_(14761379935).jpg/1280px-Locomotive_engineering_-_a_practical_journal_of_railway_motive_power_and_rolling_stock_(1897)_(14761379935).jpg)
Взрыв котла — это катастрофическая авария котла .
Существует два типа взрывов котлов. Один тип — это отказ частей давления паровой и водяной сторон . Может быть много разных причин, таких как отказ предохранительного клапана , коррозия критических частей котла или низкий уровень воды. Коррозия по краям нахлесточных соединений была распространенной причиной ранних взрывов котлов. В паровых котлах, поскольку знания были получены методом проб и ошибок в ранние дни, взрывоопасные ситуации и последующий ущерб из-за взрывов были неизбежны. Однако улучшение конструкции и обслуживания заметно сократило количество взрывов котлов к концу 19-го века. Дальнейшие усовершенствования продолжались в 20-м веке. На наземных котлах взрывы систем давления регулярно случались в стационарных паровых котлах в викторианскую эпоху , но сейчас они очень редки из-за различных предусмотренных мер защиты и из-за регулярных проверок, проводимых в соответствии с требованиями правительства и промышленности.
Второй вид — взрыв топлива/воздуха в печи, который правильнее было бы назвать взрывом топки. Взрывы топки в котлах, работающих на твердом топливе, редки, но взрывы топки в котлах, работающих на газе или мазуте, по-прежнему представляют потенциальную опасность.
Многие котлы с кожухом несут большую ванну жидкой воды, которая нагревается до более высокой температуры и давления ( энтальпии ), чем кипящая вода при атмосферном давлении. Во время нормальной работы жидкая вода остается на дне котла из-за силы тяжести, пузырьки пара поднимаются через жидкую воду и собираются наверху для использования до тех пор, пока не будет достигнуто давление насыщения, затем кипение прекращается. Если некоторое давление сбрасывается, кипение начинается снова, и так далее.
Если пар выпускается обычным образом, например, путем открытия дроссельного клапана, бурлящее действие воды остается умеренным, и из самой высокой точки сосуда можно извлекать относительно сухой пар.
Если пар выпускается быстрее, то более интенсивное кипение может привести к выбросу мелких капель в виде «влажного пара», который может повредить трубопроводы, двигатели, турбины и другое оборудование, расположенное ниже по потоку.
Если большая трещина или другое отверстие в корпусе котла позволяет внутреннему давлению упасть очень внезапно, тепловая энергия, оставшаяся в воде, заставит еще больше жидкости вспыхнуть в пузырьки пара, которые затем быстро вытеснят оставшуюся жидкость. Потенциальная энергия выходящего пара и воды теперь преобразуется в работу, так же, как они это сделали бы в двигателе; с достаточной силой, чтобы оторвать материал вокруг разрыва, серьезно деформируя форму пластины, которая ранее удерживалась на месте распорками или поддерживалась своей первоначальной цилиндрической формой. Быстрое высвобождение пара и воды может вызвать очень мощный взрыв и нанести большой ущерб окружающей собственности или персоналу. Неисправность такого типа квалифицируется как взрыв расширяющегося пара кипящей жидкости (BLEVE). [3]
Быстро расширяющиеся пузырьки пара также могут выполнять работу, выбрасывая большие «сгустки» воды внутрь котла в направлении отверстия, причем с поразительной скоростью. Быстро движущаяся масса воды несет большую кинетическую энергию и при столкновении с оболочкой котла вызывает сильный разрушительный эффект. Это может значительно увеличить первоначальный разрыв или разорвать оболочку надвое. [4]
Многие сантехники, пожарные и слесари по установке паровых систем знают об этом явлении, которое называется « гидравлический удар ». Несколько унций «сгустка» воды, проходящего через паропровод с высокой скоростью и ударяющегося о 90-градусное колено, могут мгновенно сломать фитинг, который в противном случае способен выдерживать статическое давление, в несколько раз превышающее нормальное. Тогда можно понять, что несколько сотен или даже несколько тысяч фунтов воды, движущихся с той же скоростью внутри корпуса котла, могут легко выбить трубную решетку, разрушить топку и даже отбросить весь котел на удивительное расстояние из-за реакции, возникающей при выходе воды из котла, подобно отдаче тяжелой пушки, стреляющей ядром.
