锅炉、与压力容器安全对策(一)

发布时间：2007年01月19日
作者：互联网
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（1）锅炉（Boiler）
　　锅炉是生产蒸气的机械设备。它把燃料的化学能转变为热能，再利用热能产生蒸气。锅炉主要由“锅”和“炉”两部分构成。“锅”是指它的汽水系统，其主要作用是使水受热变成水蒸气。由密闭的容器和管道组成。包括对流管束、水冷壁等受热面及其它一些不直接受热的容器与管道。汽水系统承受一定的压力和温度·“炉”是指锅炉的燃烧系统，或称风煤烟系统，其主要作用是进行燃烧与热交换。燃烧系统包括炉膛与燃烧器。由于锅炉是在很高的温度下运行的，汽水系统中的容器与管道又同进承受着较高的温度与压力，运行时可能有爆炸的危险。而锅炉一旦发生爆炸事故，不仅仅是设备本身遭到破坏，还会毁坏周围的设备及厂房等建筑物，造成严重的人身伤亡。所以锅炉的安全问题一直是一俱令人关注和重视的问题。世界上许多国家都把锅炉和压力容器作为一种特殊设备，由国家设立专门的安全监察机构（在我国，现为劳动部锅炉压力容器安全监察局）对锅炉与压力容器的设计、制造、安装、运行、检验维修等进行全面的安全监督。
　　（2）压力容器（Pressure vessel）
　　广义的压力容器，应包括所有承受流体压力的密闭容器。但在工业中，通常所说的压力容器是指其中比较容易发生事故，而且事故的危害性比较大，需要接受国家专门机构安全监督的容器。按照我国《压力容器安全监督规程》的规定，它的适用范围是同时具备下列条件的容器：（1）最高工作压力（Pw）大于等于0·1MPa；（2）容积（V）大于等于25L，且内直径大于等于150mm；（3）介质为气体、液化气体和最高工作温度高于其标准沸点的液体。压力容器的主要用途是贮存或运输气体或液化气体，使它保持有一定的压力；或为工作介质的传质、传热提供密闭的空间。它的主要部件就是一个能承受压力的各种形状的壳体。容器的形状根据其用途而定，但为了保持良好的受力状态，承压壳体的几何形状和轮廓应平缓过渡，不能有突然的急剧变化。常用压力容器是球形和圆筒形。压力容器不仅承受介质的压力载荷和其它机械载荷（重力、风力等），有些还要在高温或深冷的条件下运行，介质又多具有腐蚀性，工作条件比较苛刻，比较容易发生恶性爆炸事故，压力容器发生爆炸，系列连锁反应，常常使灾情进一步扩大。由于压力容器的事故率较高、事故危害性较大，许多国家都把它作为一种特殊设备，设专门机构进行安全监督。
　　（3）锅炉蒸发量与蒸气参数（Ecaporative capacity and parameter of syeam）
　　锅炉每小时所产生蒸气量，称为锅炉蒸发量，或称锅炉的“出力”或“容量”。其单位是t/h。锅炉在规定的蒸气参数和给水温度下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量，称为“额定蒸发量”。通常所说的以及锅炉铭牌上标注的蒸发量就是额定蒸发量。蒸气参数用以表征锅炉所产蒸气的热力性质，即蒸气的压力和温度。按照通常习惯，表示锅炉蒸气压力用表压力，单位是MPa；温度的单位是℃。我国锅炉的蒸发量和参数已经系列化并作为国家标准。工业锅炉的参数系列如表10——1所示。
　　表10——1 工业蒸气锅炉的参数系列
　　见表
　　（4）蒸发率与热效率（Evaporativity and thermal efficiency）
