为复杂难懂，是专业人员的事，放弃了解和学习的责任。实际上，锅炉压力容器安全的基本知识并不复杂深奥，了解掌握一些基本知识，不但必要，而且完全可能，关键是要有责任心，从实际出发，理论联系实际，坚持不懈地学习。
锅炉爆炸与承压下水的状态的关系
在蒸气锅炉中水是在承压状态下吸收热量转变成蒸汽的。锅炉爆炸不但与锅炉承压有关，也与承压下水的吸热及热力状态有关。
一、水的饱和温度与压力的关系
先介绍几个关于压力和温度的基本概念：
1.表压力指设备上所装设的压力表内显示的压力。当设备不承受介质压力时，设备内外均为大气环境，压力表的示值为0，因而表压力是以大气压力为基准的压力，或者说是高出大气压力的压力。
通常所说锅炉压力容器的工作压力或操作压力，均指表压力。
2.绝对压力是以绝对真空为度量起点的压力，即表压力与大气压力之和。
研究介质状态和变化过程时，研究压力、温度、比容等参数间的关系时，一般均使用绝对压力。
锅炉压力容器使用的压力单位通常为兆帕。近似地取大气压力为0.1兆帕，则绝对压力与表压力的关系为：绝对压力=表压力+0.1（兆帕）
3.饱和温度在一定压力下介质沸腾的温度。随介质种类和介质液面上压力的不同而不同。
4.标准沸点在标准大气压力下介质沸腾的温度。对于某种确定的介质，这个温度是个确定值。比如水的标准沸点近似为100℃，酒精的标准沸点为78.3℃。
水的饱和温度随水面上汽（气）压的升降而升降。在高原地区大气压力低于标准大气压，水的饱和温度也就低于100℃；在压力锅内水面上的汽压高于标准大气压，水的饱和温度就高于100℃。水面上的汽（气）压越高，水的饱和温度即沸点也越高。
二、“蒸气爆炸”
在蒸汽锅炉的核心部件——锅筒或锅壳内，在正常工况下，介质处于额定工作压力之下、汽水共存的饱和状态即沸腾状态。通常筒壳内下半部是饱和水，上半部是饱和蒸汽。饱和水与饱和蒸汽的共同温度是相应于额定工作压力的饱和温度，对承压锅炉此温度高于水的标准沸点100℃。一旦锅筒或锅壳破裂，器内压力骤然降低为大气压力，原额定工作压力下的饱和水瞬间变为大气压力下的过饱和（过热）水，过饱和水无法稳定存在，其一部分瞬时汽化，体积急剧增大，形成爆炸，叫“蒸汽爆炸”。
“蒸汽爆炸”是典型的物理性爆炸。在爆炸中介质除膨胀降压释放少量的机械能外，主要释放大量的热能，因而蒸汽锅炉爆炸常具有巨大的爆炸能量和破坏力，且锅炉内原带压饱和水是爆炸能量的主要携带者和释放者。下表给出了几种典型介质在储器破裂发生物理性爆炸时释放能量的情况。
由下表可以看出：
1.压力不高时，常温下承压水的储器破裂，爆炸能量极小，或者说形不成爆炸。这是因为水的压缩系数极小，承压水储存的机械能极少，又未升温储存热能，因而储器破裂也释放不出多少能量。
2.由于空气是可压缩性气体，压缩空气中储存机械能较多，爆炸能量较大，储器破裂时破坏力和危险性也较大。
3.承压饱和水的爆炸能量是同压力下同体积空气爆炸能量的十多倍，储器破裂时破坏力和危险性极大。蒸汽锅炉中储存带压饱和水多的锅筒、锅壳、炉胆、集箱等储器，潜在的爆炸危险性较大。
4.在承压的蒸汽锅炉省煤器及高温热水锅炉内，水的温度并未达到工作压力下的饱和温度，但如已超过了水的标准沸点100℃，在储器破裂时也会发生蒸汽爆炸。
几种典型介质爆炸能量的比较

介质种类	储器容积或介质体积	爆炸前器内压力（表压力）	爆炸能量的TNT当量
空气	1m³	1MPa	0.33Kg TNT
常温水	1m³	1MPa	0.053×10^-3Kg TNT
饱和水（184℃沸水）	1m³	1MPa	12.7Kg TNT

锅炉的规格与种类
一、锅炉的规格
锅炉规格表示锅炉生产蒸汽或加热水的能力及水平。蒸汽锅炉的规格以单位时间内产生蒸汽的数量及蒸汽参数表示，热水锅炉的规格以单位时间内水的吸热量及热水参数表示。