Несколько отчетов об аварии экспериментального реактора SL-1 наглядно описывают невероятно сильное воздействие гидравлического удара на сосуд высокого давления:
Расширение, вызванное этим процессом нагрева, вызвало гидравлический удар, поскольку вода ускорялась вверх по направлению к крышке корпуса реактора, создавая приблизительно 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 000 кПа) давления на крышку корпуса реактора, когда вода ударяла по крышке со скоростью 160 футов в секунду (50 м/с) ... Эта экстремальная форма гидравлического удара подтолкнула стержни управления, заглушки щита и весь корпус реактора вверх. Более позднее расследование пришло к выводу, что 26 000-фунтовый (12 000 кг) корпус подпрыгнул на 9 футов 1 дюйм (2,77 м), а верхние механизмы привода стержней управления ударились о потолок здания реактора, прежде чем вернуться в исходное положение. [5]
Паровоз, работающий при 350 фунтах на квадратный дюйм (2400 кПа), будет иметь температуру около 220 °C (400 °F) и удельную энтальпию 960 кДж/кг (440 кДж/фунт). [6] Поскольку насыщенная вода при стандартном давлении имеет удельную энтальпию всего 420 кДж/кг (190 кДж/фунт), [7] разница между двумя удельными энтальпиями, 540 кДж/кг (240 кДж/фунт), представляет собой общую энергию, затраченную при взрыве. Таким образом, в случае большого локомотива, который может удерживать до 10 000 кг (22 000 фунтов) воды в состоянии высокого давления и температуры, этот взрыв будет иметь теоретическое выделение энергии, равное примерно 1200 килограммам (2600 фунтов) тротила .
В случае взрыва топки , это обычно происходит после срыва пламени горелки . Пары нефти, природного газа, пропана, угля или любого другого топлива могут скапливаться внутри камеры сгорания. Это особенно важно, когда судно горячее; топливо быстро испаряется из-за температуры. После достижения нижнего предела взрываемости (НПВ) любой источник воспламенения вызовет взрыв паров.
Взрыв топлива в пределах топки может повредить трубы котла под давлением и внутреннюю оболочку, что может привести к разрушению конструкции, утечке пара или воды и/или разрушению корпуса вторичного котла и взрыву пара .
Распространенная форма незначительного «взрыва» топки известна как «барабанная дробь» и может произойти с любым типом топлива. Вместо обычного «рёва» огня ритмичная серия «стуков» и вспышек огня под решёткой и через топочную дверцу указывает на то, что сгорание топлива происходит через быструю серию детонаций, вызванных неподходящей смесью воздуха и топлива относительно уровня доступной тяги. Это обычно не вызывает повреждений в котлах локомотивного типа, но может вызвать трещины в кладке котла, если позволить этому продолжаться.
Пластины ранних локомотивных котлов соединялись простыми перекрывающимися соединениями . Такая практика была удовлетворительной для кольцевых соединений, проходящих вокруг котла, но в продольных соединениях, по всей длине котла, перекрытие пластин отклоняло поперечное сечение котла от его идеальной круглой формы. Под давлением котел напрягался, чтобы достичь, насколько это возможно, круглого поперечного сечения. Поскольку перекрытие двойной толщины было прочнее окружающего металла, повторяющиеся изгибы и отпускания, вызванные изменениями давления в котле, вызывали внутренние трещины или канавки (глубокие язвы) по длине соединения. Трещины стали отправной точкой для внутренней коррозии, которая могла ускорить разрушение. [8] В конечном итоге было обнаружено, что эту внутреннюю коррозию можно уменьшить, используя пластины достаточного размера, чтобы ни одно соединение не располагалось ниже уровня воды. [9] [10] В конечном итоге простой нахлесточный шов был заменен одинарными или двойными стыковыми швами, которые не страдают от этого дефекта.
Из-за постоянного расширения и сжатия топки аналогичная форма «коррозионного напряжения» может иметь место на концах распорных болтов, где они входят в пластины топки, и ускоряется плохим качеством воды. Часто называемый «шейкой», [11] этот тип коррозии может снизить прочность распорных болтов до тех пор, пока они не станут неспособны поддерживать топку при нормальном давлении.