　　蒸发率是锅炉单位面积的受热面上的蒸发量，即每平方米的锅炉受热面上每小时所产的蒸气量。单位是kg/m²·h。锅炉蒸发率的大小，与它的结构型式有很大关系。例如，一般火管锅炉的蒸发率约为15~20kg/m²·h，而水管锅炉则往往超过30kg/m²·h。蒸发率越高，同样蒸发量的锅炉所需的受热面就越少。锅炉热效率正常运行时，输入锅炉的热量被有效利用的百分数。锅炉热效率通常用η表示.即：
　　η=（水汽吸收的热量/输入锅炉的总热量）×100%
　　热效率越高，同样蒸发量的锅炉所消耗的燃料就越少·
　　（5）锅炉受热面（Heating surface）
　　在锅炉内,把汽水与火焰烟气隔开,也就是一面和火焰或烟气接触,吸收燃料燃烧时所放出的热量,另一面与水或蒸气接触,将热量传给汽水的金属壁面,称为锅炉受热面,单位是m²。受热面是汽水系统的主要部分，主要作用就是把烟气的热量传给汽水。省煤器、水冷壁、对流管束、过热器等都是受热面。锅壳式锅炉的炉胆、烟管也是受热面。锅炉蒸发量的大小，在很大程度上取决于它的受热面。一般说来，受热面越大，锅炉蒸发量也越大。
　　（6）锅炉水循环（Water circulation）
　　锅炉水循环是指和汽水混合物在锅炉蒸发受热成中的循环流动。依靠水和汽水混合物的重度差维持的循环叫自然循环。依靠回路水泵的压头所维持的循环叫强制循环。自然循环是最常见的锅炉水循环方式。水管锅炉的水循环在由上升管和下降管等组成的循环回路中进行；锅壳式锅炉的水循环没有确定的循环回路，在锅壳的水空间内进行。在自然循环中，每一次只有一部分水变为蒸气。进入上升管入口的水量称为循环流量，它与此回路所产生的蒸气量（即上升管出口的蒸气量）之比值称为循环倍率。锅炉循环倍率是衡量锅炉水循环安全性的指标之一。循环倍率大，表示锅炉上升管出口段汽水混合物中蒸气的份额小，水的份额大，附于管壁上的水膜厚，管壁的冷却情况好，工作安全。自然循环的动力是下降管和上升管的压力差，它是由下降管和上升管中水的重度差和循环回路的高度所确定的。如果循环动力被过分削弱，就会产生水循环故障。常见的水循环故障是停滞和倒流。水循环故障，常常危及锅炉的安全运行，例如水循环出现停滞时，就可能导致管壁超温爆破，即所谓爆管。所以要保证锅炉安全运行，就得保证正常可靠的水循环。
　　（7）锅炉水处理（Water treatment）
　　锅炉水处理是用机械的或化学的方法对锅炉给水进行净化和软化，即除去或减少水中的杂质，使其符合锅炉的水质标准。工业锅炉给水一般都取自然水。天然水中含有许多杂质，包括：悬浮物，如泥沙、藻类、油污等不溶物质；胶体物质，如铁化合物、硅盐等；固体溶解物，如钙盐、镁盐、钠盐等；气体溶解物，主要是氧和二氧化碳。这些杂质给锅炉带来的主要危害，一是使锅炉结垢，不仅降低锅炉的热效率，还会使受热面金属过热，严重时导致爆管或鼓包。二是对锅炉金属产生腐蚀，包括电化学腐蚀及碱脆等应力腐蚀，削弱受压元件的强度，影响锅炉安全运行。三是污染蒸气，不仅使所产生的蒸气品质下降，还会造成过热器等因沉盐结垢而被损害。为了防止锅炉给水带来上述危害，就得进行水质处理。锅炉给水的处理过程分为炉外和炉内处理两部分。炉外处理是主要部分，一般有沉淀、凝聚、过滤、软化、除碱、除盐等过程；炉内处理是加药剂于给水系统中，借药剂在炉内反应来进行水的处理。
　　（8）立式锅炉（Vertical boiler）
　　立式锅炉是锅壳立式放置的锅炉的总称。有多种结构形式，有火管式（指锅炉燃烧火焰或烟气地管内流动）和水管式。立式锅炉的特点是结构紧凑，占地面积小，但高度较大；安装方便，很少或甚至不用炉墙；因为锅筒垂直放置，可以按蒸气干度要求选定蒸气空间高度，蒸气品质较好；锅炉检修及水垢清洗也比较方便。此种锅炉的热效率一般都比较低，燃料消耗量大。常用的立式锅炉结构型式主要有立式大横水管锅炉、立式平头火管锅炉、立式多横火管锅炉（考克兰锅炉）和立式水管锅炉等。其中立式水管锅炉（包括立式直水管锅炉和立式弯水管锅炉）是我国自行设计制造的，它的热效率比其它立式锅炉高，耗用钢材也较少，是近年来发展较快的一种小型锅炉。
