第7讲：锅炉压力容器事故断裂形式

1、 张启波张启波 青岛理工大学青岛理工大学 锅炉压力容器安全 Boiler pressure container safety 第七章 锅炉压力容器事故断裂形式 o 第1节 锅炉压力容器的断裂形式 o 第2节 锅炉常见事故 o 第3节 锅炉压力容器事故调查、分析与处理 第第1 1节节 锅炉压力容器的断锅炉压力容器的断 裂形式裂形式 3 压力容器的破坏形式和原因 压力容器是承受压力的密闭 容器。有些压力容器盛装可燃介 质，一旦发生泄露，这些可燃气 体会立即与空气混合并达到爆炸 极限，若遇到火源即可导致二次 爆炸火燃烧等连锁反应，造成特 大的火灾、爆炸和伤亡事故。 压力容器的危险因素 3 压力容器的

2、破坏形式和原因 n 韧性破裂 n 脆性破裂 n疲劳破裂 n应力腐蚀破裂 n蠕变破裂 容器超压： 如液化气储罐过量充装；操作人员操作失误；未设置超 压泄放装置或泄放装置选用不当或失灵； 容器的承载能力降低： 容器未正常维护，设计中的材料选择不当或结构不合理， 最终导致容器发生韧性破裂。 3 压力容器的破坏形式和原因 n 韧性破裂的原因韧性破裂的原因 在其器壁上产生的应力超过材料的抗拉强度，而 发生破裂。 压力容器的韧性破裂压力容器的韧性破裂 韧性越好、壁厚越薄的容器，破裂的断口宏观特征为无金韧性越好、壁厚越薄的容器，破裂的断口宏观特征为无金 属光泽、暗灰色的纤维状。属光泽、暗灰色的纤维状。 3

3、压力容器的破坏形式和原因 n 韧性破裂的特征：容器发生显著塑性变形，破裂时一般不 会产生碎块，而是沿容器轴向撕开较长裂缝。 3 压力容器的破坏形式和原因 n 韧性破裂韧性破裂 韧性破裂的断口形貌韧性破裂的断口形貌 当壁厚较厚或材料强度较高而韧性较差时，断口出现纤维 区、放射纹与人字纹区、剪切唇区等三部分。 3 压力容器的破坏形式和原因 n 预防压力容器韧性破裂的措施预防压力容器韧性破裂的措施 正确设计和规范操作压力容器； 正确设置超压泄放装置，保持其状态完好； 加强压力容器的检查维护工作，及时发现容器 爆破预兆。 3 压力容器的破坏形式和原因 n脆性破裂脆性破裂 容器总体薄膜应力低于制造容器材

4、料的抗拉强度， 在不发生或末发生充分塑性变形下发生的破裂类型。 脆性破裂发生的原因 材料断裂韧性小 容器材料或其结构部件存在严重缺陷 容器存在较高的附加应力 3 压力容器的破坏形式和原因 n脆性破裂的特征：脆性破裂在发生断裂前外 观没有明显的预兆和塑性变形，断裂时器壁内 的应力较低，且破坏的容器常断裂成碎块飞出。 n脆性破裂脆性破裂 3 压力容器的破坏形式和原因 英国汤姆森公司发生脆性断裂的氨合成塔英国汤姆森公司发生脆性断裂的氨合成塔 3 压力容器的破坏形式和原因 n脆性破裂脆性破裂 预防脆性破裂的措施 防止发生脆性破裂条件的存在 合理选材，规范制造，正确操作，定期检查 用冷冻水进行水压测试

5、碳钢转变温度=10 塔体的脆裂 3 压力容器的破坏形式和原因 n疲劳破裂压力容器常在交变载荷下运行，经受疲劳破裂压力容器常在交变载荷下运行，经受 长期作用后，容器的承压部件发生了破裂或泄漏。长期作用后，容器的承压部件发生了破裂或泄漏。 疲劳破裂按机理分为： 高应力低循环疲劳：指材料所受的交变载荷循环次数在102- l05，而相应的应力水平较高，接近或超过材料的屈服点。 低应力高循环疲劳：发生疲劳破坏的构件的应力值在材料的 弹性极限以下，材料所受的交变载荷循环次数在105以上。 3 压力容器的破坏形式和原因 n疲劳破裂的特征 疲劳破裂常发生在结构局部应力较高或存在材料疲劳破裂常发生在结构局部应力

