锅炉爆炸

锅炉爆炸是锅炉的灾难性故障。锅炉爆炸有两种类型。一种是蒸汽侧和水侧受压部件故障。可能有许多不同的原因，例如安全阀故障、锅炉关键部件腐蚀或水位低。搭接接头边缘的腐蚀是早期锅炉爆炸的常见原因。第二种是熔炉中的燃料/空气爆炸，更恰当地称为火箱爆炸。固体燃料锅炉的燃烧室爆炸很少见，但燃气或燃油锅炉的燃烧室爆炸仍然是潜在的危险。

锅炉爆炸的原因有很多，例如水处理不良导致结垢和板过热、水位低、安全阀卡住，甚至是炉子爆炸，如果足够严重，可能会导致锅炉爆炸。自工业xxx开始以来，操作员培训不佳导致锅炉疏忽或其他不当操作一直是爆炸的常见原因。在19世纪末和20世纪初，美国、英国和欧洲的各种来源的检查记录表明，锅炉爆炸最常见的原因是锅炉因简单的生锈而变弱，比所有情况多出2到5倍。其他原因。在材料科学、检验标准和质量控制赶上快速发展的锅炉制造业之前，大量锅炉爆炸可直接归因于劣质材料的设计、工艺和未检测到的缺陷。

虽然劣化和处理不当可能是锅炉爆炸的最常见原因，但直到20世纪初美国锅炉检查员进行了广泛的实验，灾难性锅炉故障的实际机制才得到很好的记录。进行了几次不同的尝试以通过各种方式使锅炉爆炸，但最有趣的实验之一表明，在某些情况下，如果锅炉的突然开口使蒸汽逸出过快，水锤可能会导致整个锅炉的破坏压力容器：对圆柱形锅炉进行了测试，经受住了300磅（300psi或2,068kPa）的蒸汽压力而没有受伤。当[排放]阀在235磅[235psi或1,620kPa]的压力下突然打开时，锅炉发生故障，铁被扭曲并撕裂成碎片并被抛向四面八方。原因是蒸汽从锅炉突然涌入排放管，使锅炉内的压力迅速降低。这种压力的降低导致水中突然形成大量蒸汽，大量的水猛烈地朝蒸汽被抽出的开口抛出，撞击了该开口附近的锅炉部分，并导致骨折。但是，正如DKClark于1860年2月10日在给《力学杂志》编辑的一封信中所写的那样，早在此之前就了解了锅炉爆炸中水锤的高度破坏性机制：锅炉中的水突然分散和喷射到锅炉的边界表面上是导致结果剧烈的主要原因：分散是由于在整个水体中瞬间产生蒸汽引起的，并且在其努力逃跑，它把水带到它前面，蒸汽和水的联合动量把它们像子弹一样带过和在边界表面之间，并以一种简单的超压或压力无法解释的方式使它们变形或破碎。简单的蒸汽动力。

锅炉爆炸在（机车型）火管锅炉中特别危险，因为火箱顶部（顶板）必须始终被一定量的水覆盖；否则，即使在正常工作压力下，火焰的热量也会削弱冠片或冠撑到故障点。这就是1995年在宾夕法尼亚州加德纳斯附近发生的葛底斯堡铁路火箱爆炸的原因，当时低水位使冠板的前部过热，直到普通冠保持拉过板，在满水的情况下释放出大量的蒸汽和水。锅炉压力进入燃烧室。冠片设计包括几排交替的纽扣头安全撑条，将冠片的故障限制在前五排或六排传统撑条，防止整个冠片塌陷。这种类型的故障不仅限于铁路发动机，因为机车型锅炉已用于牵引发动机、便携式发动机、用于采矿或伐木的撬装发动机、锯木厂和工厂的固定发动机、供暖，以及提供蒸汽的成套锅炉对于其他进程。在所有应用中，保持适当的水位对于安全运行至关重要。Hewison(1983)全面描述了英国锅炉爆炸，列出了1815年至1962年间的137起。值得注意的是，其中122起发生在19世纪，而只有15起发生在20世纪。锅炉爆炸一般分为两类。首先是锅炉筒本身的破损，由于薄弱/损坏或内部压力过大，导致蒸汽突然在大范围内排出。搭接接头处的应力腐蚀开裂是早期锅炉爆炸的常见原因，可能是由碱脆引起的。锅炉中使用的水通常不受严格控制，如果呈酸性，可能会腐蚀锻铁锅炉板。电化腐蚀是铜和铁接触的另一个问题。锅炉板被抛出了四分之一英里（Hewison，Rolt）。第二种类型是燃烧室在相邻锅炉的蒸汽压力下坍塌，将火焰和热气释放到驾驶室中。改进的设计和维护几乎完全消除了xxx种类型，但如果工程师和消防员不保持锅炉中的水位，第二种类型总是可能的。如果内部压力过高，锅炉桶可能会爆炸。为了防止这种情况，安装了安全阀以在设定的水平上释放压力。早期的例子是弹簧加载的，但JohnRamsbottom发明了一种被普遍采用的防篡改阀。另一个常见的爆炸原因是内部腐蚀，它削弱了锅炉筒体，使其无法承受正常的工作压力。特别是，凹槽可能会沿着水位以下的水平接缝（搭接接头）出现。结果导致了数十次爆炸，但到1900年通过采用对接接头、改进的维护计划和定期液压测试而被消除。火箱通常由铜制成，尽管后来的机车有钢制火箱。它们通过撑杆（许多小支架）固定在锅炉的外部。与全蒸汽压力接触的火箱部分必须用水覆盖，以防止它们过热和变弱。火箱倒塌的常见原因是锅炉水位过低，火箱顶部（顶板）未覆盖并过热。如果消防员未能保持水位或水位指示器（量规玻璃）出现故障，则会发生这种情况。一个不太常见的原因是由于腐蚀或不合适的材料导致大量撑条断裂。在整个20世纪，英国发生了两次锅炉桶故障和十三次燃烧室倒塌。1909年的加的夫和1921年的巴克斯顿发生了锅炉筒故障；两者都是由于安全阀安装错误导致锅炉超过其设计压力造成的。在13起火箱倒塌事故中，4起是由于撑条断裂，1起是由于火箱上的水垢堆积，其余是由于水位过低。