Канавки (глубокие, локализованные питтинги) также возникают вблизи ватерлинии, особенно в котлах, которые питаются водой, не деаэрированной или не обработанной агентами, поглощающими кислород. Все «естественные» источники воды содержат растворенный воздух, который выделяется в виде газа при нагревании воды. Воздух (содержащий кислород) собирается в слое вблизи поверхности воды и значительно ускоряет коррозию пластин котла в этой области. [12]
Сложная форма топки локомотива, сделанной из мягкой меди или стали, может выдерживать давление пара на ее внутренние стенки только в том случае, если они поддерживаются распорками, прикрепленными к внутренним балкам и внешним стенкам. Они могут выйти из строя из-за усталости (потому что внутренние и внешние стенки расширяются с разной скоростью под воздействием тепла огня), из-за коррозии или из-за истощения, поскольку головки распорок, подвергающиеся воздействию огня, сгорают. Если распорки выходят из строя, топка взрывается внутрь. Для предотвращения этого используется регулярный визуальный осмотр, как внутренний, так и внешний. [9] [13] Даже хорошо обслуживаемая топка взрывается, если уровень воды в котле упадет достаточно низко, чтобы оставить верхнюю пластину топки (верхний лист) непокрытой. [14] Это может произойти при пересечении вершины холма, так как вода течет к передней части котла и может обнажить верхний лист топки. Большинство взрывов локомотивов — это взрывы топок, вызванные таким обнажением верхнего листа. [15]
Существует множество причин взрывов котлов, таких как плохая очистка воды, вызывающая образование накипи и перегрев пластин, низкий уровень воды, заклинивший предохранительный клапан или даже взрыв печи, который в свою очередь, если достаточно серьезен, может вызвать взрыв котла. Плохая подготовка оператора, приводящая к небрежности или другому неправильному обращению с котлом, была частой причиной взрывов с начала промышленной революции. В конце 19-го и начале 20-го века записи проверок различных источников в США, Великобритании и Европе показали, что наиболее частой причиной взрывов котлов было ослабление котлов из-за простой ржавчины, где-то в два-пять раз больше, чем все другие причины.
До того, как материаловедение, стандарты инспекций и контроль качества догнали быстрорастущую отрасль производства котлов, значительное количество взрывов котлов напрямую прослеживалось из-за плохой конструкции, качества изготовления и необнаруженных дефектов в некачественных материалах. Тревожная частота отказов котлов в США из-за дефектов материалов и конструкции привлекала внимание международных организаций по инженерным стандартам, таких как ASME , которые разработали свой первый Кодекс испытаний котлов в 1884 году. Взрыв котла, вызвавший катастрофу на фабрике обуви Grover в Броктоне, штат Массачусетс, 10 марта 1905 года, привел к 58 смертям и 150 травмам и вдохновил штат Массачусетс опубликовать свои первые законы о котлах в 1908 году.
Несколько письменных источников дают краткое описание причин взрывов котлов:
Главные причины взрывов, фактически единственные причины, это недостаток прочности оболочки или других частей котлов, избыточное давление и перегрев. Недостаток прочности паровых котлов может быть вызван первоначальными дефектами, плохим качеством изготовления, ухудшением от использования или неправильного управления. [16]
И:
Причина. — Взрывы котлов всегда происходят из-за того, что какая-то часть котла по какой-то причине слишком слаба, чтобы выдержать давление, которому она подвергается. Это может быть вызвано одной из двух причин: либо котел недостаточно прочен, чтобы безопасно выдерживать свое надлежащее рабочее давление, либо давление поднялось выше обычного значения из-за заедания предохранительных клапанов или по какой-то похожей причине. [17]
Стационарные паровые двигатели, используемые для питания машин, впервые стали известны во время промышленной революции , и в первые дни было много взрывов котлов по разным причинам. Одним из первых исследователей этой проблемы был Уильям Фейрберн , который помог основать первую страховую компанию, занимающуюся убытками, которые могли быть вызваны такими взрывами. Он также экспериментально установил, что кольцевое напряжение в цилиндрическом сосуде под давлением, таком как котел, было в два раза больше продольного напряжения . [примечания 1] Такие исследования помогли ему и другим объяснить важность концентрации напряжений в ослаблении котлов.