6、较高或存在材料( (包括焊缝及包括焊缝及 其热影响区其热影响区) )缺陷处，容器没有明显的塑性变形。缺陷处，容器没有明显的塑性变形。 压力容器材料强度偏高而韧性较差时，则要发生爆破事故；当压力容器材料强度偏高而韧性较差时，则要发生爆破事故；当 用强度较低而韧性较好的材料制造容器时，不一定发生破裂，用强度较低而韧性较好的材料制造容器时，不一定发生破裂， 而是疲劳裂纹穿透壁厚发生泄漏。而是疲劳裂纹穿透壁厚发生泄漏。 疲劳破裂的断口：裂纹萌生、裂纹扩展区和最终断裂三个区。疲劳破裂的断口：裂纹萌生、裂纹扩展区和最终断裂三个区。 3 压力容器的破坏形式和原因 n疲劳破裂的预防疲劳破裂的预防 对新设计的容

7、器，选择抗疲劳材料，采用 抗疲劳结构 严格控制容器的制造和检验 维持设备稳定运行 3 压力容器的破坏形式和原因 n应力腐蚀破裂应力腐蚀破裂 腐蚀破裂：材料与周围环境介质产生化学或电 化学作用，使材料厚度减薄或本身性能发生变化， 从而导致的容器破裂现象。 应力腐蚀破裂：容器材料在特定介质环境中， 并在拉应力作用下，经过一定时间后发生开裂和破 断的现象。 3 压力容器的破坏形式和原因 n应力腐蚀破裂的条件应力腐蚀破裂的条件 特定腐蚀介质与材料的组合。 拉应力的存在。 材料纯度和组织状态的影响。 3 压力容器的破坏形式和原因 n应力腐蚀破裂的特征 无宏观的塑性变形，断口可见到腐蚀产物； 发生在结构的

8、应力集中部位或腐蚀介质富集区 断口存在两个区域，一是腐蚀裂纹扩展区；二是 快速断裂区。 3 压力容器的破坏形式和原因 n预防应力腐蚀破裂的措施预防应力腐蚀破裂的措施 选择对介质不敏感的材料 设计时避免应力集中 加缓蚀剂（循环冷却水） o 腐蚀的不同类型（模型）： 均一腐蚀 流电腐蚀 裂缝腐蚀 点蚀 应力腐蚀断裂 晶粒间腐蚀 腐蚀侵蚀（机械性） 选择性腐蚀 氢蚀（高温高压环境下高温高压环境下, ,氢进入金属内与一种组分或元素产生化学反应使金属破坏氢进入金属内与一种组分或元素产生化学反应使金属破坏） o 上述腐蚀类型的可能结合 腐蚀机理 腐蚀：球罐的倒塌 腐蚀：球罐的倒塌 o2000立方米的球罐桩

9、腿在水压测试时倒塌。球罐80% 满。导致一人死亡，一人受伤。 o最近一次的水压测试追溯到10年前并且最后一次检 测追溯到5年前。 o主要的原因：在防火混凝土建筑处塌台。水护帽没 有发挥恰当的功能。 腐蚀：球罐的倒塌 o在事故后的调查中，证实了：由于氢蚀，钢腿出现 了8毫米的厚度缺失。经过分析和测试，以下的因素 导致了腐蚀： n由于在防火混凝土上水帽不良设计，因此让水渗 入到钢柱和混凝土建筑之间 n混凝土建筑的垂直裂缝使水进入 n对于混凝土建筑已经进行了修复，但是修复工艺 不良 n新的混凝土未能很好的与旧的混凝土结构粘合， 再一次让水进入 n系统测试运用盐水，加剧了腐蚀的可能性 Lithuani

10、an一个炼油厂中塔爆裂 o 真空塔底部有一处泄漏口缝隙。此缝隙的内部腐蚀 导致最终毁坏。金属检查并未发现毁坏前有薄管道， 因而推测是安装时的金属冶炼有不正确的。 o 通常 T 200-250C o 厚层， O, C, S, Cl等的扩散 n 氧化 n 硫化 n 渗碳（炼焦，金属加工） n 卤素进入 n 熔盐 o 机械性能（蠕变、老化） 高温腐蚀 o 冶炼Cr, Ni, Si, Al 等在抗腐蚀性和机械性能的重 要性 其他案例 左侧法兰被严重腐蚀， 螺钉处于危险状态-将要 发生泄露。幸运的是在工厂 检查时发现了危险状态， 替 代了法兰（右图）。 左侧的图片显示腐蚀控制 阀，当你需要的时候你能指

