摘要：分析廠立式橫水管鍋爐爐膽的穩定性，討論了高溫下爐膽失穩的可能性 分析了鍋爐爆炸事故的產生原因，提出了防止過熱情況下立式鍋爐爐膽失穩的措施。

　　關鍵詞：立式橫水管鍋爐；缺水；失穩；爆炸。

　　1．事故概況

　　2004年l2月，我市某單位一臺立式橫水管鍋爐運行半4,B,-t后，司爐工，發現鍋爐水位表看不見水位，遂停止引風機，開啟給水泵，隨即發生鍋爐爆炸。事故造成鍋爐房嚴重受損，司爐工被燙傷。

　　1．1鍋爐基本情況

  1．進水口2．爐門圈3．橫水管4．鍋殼5．爐膽

　　爆炸鍋爐為LSSO．3-0．4-Y立式橫水管鍋爐，結構簡圖見圖l，額定蒸發量0．3t／h，額定壓力0．4Mpa。為增加受熱面，該爐在爐膛內布置了數層密排橫水管，管排軸線相互平行：進水管布置在爐門圈左側。爐膽材料為20g，板厚6=8mm。

　　1．2事故檢查

橫水管兩側爐膽發生嚴重塌陷，塌陷部位沿橫水管軸線近似成對稱分布，如圖2所示。

 　　爐門圈上部第一排橫水管兩側塌陷最為嚴重，橫水管受爐膽擠壓嚴重變形。爐膽與爐門圈上部角焊縫撕裂。金相分析表明，爐門圈上部第一排橫水管及其附近爐膽有過熱現象存在。

　　2．立式橫水管鍋爐爐膽的穩定性分析

　　火穩是指對于剛性不是很大的承受外壓的元件，應力遠未達到屈服極限，卻失去原來的形狀，產生壓扁或折皺的現象。導致元件失穩的最小壓力稱為臨界載荷Per。失穩產生的破壞是不可逆轉的，設計時應使元件具有足夠的穩定性，避免火穩現象的發生。

　　從爐膽剖面圖(圖3)可以看出，對于立式橫水管鍋爐， 由于橫水管的加強作剛，橫水管管孑L區附近的爐膽的穩定性大大提高；而橫水管兩側的爐膽由于缺少約束，整個爐膽的不穩定性集中于此。

　　橫水管兩側爐膽的受力狀況可簡化為承受外壓的兩端固定的圓拱(圖4)。根據爐膽剖面圖可以得到圓拱的兒何參數，其中R=414mm，Y=45。。

　　文獻【1】指出，對于兩端固定的圓拱，其理論臨界載荷P’c= F而L[ 等 ]j ㈩)

　　其中：E⋯ 材料的彈性模量，Mpa

　　I一一一慣性矩，mm

　　R一一一半徑，mm

　　L一爐膽長度，mm

　　Y⋯ 圓拱張角，rad

　　鍋爐實際運行過程中，各種不穩定因素，如受熱不均、初始橢圓度、爐膽過熱后急速冷卻時產生的附加壓應力，會降低爐膽的穩定性。文獻【2】在計算臥式鍋爐平爐膽穩定性時，引入了穩定性安全系數n以表征上述不穩定因素對穩定性的影響。參照文獻【2)的作法，引入穩定性安全系數n，并取n=3．9，則臨界載荷Pcr為Pcr= 而L[ 吾一-]j ‘2)在正常工況下，爐膽溫度在250℃左右，相應彈性模量E=I．887 X 105MPa[ 1。根據式(2)，Pcr=0．448MPa>0．4Mpa。即正常工況下，爐膽不會產生失穩現象。實際上，文獻【2】在計算立式鍋爐爐膽壁厚時并未考慮穩定性對壁厚的影響。

　　爐膽溫度在600℃ 時， 相應彈性模量E=1．24 X 105MPa[ 1， Per：0．295M Pa<0．4Mpa。碳素鋼過熱時，溫度將超過700℃ ，由于E與溫度成反比，過熱時爐膽Pcr<0．4Mpa，即爐膽過熱時，在止常工作壓力下存在失穩的可能性。 ．

　　3．事故原因分析

　　鍋爐缺水后干燒，導致爐膽過熱，Pcr降低。司爐工盲目進水后，給水瞬間大量汽化，鍋爐內部壓力驟然伸高；同時進水口附近爐膽內壁急速冷卻，產生附加壓應力，導致P>Pcr。進水口附近爐膽過熱最為嚴重，首先失穩，且變形量最大。爐膽塌陷導致橫水管受壓嚴重變形，并在橫水管口區域產生附加拉應力，使得強度較差的爐門圈角焊縫撕裂，最終導致鍋爐爆炸。

　　4．改進措施

　　我所的普查表明，立式橫水管鍋爐廣泛用于服務業之中。改進鍋爐結構以提高爐膽穩定性，對于降低鍋爐過熱情況下爆炸的可能性，提高鍋爐的安全性，有著重要意義。

　　橫水管的作用之一就是增加約束，提高爐膽穩定性。但同向布置的橫水管只是提高了管孔區附近爐膽的穩定性，對橫水管兩側爐膽并未起到加強作用，即同向布置的橫水管并未提高爐膽整體的穩定性。相鄰兩層橫水管交義布置(即相鄰兩層橫水管軸線成90。)可以將橫水管的約束作用均布于爐膽上，從而改善爐膽整體的穩定性，防止爐膽失穩。

　　式(1)表明，爐膽結構嚴重影響P r，其中P cI r oc Y _。， 因而減小Y可以大幅度提高P r，在橫水管兩側爐膽部位加裝加強筋(圖5)可以減小Y，提高產Pcr，達到在不改變橫水管布置方式的前提下，提高爐膽穩定性的作用。

 　　5．結論

　　根據以上分析，可以得出如下結論：

　　(1)鍋爐缺水過熱后，司爐工的誤操作是鍋爐爆炸的直接原因。

　　(2)爐膽結構的不合理導致爐膽過熱后失穩是鍋爐爆炸的根本原因。

　　通過以下兩種方法可以提高爐膽整體的穩定性：

　　1) 相鄰兩層橫水管交叉布置

　　2)不改變橫水管布置方式，在橫水管兩側爐膽部位加裝加強筋