许多壳式锅炉携带大量液态水，液态水被加热到比沸水在大气压下更高的温度和压力（焓）。正常运行时，由于重力作用，液态水留在锅炉底部，蒸汽气泡通过液态水上升并在顶部收集使用，直至达到饱和压力，然后停止沸腾。如果释放一些压力，沸腾会再次开始，依此类推。如果蒸汽正常释放，例如通过打开节流阀，水的起泡作用保持适度，并且可以从容器的最高点抽取相对干燥的蒸汽。如果蒸汽释放得更快，则产生的沸腾作用越剧烈，就会以湿蒸汽的形式喷出细小的液滴，从而损坏管道、发动机、涡轮机和其他下游设备。如果锅炉容器中的大裂缝或其他开口使内部压力突然下降，则残留在水中的热能将导致更多的液体闪蒸成蒸汽泡，然后迅速取代剩余的液体。逸出的蒸汽和水的势能现在转化为功，就像它们在发动机中所做的那样；用足够的力将断裂处周围的材料剥离，严重扭曲了以前由撑条固定在适当位置的板的形状，或者由其原始圆柱形形状自支撑。蒸汽和水的快速释放会产生非常强大的爆炸，并对周围的财产或人员造成极大的损害。快速膨胀的蒸汽泡还可以通过将大块的水朝开口方向以惊人的速度扔进锅炉内来做功。快速移动的水团携带大量动能（来自膨胀的蒸汽），与锅炉外壳碰撞会产生剧烈的破坏作用。这可以xxx扩大原来的破裂，或将外壳撕成两半。许多水管工、消防员和蒸汽装配工都知道这种现象，即所谓的水锤现象。几盎司的水团以高速通过蒸汽管道并撞击90度弯头，可能会立即使能够承受正常静压数倍的接头断裂。由此可以理解，几百磅甚至几千磅的水在锅炉壳内以相同的速度运动，很容易炸毁管板，坍塌燃烧室，甚至通过反应将整个锅炉扔出惊人的距离，因为水从锅炉中流出，就像一门重炮发射球的后坐力一样。对SL-1实验反应堆事故的若干描述生动地描述了水锤对压力容器的强大影响：这种加热过程引起的膨胀导致水锤，因为水被加速向上流向反应堆容器顶部，当水以160英尺/秒的速度撞击顶部时，在反应堆容器顶部产生大约10,000磅/平方英寸（69,000kPa）的压力。第二(50m/s)...这种极端形式的水锤推动控制棒、屏蔽塞和整个反应堆容器向上。后来的一项调查得出结论，这艘26,000磅（12,000公斤）的容器已经跳了9英尺1英寸（2.77米），上部控制棒驱动机构在回到原来的位置之前撞到了反应堆厂房的天花板。在350psi(2,400kPa)下运行的蒸汽机车的温度约为225°C(437°F)，比焓为963.7kJ/kg(437.1kJ/lb)。由于标准压力饱和水的比焓仅为418.91kJ/kg(190.01kJ/lb)，因此两个比焓之间的差544.8kJ/kg(247.1kJ/lb)就是爆炸中消耗的总能量。因此，对于在高压和高温状态下可以容纳多达10,000公斤（22,000磅）水的大型机车，这种爆炸的理论能量释放量约为1,160公斤（2,560磅）TNT。