11、望用它进行操作吗？右侧的 图片显示替代的阀门，如经 过合适的保养和测试，当需 要时能发挥作用。 关于材料和腐蚀的关键点 材料是根据技术方面（包括安全）和经济上平衡 来选取的 o氯化物（卤化物）污染物的重要点 制造的重要点 材料实用性的重要性 使用腐蚀基准数据库的陷阱和误差 腐蚀是表面现象 n表面是反应与物质的交界处 n物料可以在腐蚀过程中起到一定作用，同时也要 求工艺反应满足一定的条件 o物料：组成、性质、产品 o程序：温度、速率、化学组成 n化学品只有在特定的状态下特定的物料下才可能 腐蚀而在其他状态下不能。 需要在物料专家和反应/化学专家间开展交流 关于腐蚀的思考 o 材料的选择和腐蚀是一

12、个完整的工作 在工艺开发过程中应尽早选择材料 腐蚀问题通常并不是材料问题，通常是误解了局部条件 的变更（温度、化学组成） o 通过对其本身状态的正确理解（需要工艺和化学知 识），腐蚀问题可以在不改变材料的情况下解决 关于腐蚀的思考 3 压力容器的破坏形式和原因 n蠕变破裂蠕变破裂 原因：在高温下工作的压力容器，当操作温度超过 一定极限，材料在应力的作用下发生缓慢的塑性变形， 这种塑性变形经过长期的累积后，最终会导致材料破 裂。 特征：有明显塑性变形和蠕变小裂纹，断口无金属 光泽，呈粗糙颗粒状，表面有高温氧化层或腐蚀物。 第第2 2节节 锅炉常见事故锅炉常见事故 锅炉在运行时，不仅要 承受一定的

13、温度和压力，而 且要遭受介质的侵蚀和飞灰 磨损，因此具有爆炸的危险 。如果锅炉在设计制造及安 装过程中存在缺陷或因年久 失修，或违反操作规程都可 能出现严重的事故。 江苏一浴室锅炉爆炸造成1死4伤 （一）爆炸事故 锅炉部件发生破裂爆炸的事故。 （二）重大事故 使锅炉无法维持正常运行而被迫停炉的事故。虽 不象爆炸事故严重，但也可能造成设备损坏和人员伤 亡，使锅炉停运。 （三）一般事故 指在运行中可以排除的故障或经短暂停炉可排除 的事故，影响和损失较小。 一、锅炉事故分类 （一）水蒸汽爆炸 锅炉爆炸不是化学能的释放，而主要是热能的释 放，与工质的热力学特性密切相关。 锅炉饱和水和蒸汽共存一旦破裂压

14、力瞬间 下降到大气压成为过饱和水一部分即瞬时汽化， 体积骤然膨胀许多倍在容器周围空间形成爆炸。- 属于物理爆炸。 原来水面之上水蒸汽的膨胀仅是事故规模的次要 因素。 热水锅炉只要是承压的，锅水温度超过100度， 就有爆炸危险。 二、锅炉爆炸事故 （二）锅炉爆炸的三种情况 1、超压爆炸：安全阀、压力表不齐全、损坏或 装设错误，操作失误（关闭或减小出汽通道），导致 超压。 2、缺陷导致的爆炸。未超过额定压力。但因主 要部件出现裂纹、严重变形、腐蚀、组织变化等，导 致部件丧失承载能力年，突然大面积破裂爆炸。 3、严重缺水导致的爆炸。-主要部件得不到正 常冷却，甚至干烧，金属温度急剧上升甚至烧红。 给

15、严重缺水的锅炉上水，往往也会酿成爆炸事故。 二、锅炉爆炸事故 （一）缺水事故。 水位低于水位表最低安全水刻度线时，即形成缺 水事故。是最常见的事故，也是导致严重后果的原因。 缺少会使锅炉蒸发受热管子过热变形甚至爆破；管子 胀口渗漏或脱落；炉墙损坏，处理不当时，还会导致 锅炉爆炸。 症状：锅炉缺水，水位表发白，看不到水位，低 水位发出警报。过热蒸汽温度急剧升高；缺少严重时， 可闻到焦味，从炉门可见到烧红的水冷壁管。 三、锅炉重大事故 （一）缺水事故。 缺水原因：对水位监视不严，当锅炉负荷增大时， 未能及时调整进水；冲洗水位表后，误将汽、水塞关 闭，造成假水位； 发现缺水事故，首先应判断是轻微缺水