蒸汽锅炉每小时所产生蒸汽的数量称为锅炉的蒸发量，也称锅炉的容量或出力，通常以符号“D”表示，单位为t/h（吨/时）。锅炉铭牌上的蒸发量通常为额定蒸发量，即锅炉在规定的蒸汽参数和给水温度下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量。
热水锅炉的容量是单位时间内水在锅炉里的吸热量，单位为MW（兆瓦），其额定值称额定热功率或额定供热量。
锅炉产汽及介质吸热的多少与锅炉受热面的多少直接相关。受热面是锅炉中隔开烟气与水汽、并把热量由前者传给后者的金属壁面，通常为管子或圆筒壁面。
蒸汽锅炉的蒸汽参数以锅炉主汽阀出口处蒸汽的压力（表压）和温度表示。热水锅炉的介质参数以额定出水压力（表压）及额定出水/进水温度表示。压力和温度分别以符号“p”、“t”表示。
二、锅炉分类
可以从不同角度出发对锅炉进行分类：
1．按结构形式可分为锅壳锅炉（火管锅炉）、水管锅炉和水火管锅炉。
2．按用途不同可分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉等。
3．按容量大小可分为大型锅炉、中型锅炉和小型锅炉。习惯上，蒸发量大于100t/h的锅炉为大型锅炉，蒸发量20~100 t/h的锅炉为中型锅炉，蒸发量小于20 t/h的锅炉为小型锅炉。
4．按蒸汽压力大小可分为低压锅炉（p≤2.5MPa）、中压锅炉（2.5MP＜p≤5.9MPa）高压锅炉（p=9.8MPa）、超高压锅炉（p=13.7MPa）等。
5．按燃料和能源种类不同可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、废热（余热）锅炉等。
6．按燃料在锅炉中的燃烧方式可分为层燃炉、沸腾炉、室燃炉。
7．按工质在蒸发系统的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。
三、锅壳锅炉结构特点
锅壳锅炉的基本结构是双层夹套结构。其外筒叫锅壳，内筒叫炉胆（火筒），内、外筒之间的环行空间装水，而内筒是燃烧室。当水汽介质有压力时，锅壳受内压，炉胆承受外压。锅壳锅炉又分立式和卧式两种。目前常用的燃油、燃气锅炉是WNS型卧式内燃锅壳锅炉。
1．盛水的“锅”和烧火的“炉”都被包含在一个壳体——锅壳中；
2．金属炉膛（炉胆）容积小，被水包围，水冷程度大，燃烧条件差，必须烧优质燃料；
3．受热面少，蒸发量或热功率小，常装水管或烟火管以增加受热面和锅炉容量；
4．锅壳壳体直径较大，开孔较多，形状不规则，内部受热部分与不受热部分连接在一起，温度和热膨胀程度不同，因而壳体安全性较差；
5．锅炉结构系统比较简单，便于运输安装、运行管理及检查维护。
四、水管锅炉结构特点
水管锅炉在现代锅炉中占据着主要位置。和锅壳锅炉比较，其结构有完全不同的特点：
1．炉膛置于金属筒壳之外，一般为砌砖结构。“炉”不受“锅”的限制，体积可大可小，可以满足燃烧及增加蒸发量的要求；
2．以容纳水汽的管子置于炉膛、烟道中作主要受热面，储水及连接管子的大型核心容器——锅筒一般不直接受火焰加热，锅炉的传热性能及安全性能都显著改善；
3．水的预热、汽化及蒸汽过热在不同的受热面中完成，这些受热面分别叫作省煤器（预热）、水冷壁及对流管束（汽化）、过热器（蒸汽过热）；
4．锅内系统、燃烧系统及辅助系统比较复杂，而单个受压元件和部件的结构却比较简单；
5．对水质及运行操作水平均要求较高。
水管锅炉的总体结构型式有“D”型、“A”型、“O”型、倒“U”型等种。
五、卧式水火管锅炉
卧式水火管锅炉也叫卧式快装锅炉。是我国目前使用最普遍、数量最多的一种工业锅炉。它是在卧式外燃烟火管锅炉的基础上，在锅壳两侧及后部装设水冷壁，组成外部炉膛，形成水火管组合的结构形式。
卧式水火管锅炉结构紧凑，制造及运输、安装方便，使用时生火启动快，热效率较高。但其锅壳直接受火焰加热，易于产生鼓包等缺陷；后管板两侧温差大，冷却条件差，易于开裂。目前这种锅炉已有了一些改进型结构。
压力容器安监范围及分类