　　（9）卧式锅炉（Horizontal boiler）
　　卧式锅炉是锅壳卧放的锅炉的总称，其结构型式也较多。最老式的有双火筒（炉胆）锅炉，即兰开夏锅炉。因热效率低，体积大，单位蒸发量的耗煤、耗钢材都较大，现已被淘汰。现用的卧式锅炉有卧式内燃回火管锅炉和卧式外燃回火管锅炉。此外，还有固定机车式锅炉、船舶式锅炉等。卧式锅炉的蒸发量一般可以作得比立式锅炉大，因为它的炉排在炉胆（火筒）内沿锅壳轴向布置，炉排和受热面面积可以不受锅壳直径的限制，通过变更锅壳的长度来调整炉排及受热面的大小。这种锅炉结构也比较紧凑，安装和检修都比较方便，对水质的要求也不太高。缺点是结构刚性较大，对热膨胀的补偿能力较差，受热不均匀时易于产生热应力；它的水循环情况也比立式锅炉为差·
　　（10）快装锅炉（Self-contained boiler）
　　快装锅炉是在卧式外燃回火管锅炉的基础上发展起来的一种卧式水管锅炉。在结构上兼有火管锅炉和水管锅炉的特征。因为它是整体在制造厂全部组装好后才运往使用单位安装，故得此名。这种锅炉主要由锅筒、前后管板、烟管、水冷壁系统（水冷壁、联箱、下降管）等部件，以及一个外壳和底坐所组成。卧式水火管锅炉结构紧凑，体积小，重量轻，整体出厂，运输和安装都很方便，使用时升火启动快，负荷调整方便，热效率比一般火管锅炉为高，由于具有这些特点，所以它已成为近年来国内用量最大的一种小型锅炉。这种锅炉的缺点是：锅炉的下锅筒直接受辐射热，如果水质不良或排污不正常，容易在锅筒底部沉积泥渣，造成下壁过热鼓包；烟管错列，排列又密，管外和积垢不易清除；管板与筒体间有全焊式角板拉撑的刚性连接结构，难以适应压力和温度的变化，焊接质量也无法保证，容易产生裂纹及开脱等严重缺陷。
　　（11）水管锅炉（Water tube boiler）
　　水管锅炉是泛指燃烧高温烟气在管外（间）流动，而汽水在管内吸热蒸发的一类锅炉。它的结构型式也很多，但所包括的部件却大体相同。汽水系统主要由锅筒、联箱、水冷壁、对流管束、省煤器等部件组成；燃烧系统有燃烧器、炉膛和烟道、空气预热器等。水管锅炉的出现，为提高锅炉出力创造了条件。它在结构上为增大锅炉蒸发量、提高蒸气参数提供了可能。因为在锅筒外边可以设置足够大的炉膛，布置足够多的受热面。作为主要受热面的管子直径较小，可以承受更高的压力，采用多弯水管时，弹性较好的弯管可以承受热胀冷缩。水管锅炉的安全性能也较好，因其锅筒不直接受热，工作条件比较优越。直接受热的管子即使爆破，其危害性也比筒体爆炸为小。现在高参数大容量锅炉全部是水管锅炉。目前工业上常用的水管锅炉有横锅炉分联箱直水管锅炉（拔柏葛锅炉）、双横锅筒弯水管锅炉（K型锅炉）、双纵锅筒弯水管锅炉（D型和д、K、B型）等几种。
　　（12）锅筒（Steam drum）
　　锅筒，俗称汽包，是水管锅炉的主要承压部件。除直流锅炉没有锅筒外，其它水管锅炉都有一个或两个甚至多个锅筒。现代锅炉的锅筒一般都是焊接结构，即在圆体两端与凸形封头焊接连接，筒体上开设许多管孔，用以装接管子。锅筒不象锅壳那样，是个受热面，而是不直接受热的部件。它的主要作用是：（1）容纳一定量的水，使锅炉在运行中的水位保持相对稳定，并具有一定的适应负荷变化的能力；（2）与上升管及下降管相连接，以构成一个封闭的水循环回路，并作为汽水循环的起点和终点；（3）具有一定的蒸气空间，进行汽水分离，在汽水系统中是汽液两相的明确分界点。