16、，还是严 重缺水，然后酌情处理。判断方法是“叫水”（打开 水位表的放水旋塞，如有水，则为轻微缺水，否 则）。 三、锅炉重大事故 （一）缺水事故。 缺水原因： 对水位监视不严，当锅炉负荷增大时，未能及 时调整进水； 冲洗水位表后，误将汽、水旋塞关闭，造成假 水位； 水位表本身缺陷，如旋塞、玻璃管泄漏，水连 管堵塞等，造成假水位； 给水设备或给水管路故障； 排污后忘记关闭排污阀，或排污阀泄漏未及时 发现； 锅炉受热面或省煤器管子破裂漏水。 三、锅炉重大事故 （一）缺水事故。 发现缺水事故，首先应判断是轻微缺水，还是严 重缺水，然后酌情处理。判断方法是“叫水”（打开 水位表的放水旋塞，如有水，则为轻

17、微缺水，否 则）。 轻微缺水：减少燃料和送风，立即上水，使水位 恢复正常，如果还不能正常，应立即停炉检查。 严重缺水：必须紧急停炉。 “叫水”操作只适用相对容水量的小型锅炉，不 适用于容水量很小的电站锅炉或其他锅炉，对此类锅 炉，包括最高火界在水连管以上的锅壳锅炉，一旦发 现缺水即应紧急停炉。 三、锅炉重大事故 （二）满水事故： 高于水位表最高安全水位刻度线的现象。 满水时，看不到水位，但表内发暗。 -高水位报警，过热蒸汽温度降低，给水流量大 于蒸发量。严重满水时，锅水可进入蒸汽管道和过热 器，降低蒸汽品质，造成水击和过热器结垢、淬火或 损坏。 症 状：水位表内无水位，但水位表玻璃管（板） 内

18、颜色发暗；高水位报警器发出水位警报信号；过热 蒸汽温度明显降低；严重满水时，蒸汽管内发生水击， 引起管道剧烈振动。 三、锅炉重大事故 （二）满水事故： 原 因： 对水位监视不严，当锅炉负荷降低时，未能及 时减少给水量； 水位表由于放水旋塞不严密或汽水连管堵塞等， 造成假水位； 给水自动调节阀失灵，未及时改为手动操作。 三、锅炉重大事故 （二）满水事故： 处 理： 应冲洗水位表，检查水位表是否故障。确认满水 时，立即关闭给水阀，启用省煤器再循环管路?，减 弱燃烧，开启排污阀及过热器、蒸汽管道上的疏水阀。 如果满水出现水击，则恢复正常水位后，还应检 查蒸汽管道、附件、支架等，确定无异常情况，才可

19、恢复正常运行。 三、锅炉重大事故 （三）汽水共腾： 蒸发表面（水面）汽水共同升起，产生大量泡沫 并上下翻腾的现象。 发生汽水共腾，水位表也出现泡沫，汽水界线难 以分清；过热蒸汽温度急剧下降；严重时，蒸汽管道 内发生水冲击。 汽水共腾与满水一样，会使蒸汽带水，降低蒸汽 品质，造成结垢及水击振动，损坏过热器或影响用汽 设备的安全运行。 三、锅炉重大事故 形成汽水共腾两个原因： 1）锅水品质太差。由于给水品质差、排污不当等 原因，造成锅水悬浮物或含盐量太高，碱度过高。由 于汽水分离，锅水表面含盐量更高，汽泡上升阻力增 大，-形成大量泡沫。 2）负荷增加和压力降低过快。当水位高、负荷 增加过快、压力降

20、低过快时，会使水面汽化加剧，造 成水面波动及蒸汽带水。 处 理：应减弱燃烧，降低负荷，关小主汽阀； 加强蒸汽管道和过热器的疏水；全开排污阀，并打开 定期排污阀放水，同时上水，以改善锅水品质；待水 质改善、水位清晰时，可逐渐恢复运行。 三、锅炉重大事故 （四）炉管爆破 ： 指蒸发受热面在运行中爆破，包括：水冷壁、对 流管束或烟管爆破。 炉管爆裂时，严重时能听见爆破声，随之水位急 剧下降，炉膛或烟道中有汽水喷出，负压减少，燃烧 不稳定，给水流量明显大于蒸发量。 原因：锅水水质不良，管内结垢或被腐蚀；水循 环不良或严重缺水，炉管过热变形而破裂；烟气磨损 导致管壁减薄u；管子膨胀受到限制，致使胀口、焊