一、一般压力容器的限定
在工业生产和日常生活中，承压密闭的容器实在太多，其压力高低、容积大小、介质危害程度及爆炸危险性有很大差异，目前我国《压力容器安全技术监察规程》仅将其中的主要部分，即同时符合以下三条者，纳入了安全监察范围：
1．最高工作压力Pw≥0.1MPa（表压，不含液柱静压力）；
2．内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）Dn≥0.15m，且容积V≥0.025m3
3．介质为气体、液化气体或最高工作温度≥标准沸点（标准大气压对应的饱和温度）的液体。
此外，对气瓶及超高压容器也分别单独限定了安全监察范围。
二、压力容器的种类
从安全管理和技术监督的角度，通常把压力容器分为两大类，即固定式容器和移动式容器。
（一）固定式容器
可以按其工作压力和用途再行分类。
1．按压力分类我国《压力容器安全技术监察规程》将压力容器分为四个压力级别：低压容器（0.1MPa≤p＜1.6MPa）、中压容器（1.6MPa≤p＜10MPa）、高压容器（10MPa≤p＜100MPa）、超高压容器（p≥100MPa），其中p为压力容器的设计压力。
2．按用途分类根据容器在生产工艺过程中所起的主要作用，可归纳为四类，即反应容器、储存容器、换热容器、分离容器。
（二）移动式容器
它是一种储运容器，没有固定的使用地点，一般也没有专职的操作人员，使用环境经常变迁，管理比较困难，比较容易发生事故。
移动式容器按其容积大小和结构形状分为气瓶、气桶和槽车三类。
1．气瓶为小型储运容器，数量巨大，使用广泛，又分永久气体气瓶、高压液化气体气瓶、低压液化气体气瓶、溶解气体气瓶等。
2．气桶形状似桶，容积较气瓶稍大，主要用于储运液氯等低压液化气体。
3．槽车也叫罐车，为大型储运容器，用于储运低压液化气体，又有汽车槽车与火车槽车之分。
三、压力容器的安全综合分类
除上述分类方法外，为了有区别地进行技术管理和监督检查，我国《压力宣传品安全技术监察规程》根据容器压力的高低、介质的危害程度及在使用中的重要性，将压力容器分为三类，即一类容器、二类容器、三类容器。其中三类容器最为重要，要求也最为严格。具体分法是：
1．三类容器符合下列情况之一者为三类容器：
（1）高压容器；
（2）中压容器（毒性程度为极度和高度危害介质）；
（3）中压储存容器（易燃或毒性程度为中度危害介质，且设计压力与容积之积pV≥10MPa·m3）；
（4）中压反应容器（易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV≥0.5MPa·m3）；
（5）低压容器（毒性程度为极度和高度危害介质，且pV≥0.2MPa·m3）；
（6）高压、中压管壳式余热锅炉；
（7）中压搪玻璃压力容器；
（8）使用强度级别较高（抗拉强度规定值下限≥540MPa）的材料制造的压力容器；
（9）移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车（液化气体、低温液体或永久气体半挂式运输车）和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）；
（10）球形储罐（容积V≥50 m3）；
（11）低温液体储存容器（容积V＞5m3）。
2．二类容器符合下列情况之一且不在第1款之内者为二类容器：
（1）中压容器；
（2）低压容器（毒性程度为极度和高度危害介质）；
（3）低压反应容器和低压储存容器（易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；
（4）低压管壳式余热锅炉；
（5）低压搪玻璃压力容器。
3．一类容器低压容器且不在第1、2款之内者。
摘自《易安网》

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