Хотя ухудшение состояния и неправильное обращение, вероятно, являются наиболее распространенными причинами взрывов котлов, фактический механизм катастрофического отказа котла не был хорошо задокументирован, пока инспекторы котлов США не провели обширные эксперименты в начале 20-го века. Было предпринято несколько различных попыток вызвать взрыв котла различными способами, но один из самых интересных экспериментов продемонстрировал, что при определенных обстоятельствах, если внезапное отверстие в котле позволило пару вырваться слишком быстро, гидравлический удар мог привести к разрушению всего сосуда под давлением:
Цилиндрический котел был испытан и выдержал давление пара в 300 фунтов (300 фунтов на квадратный дюйм или 2068 кПа) без повреждений. ... Когда [выпускной] клапан был внезапно открыт при давлении 235 фунтов [235 фунтов на квадратный дюйм или 1620 кПа], котел не выдержал, железо было скручено и разорвано на куски и отброшено во все стороны. Причиной этого было то, что внезапный поток пара из котла в выпускную трубу очень быстро снизил давление в котле. Это снижение давления вызвало внезапное образование большого количества пара в воде, и тяжелая масса воды, выброшенная с большой силой в отверстие, откуда выводился пар, ударила по частям котла около этого отверстия и вызвала трещину. [18]
Однако крайне разрушительный механизм гидравлического удара при взрыве котлов был понят задолго до этого, как писал Д.К. Кларк 10 февраля 1860 года в письме редакторам журнала Mechanics Magazine :
Внезапное рассеивание и выброс воды в котле на ограничивающие поверхности котла является главной причиной резкости результатов: рассеивание, вызванное мгновенным образованием пара во всей массе воды, и в своих попытках вырваться, оно увлекает за собой воду, а объединенный импульс пара и воды несет их, как выстрел, сквозь ограничивающие поверхности и между ними, и деформирует или разбивает их таким образом, что это нельзя объяснить простым избыточным давлением или простым импульсом пара. [19]
Взрывы котлов часто случаются на тонущих кораблях, когда горячий котел соприкасается с холодной морской водой, так как внезапное охлаждение горячего металла приводит к его растрескиванию; например, когда SS Benlomond был торпедирован подводной лодкой, торпеды и последовавший за этим взрыв котла привели к тому, что судно затонуло за две минуты, оставив Пун Лима единственным выжившим из 53 членов экипажа. [20] [21] [ источник, созданный пользователем? ]
Взрывы котлов представляют особую опасность для жаротрубных котлов (локомотивного типа) , поскольку верхняя часть топки (крышка) должна быть постоянно покрыта некоторым количеством воды; в противном случае жар от огня может ослабить крышку или распорки крышки до точки разрушения даже при нормальном рабочем давлении .
Это стало причиной взрыва топки Gettysburg Railroad [22] около Гарднерса, штат Пенсильвания, в 1995 году, где низкий уровень воды позволил передней части листа свода перегреться до тех пор, пока обычные распорки свода не прорвали лист, выпустив большое количество пара и воды под полным давлением котла в топку. Конструкция листа свода включала несколько чередующихся рядов предохранительных распорок с головками-кнопками, которые ограничивали разрушение листа свода первыми пятью или шестью рядами обычных распорок, предотвращая обрушение всего листа свода.
Этот тип отказа не ограничивается железнодорожными двигателями, поскольку котлы локомотивного типа использовались для тяговых двигателей, переносных двигателей, двигателей на салазках, используемых для добычи полезных ископаемых или лесозаготовок, стационарных двигателей для лесопилок и заводов, для отопления и как пакетные котлы, обеспечивающие пар для других процессов. Во всех применениях поддержание надлежащего уровня воды имеет важное значение для безопасной эксплуатации.
Хьюисон (1983) [23] дает подробный отчет о взрывах британских котлов, перечислив 137 случаев в период с 1815 по 1962 год. Примечательно, что 122 из них произошли в XIX веке и только 15 — в XX веке.
Взрывы котлов обычно делятся на две категории. Первая — это поломка самого котла из-за слабости/повреждения или чрезмерного внутреннего давления, что приводит к внезапному выбросу пара на большую площадь. Коррозионное растрескивание под напряжением в нахлесточных соединениях было распространенной причиной ранних взрывов котлов, вероятно, вызванных едкой хрупкостью . Вода, используемая в котлах, часто не контролировалась тщательно, и если она была кислой, она могла разъесть кованые чугунные пластины котла. Гальваническая коррозия была дополнительной проблемой при контакте меди и железа. Пластинчатые пластины котла отбрасывало на расстояние до четверти мили (Хьюисон, Ролт). Второй тип — это обрушение топки под давлением пара из соседнего котла, в результате чего в кабину попадало пламя и горячие газы. Улучшенная конструкция и техническое обслуживание почти полностью устранили первый тип, но второй тип всегда возможен, если водитель и кочегар не поддерживают уровень воды в котле.
Стволы котла могли взорваться, если внутреннее давление становилось слишком высоким. Чтобы предотвратить это, устанавливались предохранительные клапаны, чтобы сбрасывать давление на установленном уровне. Ранние образцы были подпружиненными, но Джон Рэмсботтом изобрел защищенный от несанкционированного доступа клапан, который был принят повсеместно. Другой распространенной причиной взрывов была внутренняя коррозия , которая ослабляла ствол котла так, что он не мог выдерживать нормальное рабочее давление. В частности, вдоль горизонтальных швов (нахлесточных соединений) ниже уровня воды могли образовываться канавки. Это привело к десяткам взрывов, но к 1900 году их удалось устранить благодаря внедрению стыковых соединений, а также улучшенным графикам технического обслуживания и регулярным гидравлическим испытаниям.