21、 口破裂。 破裂不严重时，可以短时间降低负荷运行，待备 用锅炉启动后再停炉。严重时，须紧急停炉修理。 三、锅炉重大事故 （五）省煤器损坏 ： 省煤器管子破裂或省煤器其他零件损坏所造成的 事故。 导致给水量不正常地小于蒸汽流量；严重时，锅 炉水位下降，过热蒸汽温度上升；省煤器烟道有异常 声响，烟道潮湿或漏水，排烟温度下降，烟气阻力增 大，引风机电流过大。 原因：给水未除氧，水侧腐蚀严重；飞灰磨损严 重，导致管壁减薄；省煤器出口烟气温度低于其酸露 点，在省煤器出口段产生酸性腐蚀；水击造成剧烈振 动而损坏。 处理：如能经直接上水管给锅炉上水，并使烟气 经旁路流出，则可不停炉。否则必须停炉进行修理。

22、三、锅炉重大事故 （六）过热器损坏 ： 过热器爆管，使蒸汽流量明显下降，下于给水流 量；蒸汽温度上升，压力下降；过热器附近有明显声 响；炉膛负压减小，烟气温度下降。 原因：锅炉给水不符合要求，发生汽水共腾或汽 水分离装置效果差，造成过热器内进水结垢；受热偏 差或流量偏差使个别过热管超温而破裂；飞灰磨损严 重，或吹灰器安装位置不当 。 处理：须停炉进行修理。 三、锅炉重大事故 （七）水击事故 ： 水在管道中流动时，因速度突然变化导致压力突 然变化，形成压力波并在管道中传播的现象。发生水 击时，管道承受的压力骤然升高，发生猛烈振动并发 出巨大声响，常常造成管道、法兰、阀门等损坏。 易发生水击的部位

23、：给水管道、省煤器、过热器、 锅筒等。 原 因： 锅筒内水击：包括两种情况：上锅筒内水位低于给水管 出口而给水温度又较低时，大量进低温水造成蒸汽凝结，使压 力降低而导致水击；下锅筒内采用蒸汽加热时，进汽速度太快， 蒸汽迅速冷凝形成低压区，造成水击。 三、锅炉重大事故 原 因： 给水管水击，管道内存有蒸汽或空气；给水泵运行不正 常，或管道阀门关闭或开启过快造成的。如阀门突然关闭、高 速流动的水突然受阻，其动压在瞬间转变为静压，造成对阀门、 管道的强烈冲击。 省煤器水击，一种是省煤器内部分水变成了蒸汽，蒸汽与 温度较低的(未饱和)水相遇时，水将蒸汽冷凝，原蒸汽区压力 降低，使水速突然发生变化并造成

24、水击；另一种则和给水管道 的水击相同，是由阀门突然启闭造成的。 过热器水击，常发生在满水或汽水共腾事故中，在暖管时 也可能出现。造成水击的原因是蒸汽管道中出现了水，水使部 分蒸汽降温甚至冷凝，造成压力降低区，蒸汽携水向压力降低 区流动，使水速突然变化而产生水击。 三、锅炉重大事故 （七）水击事故 ： 预防措施： 1、给水管道和省煤器管道的阀门启闭不应过于 频繁，启闭速度要缓慢； 2、对可分式省煤器的出口温要严格控制，使之 低于同压力下的饱和温度40度； 3、防止满水和汽水共腾事故； 4、暖管之前应彻底疏水； 5、上锅筒进水速度应缓慢，下锅筒进汽速度也 应缓慢。 三、锅炉重大事故 （八）锅炉结渣 ： 指灰渣在高温下粘结于受热面、炉墙、炉排之上并越积越 多的现象。 结渣使受热面吸热能力减弱，降低锅炉出力和效率；局 部结渣会影响、破坏水循环，甚至造成水循环故障；结渣会使 过热蒸汽温度的变化，使过热器金属超温；严重的结渣会防碍 燃烧设备的正常运行，甚至造成被迫停炉。 主要原因：煤