在燃烧室爆炸的情况下，这些通常发生在燃烧器熄火之后。油烟、天然气、丙烷、煤或任何其他燃料都会在燃烧室内积聚。当容器很热时，这一点尤其值得关注；燃料会因温度而迅速挥发。一旦达到爆炸下限(LEL)，任何点火源都会导致蒸气爆炸。燃烧室范围内的燃料爆炸可能会损坏加压锅炉管和内壳，从而可能引发结构故障、蒸汽或水泄漏，和/或二次锅炉壳故障和蒸汽爆炸。小火箱爆炸的一种常见形式被称为鼓声，可以与任何类型的燃料一起发生。与正常的火焰轰鸣不同，炉排下方和穿过防火门的一系列有节奏的砰砰声和火焰闪烁表明燃料的燃烧正在通过一系列快速爆炸进行，这是由不适当的空气/燃料混合物引起的关于可用草稿的水平。这通常不会对机车型锅炉造成损坏，但如果允许继续，可能会导致砖石锅炉设置出现裂缝。

早期机车锅炉的板是通过简单的重叠接头连接起来的。这种做法对于围绕锅炉运行的环形接头是令人满意的，但在纵向接头中，沿锅炉的长度，板的重叠使锅炉横截面偏离其理想的圆形。在压力下，锅炉尽可能接近圆形横截面。由于双倍厚度的搭接比周围的金属更牢固，锅炉压力变化引起的反复弯曲和释放导致沿接头长度的内部裂缝或凹槽（深点蚀）。裂缝为内部腐蚀提供了一个起点，这可能会加速失效。最终发现，这种内部腐蚀可以通过使用足够大的板来减少，这样就没有接头位于水位以下。最终，简单的搭接缝被单或双对接接缝所取代，后者不会出现这种缺陷。由于燃烧室的不断膨胀和收缩，类似形式的应力腐蚀可能发生在螺栓进入燃烧室板的端部，并且由于水质差而加速。通常被称为颈缩，这种类型的腐蚀会降低支撑螺栓的强度，直到它们无法在正常压力下支撑燃烧室。水线附近也会出现凹槽（深的局部点蚀），特别是在使用未经脱气或除氧剂处理的水的锅炉中。所有天然水源都含有溶解的空气，当水被加热时会以气体的形式释放出来。空气（含有氧气）聚集在水面附近的一层中，xxx加速了该区域锅炉板的腐蚀。

机车火箱的复杂形状，无论是由软铜还是钢制成，只有通过连接到内梁和外墙的支柱支撑，才能抵抗其内壁上的蒸汽压力。它们容易因疲劳（因为内壁和外壁在火的热量下以不同的速度膨胀）、腐蚀或因暴露在火中的支柱头部被烧毁而失效。如果支柱失效，火箱将向内爆炸。定期进行内部和外部目视检查以防止这种情况发生。如果允许锅炉中的水位下降到足以使火箱的顶板露出来，即使维护良好的火箱也会爆炸性地失效。这可能发生在穿越山顶时，因为水流到锅炉的前部，会暴露出炉膛顶板。

用于为机械提供动力的固定式蒸汽机首先在工业xxx期间崭露头角，早期由于各种原因发生了许多锅炉爆炸。该问题的首批调查人员之一是威廉·费尔贝恩，他帮助建立了xxx家处理此类爆炸可能造成的损失的保险公司。他还通过实验证明，锅炉等圆柱形压力容器中的环向应力是纵向应力的两倍。这些调查帮助他和其他人解释了应力集中在削弱锅炉中的重要性。

现代锅炉设计有冗余泵、阀门、水位监测器、燃料切断装置、自动控制装置和泄压阀。此外，施工必须遵守有关当局制定的严格工程准则。NBIC、ASME和其他机构试图通过发布详细标准来确保安全的锅炉设计。结果是锅炉单元不太容易发生灾难性事故。提高安全性的还有越来越多地使用包装锅炉。这些是在工厂建造的锅炉，然后作为一个完整的单元运到工作现场。这些通常比现场逐管组装的锅炉具有更好的质量和更少的问题。成套锅炉只需要进行最终连接（电气、破坏、冷凝管线等）即可完成安装。

在蒸汽机车锅炉中，由于早期知识是通过反复试验获得的，因此发生爆炸的情况和因爆炸而造成的损坏是不可避免的。然而，到19世纪末，改进的设计和维护显着减少了锅炉爆炸的次数。20世纪继续进行进一步的改进。在陆基锅炉上，压力系统的爆炸在维多利亚时代经常发生在固定式蒸汽锅炉中，但由于提供了各种保护措施以及政府和行业要求强制进行的定期检查，现在这种情况非常罕见。当热水器的安全装置失灵时，热水器会以惊人的暴力爆炸。

蒸汽爆炸可能发生在任何类型的热水器中，其中提供了足够的能量并且产生的蒸汽超过了容器的强度。当热量传递足够快时，可能会发生局部过热，从而导致水锤破坏容器。SL-1核反应堆事故就是过热蒸汽爆发的一个例子。然而，在SL1示例中，压力是通过强制喷射控制棒来释放的，这使得蒸汽可以排出。反应堆没有爆炸，容器也没有破裂。