Топки обычно изготавливались из меди , хотя более поздние локомотивы имели стальные топки. Они крепились к внешней части котла стойками (многочисленными небольшими опорами). Части топки, контактирующие с полным давлением пара, должны быть покрыты водой, чтобы предотвратить их перегрев и ослабление. Обычной причиной обрушения топки является то, что уровень воды в котле падает слишком низко, и верхняя часть топки (верхний лист) становится открытой и перегревается. Это происходит, если кочегар не смог поддерживать уровень воды или индикатор уровня (измерительное стекло) неисправен. Менее распространенной причиной является поломка большого количества стоек из-за коррозии или неподходящего материала.
На протяжении XX века в Великобритании произошло два отказа котловых стволов и тринадцать обрушений топок. Отказы котловых стволов произошли в Кардиффе в 1909 году и Бакстоне в 1921 году; оба были вызваны неправильной сборкой предохранительных клапанов , из-за чего котлы превысили расчетное давление. Из 13 обрушений топок четыре были вызваны сломанными опорами, один — скоплением накипи на топке, а остальные — низким уровнем воды.
« Пенсильвания» — пароход с боковыми колесами , который пострадал от взрыва котла на реке Миссисипи и затонул у острова Шип-Айленд недалеко от Мемфиса, штат Теннесси , 13 июня 1858 года. Из 450 пассажиров на борту более 250 погибли, включая Генри Клеменса, младшего брата писателя Марка Твена .
SS Ada Hancock , небольшой пароход, использовавшийся для перевозки пассажиров и грузов на большие прибрежные пароходы , останавливавшиеся в гавани Сан-Педро в начале 1860-х годов, потерпел катастрофу, когда его котел сильно взорвался в заливе Сан-Педро, порту Лос-Анджелеса , недалеко от Уилмингтона, Калифорния, 27 апреля 1863 года, в результате чего погибло двадцать шесть человек и многие из пятидесяти трех или более пассажиров, находившихся на борту, получили ранения.
Пароход Sultana был уничтожен взрывом 27 апреля 1865 года, что привело к крупнейшей морской катастрофе в истории Соединенных Штатов. По оценкам, 1549 пассажиров погибли, когда взорвались три из четырех котлов судна, а Sultana сгорела и затонула недалеко от Мемфиса, штат Теннесси. Причиной был признан плохо выполненный ремонт оболочки одного котла; заплатка не удалась, и обломки этого котла разорвали еще два.
Еще один взрыв парохода времен Гражданской войны в США произошел на пароходе Eclipse 27 января 1865 года, на борту которого находились члены 9-го артиллерийского полка Индианы . В одном официальном отчете сообщается о 10 убитых и 68 раненых; [24] в более позднем отчете упоминается, что 27 человек были убиты и 78 ранены. [25] В отчете Fox's Regimental Losses сообщается о 29 убитых. [26] [27]
Котел канадского PS Waubuno мог взорваться во время последнего рейса судна в 1879 году, хотя причина затопления остается неизвестной. Взрыв мог произойти из-за небрежного обслуживания или контакта с холодной водой залива Джорджиан во время затопления в шторм. [28]
Взрыв пара может произойти в любом типе водонагревателя, где подается достаточное количество энергии, а образующийся пар превышает прочность корпуса. Когда подача тепла происходит достаточно быстро, может возникнуть локальный перегрев, что приводит к гидравлическому удару, разрушающему корпус. Авария ядерного реактора SL-1 является примером взрыва перегретого пара. Однако в примере SL-1 давление было сброшено путем принудительного выброса регулирующих стержней, что позволило выпустить пар. Реактор не взорвался, и корпус не разорвался.
Современные котлы проектируются с резервными насосами, клапанами, мониторами уровня воды, отсечками топлива, автоматическими элементами управления и предохранительными клапанами . Кроме того, конструкция должна соответствовать строгим инженерным нормам, установленным соответствующими органами. NBIC , ASME и другие пытаются обеспечить безопасную конструкцию котлов, публикуя подробные стандарты. Результатом является котельный агрегат, который менее подвержен катастрофическим авариям.
Также повышение безопасности связано с растущим использованием «пакетных котлов». Это котлы, которые собираются на заводе, а затем отправляются на место работы как готовый блок. Они, как правило, имеют лучшее качество и меньше проблем, чем котлы, которые собираются на месте труба за трубой. Пакетному котлу нужно только выполнить последние соединения (электрические, пробивные, конденсатные линии и т. д.) для завершения установки.