　　（13）锅炉联箱（Boiler hea der）
　　联箱又名集箱，是水管锅炉汽水系统中用以联接受热面管子的箱形（盒形）结构。除对流管束一般直接装接在锅筒上外，其它受热面管子，一般都是由联箱联接，每个联箱所联接的管子构成一个管组。早期设计制造的锅炉，联箱都是方形或矩形的箱体，它的名也是由此而来。现代锅炉中的联箱，多是用直径较大的无缝钢管，两端加焊封头制成。为了联接受热面管子，联箱上开有较多的管孔，此外还有检查用手孔及疏水、排污管孔等。水管锅炉设置联箱，不但可以大大减少锅筒壳壁的开孔数量，避免锅筒强度过分削弱，而且还可以使受热面的受热情况与工质流量分配状况比较均匀，有利于提高锅炉运行的安全可靠性。
　　（14）水冷壁（Water —cooling bank）
　　水冷壁是由布置在水管锅炉炉膛（燃烧室）四周、紧贴炉墙内侧的管子组成的一管系炉墙，由许多无缝碳钢管弯制而成。它下端与联箱联接，上端大多直接联接到锅筒上，高参数大容量锅炉则通过联箱再用汽水导出管联接到锅筒上。水冷壁排的管间间距及管子长度则由锅炉蒸发量及燃烧、传热情况确定，管子的总体形状则取决于炉膛的形状，即因炉而异。水冷壁是水管锅炉的主要受热面。对高压锅炉则是唯一的受热面。水冷壁的管子内不断有汽水流过，炉膛内火焰（高温烟气）的大量辐射蒸发受热面。水冷壁也有保护炉墙的作用，因为炉膛内大量辐射热被水冷壁吸收后，炉墙的温度便可大幅度降低，散热损失减少，在炉墙上结渣的可能性也小。
　　（15）对流管束（Convection bank）
　　对流管束是指水管锅炉内上下两端分别与上下锅筒联接（方式可以是胀接工焊接）的一束钢管，是小型水管锅炉的重要蒸发受热面。因为这些管束不是布置在炉膛中，而是布置在炉膛出口处的烟道中主要以对流方式吸收烟气的热量，所以是对流蒸发受热面。对流管束不是平面（壁面）布置，而是以体积形布置在烟道空间里。管子与管子之间有一定的间距，以便检修时更换管子。管子的排列方式有顺列和错列两种。为便于清灰，多数为顺列排列。
　　（16）球形容器（Spherical vessel）
　　球形容器俗称球罐，它的本体就是一个球壳。一般都是焊接结构，旧式的也有铆接的。球形压力容器大多数是中、低压容器，直径都比较大，因为只有采用大型结构才能充分发挥球形容器的优越性。大直径的球形容器难以整体或半球体压制成形，所以大多是由许多块按一定尺寸预先制成的球瓣组焊而成。从承压壳体的受力情况看，球形是最适宜的形状。因为在内压力作用下，球形壳体的应力是圆筒形壳体的1/2。如果容器的直径、制造材料和工作压力都相同，则球形容器所需要的承压壁厚只为圆筒形容器的一半。从壳体的表面积看，球形壳体的相对表面积（表面积与容器容积之比）要比圆筒形壳体小10~30%。相对表面积小，所使用的板材也少，再加上承压所需的壁厚较薄，因而制造同样容积的压力容器，球形容器要比圆筒形容器节省制造材料约30~40%。球形容器不适宜于作反应、换热用容器，而被广泛用作盛装贮存容器。大型球形容器的组装焊接方式、施焊环境等条件都较差，因而容器焊接质量难以保证。由此而造成的容器爆炸事故，国内外发生过许多起。这是大型球形容器的缺点，因此使用时应加强检验。
　　（17）圆筒形容器（Cylindrical vessel）
　　圆筒形容器是由一个圆筒体和两端的封头（端盖）组成的容器。是使用得最为普遍的一种压力容器。虽然圆筒体的受力状况不如球体，但比其它形状（如方形）要好得多。圆筒体是一个平滑的曲面，没有由于形状突变而产生较大的附加应力。而圆筒形容器比球形容器易于制造，内部空间又适宜于装设工艺装置，并有利于相互作用的工作介质的相对流动，因而被广泛用作反应、换热和分离容器。圆筒形容器的筒体，薄壁的，除直径较小者常采用无缝钢管外，一般都是用钢卷圆后焊接制成；厚壁的，有单层的（包括整体锻造和卷焊），也有多层组合的。为了便于成批生产，我国已经实行压力容器零部件的标准化。容器的筒体直径按标准的公称直径选定。容器的公称直径，通常是指它的内径（无缝钢管制容器除外），用D_g表示。焊接容器的公称直径系列见表10 2。
　　表10——2 容器公称直径系列表（m m）
　　见表
　　（18）封头（Closure head）
　　封头是圆筒形容器的主要承压部件。它作为容器的封闭端，与圆筒体组成一个完整的密闭容器。习惯上，封头常常是指与圆筒体焊接连接成不可拆的容器端部结构；而与筒体由螺栓兰等连接的可拆结构，则称之为端盖。封头的型式较多，以它的纵剖面曲线形状来分，有半球形、碟形、椭圆形、无拆边球形、锥形及平板形等多种。在压力作用下，封头壳壁上的应力的大小和分布都与它的型式、形状有关。如何正确选用封头的型式与尺寸参数，也是压力容器设计中与安全有关的一个问题。通常在压力容器设计中，平板封头是很少采用的，只是一些中、低压容器的人孔或手孔中用作盖板。锥形封头一般也只是用于某些特殊用途的场合。
　　（19）半球形封头（Semi—spherical head）
　　半球形封头实际上就是个半球体。由于它的高度（深度）太大（与半径相同），整体压制成形比较困难，直径较大的半球形封头（公称直径D_g>2·5m）一般都是由几块大小相同的梯形球瓣板和顶部中心的一块圆形球面板（球冠）组焊而成。中心圆板的作用是把梯形球瓣板之间的焊缝保持有一定的间隔距离，以防止焊缝重叠或过分靠近致使金属材料过热，或产生太大的焊接应力和变形。半球形封头也和球形容器一样，作为一种承压的简单壳体，它是最理想的型式，因为在直径相同、承受压力相等的条件下，它所需的厚度最小。但是它的高度太大，加工制造比较困难。而且作为封头，它必须与圆筒体焊接连接。为了便于焊接，避免在焊缝外造成壁厚的不连续，在实用中常要取它的厚度与圆筒体相同。这样，半球形壳体的优越性就得不到发挥。由于这些缘故，除了压力较高、直径较大的贮罐或有其它特殊需要的压力容器外，一般都较少采用半球形封头。
　　（20）碟形封头（Dished head）
　　碟形封头又称带折边的球形封头。它由几何形状不同的三个部分组成：（1）球面体（球冠），半径为Rc，是中心部分；（2）圆筒体（俗称直边），是与筒体连接的部分；（3）过渡圆弧（俗称折边），曲率半径为r连接球面体与圆筒体。过渡圆弧部分的作用是使球面体与圆筒体圆滑过渡，以减小连接处及其附近由于形状突变而产生的局部应力。碟形封头高度（深度，不包括直边）的大小取决于它的过渡圆弧曲率半径与球面体半径的比值，即r/Rc。
r越小或Rc越大，则封头高度越小，加工制造就比较容易；但r/Rc越小，则在过渡圆弧部分与球面部分的连接处，形状突变也越严重，因而产生的局部应力也越大，封头承压所需的壁也越大。反之，则封头高度越大，加工制造越困难，但局部应力也就越小。要使封头的高度和壁厚都比较适当，就得合理地选用它的比值r/Rc。常用的压力容器碟形封头，球面半径与圆筒内径Di相等，r/Rc的值为0.1~0.15。如果此比值由于容器设计或制造的原因，例如压制封头时，胎具尺寸不精确，使过渡圆弧的半径变小，则封头在承压时就有可能因此处的压应力过大而在连接处塌瘪。国内引进某国有不锈钢容器就发生过此类事故。由于碟形封头的制造比较容易，可以用手工锻打的方法成型，早期制造的压力容器，大多采用碟形封头。但它的受力状况不太好，近年来已逐渐被椭圆形封头所取代。