_(14761379935).jpg/1280px-Locomotive_engineering_-_a_practical_journal_of_railway_motive_power_and_rolling_stock_(1897)_(14761379935).jpg)
Взрыв котла – это катастрофический выход из строя котла . Существует два типа взрывов котлов. Один тип – выход из строя напорных частей паровой и водяной сторон . Причин может быть много разных, например, выход из строя предохранительного клапана , коррозия ответственных частей котла или низкий уровень воды. Коррозия по краям нахлесточных соединений была частой причиной ранних взрывов котлов.
Второй вид — это взрыв топлива и воздуха в топке , который правильнее было бы назвать взрывом топки. Взрывы топки твердотопливных котлов случаются редко, но взрывы топки газовых или жидкотопливных котлов по-прежнему представляют собой потенциальную опасность.
Существует множество причин взрывов котла, таких как плохая очистка воды, вызывающая образование накипи и перегрев пластин, низкий уровень воды, заклинивание предохранительного клапана или даже взрыв печи, который, в свою очередь, если он достаточно серьезен, может вызвать взрыв котла. Плохая подготовка операторов, приводящая к небрежному обращению или иному неправильному обращению с котлом, была частой причиной взрывов с начала промышленной революции. В конце 19-го и начале 20-го века записи проверок из различных источников в США, Великобритании и Европе показали, что наиболее частой причиной взрывов котлов было ослабление котлов из-за простой ржавчины, что в два-пять раз больше, чем все остальные. другие причины.
До того, как материаловедение, стандарты контроля и контроль качества догнали быстро растущую промышленность по производству котлов, значительное количество взрывов котлов было напрямую связано с плохой конструкцией, качеством изготовления и необнаруженными дефектами в материалах низкого качества. Тревожная частота отказов котлов в США из-за дефектов материалов и конструкции привлекла внимание международных организаций по инженерным стандартам, таких как ASME, которые установили свои первые правила испытаний котлов в 1884 году. Взрыв котла, вызвавший обувную фабрику Гровера Катастрофа в Броктоне, штат Массачусетс, 10 марта 1905 года привела к гибели 58 человек и ранениям 150 человек и вдохновила штат Массачусетс на публикацию первых законов о котлах в 1908 году.
Несколько письменных источников дают краткое описание причин взрывов котлов:
«Основными причинами взрывов, фактически единственными, являются недостаточная прочность корпуса или других частей котлов, избыточное давление и перегрев. Недостаточная прочность паровых котлов может быть обусловлена первоначальными дефектами, плохим качеством изготовления. ухудшение состояния в результате использования или неправильного обращения». [3]
И:
«Причина. Взрывы котла всегда происходят из-за того, что какая-то часть котла по какой-то причине слишком слаба, чтобы выдержать давление, которому он подвергается. Это может быть вызвано одной из двух причин: Либо котел неисправен. недостаточно силен, чтобы безопасно выдерживать надлежащее рабочее давление, или же давление превысило обычную точку из-за заедания предохранительных клапанов или по какой-либо подобной причине» [4]
Хотя износ и неправильное обращение, вероятно, являются наиболее распространенными причинами взрывов котлов, реальный механизм катастрофического отказа котла не был хорошо задокументирован до тех пор, пока инспекторы котлов США не провели обширные эксперименты в начале 20 века. Было предпринято несколько различных попыток вызвать взрыв котла различными способами, но один из наиболее интересных экспериментов показал, что при определенных обстоятельствах, если внезапное отверстие в котле позволило пару выйти слишком быстро, гидравлический удар мог вызвать разрушение всего котла. сосуд под давлением:
«Цилиндрический котел был испытан и выдержал давление пара в 300 фунтов (300 фунтов на квадратный дюйм или 2068 кПа) без травм». «Когда [выпускной] клапан внезапно открылся при давлении 235 фунтов [235 фунтов на квадратный дюйм или 1620 кПа], котел не выдержал, железо скрутилось, разорвалось на куски и разлетелось во все стороны. Причиной этого было то, что внезапное 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 с большой силой выбрасывалась в сторону отверстие, из которого выходил пар, ударило по частям котла рядом с этим отверстием и вызвало трещину». [5]
Но крайне разрушительный механизм гидроудара при взрывах котлов был понят задолго до этого, как писал Д.К. Кларк 10 февраля 1860 г. в письме в редакцию «Журнала «Механика»»:
«Внезапное рассеивание и выброс воды в котле на ограничивающие поверхности котла является главной причиной невероятных результатов: рассеивание, вызванное мгновенным образованием пара во всей массе воды, и в его попытки вырваться, он несет воду перед собой, а объединенный импульс пара и воды проносит их, как выстрел, сквозь ограничивающие поверхности и между ними, деформируя или разрушая их таким образом, который нельзя объяснить простым избыточным давлением или простым импульсом пара». [6]
Взрывы котлов часто случаются на тонущих кораблях, когда горячий котел соприкасается с холодной морской водой, поскольку 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 корабль затонул через две минуты, в результате чего Пун Лим остался единственным выжившим из 53 членов экипажа. [7] [8]
Особую опасность взрывы котлов представляют в жаротрубных котлах (локомотивного типа) , поскольку верхняя часть топки (верхний лист) должна быть все время покрыта некоторым количеством воды; или жар огня может ослабить лист короны или коронку, которая останется на грани разрушения, даже при нормальном рабочем давлении .
Это стало причиной взрыва топки Геттисбергской железной дороги [9] недалеко от Гарднерса, штат Пенсильвания, в 1995 году, когда низкий уровень воды привел к перегреву передней части коронного листа до тех пор, пока обычный венец не остался протянутым сквозь лист, выпуская большое количество пара и воду под полным давлением котла в топку. Конструкция коронного листа включала несколько чередующихся рядов предохранительных распорок с пуговицами, которые ограничивали выход из строя коронного листа первыми пятью или шестью рядами обычных стоек, предотвращая обрушение всего корончатого листа.
Этот тип отказа не ограничивается железнодорожными двигателями, поскольку котлы локомотивного типа использовались для тяговых двигателей, переносных двигателей, салазочных двигателей, используемых для добычи полезных ископаемых или лесозаготовок, стационарных двигателей для лесопилок и заводов, для отопления, а также в качестве агрегатных котлов, вырабатывающих пар. для других процессов. Во всех случаях поддержание надлежащего уровня воды имеет важное значение для безопасной эксплуатации.
Хьюисон (1983) [10] дает подробный отчет о взрывах котлов в Великобритании, перечисляя 137 взрывов в период с 1815 по 1962 год. Примечательно, что 122 из них произошли в 19 веке и только 15 в 20 веке.
Взрывы котлов обычно делятся на две категории. Первый – это поломка самого корпуса 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 частой причиной ранних взрывов котлов, вероятно, вызванных щелочным охрупчиванием . Вода, используемая в котлах, не всегда тщательно контролировалась, и, если она была кислой, она могла разъедать пластины котла из кованого железа . Гальваническая коррозия была дополнительной проблемой при контакте меди и железа. Плиты котла были отброшены на четверть мили (Хьюисон, Ролт). Второй тип — обрушение топки под давлением пара из примыкающего котла с выбросом пламени и горячих газов в кабину. Усовершенствованная конструкция и обслуживание практически полностью исключили первый тип, однако второй тип всегда возможен, если машинист и пожарный не поддерживают уровень воды в котле.
Бочки котла могут взорваться, если внутреннее давление станет слишком высоким. Чтобы этого не произошло, были установлены предохранительные клапаны, сбрасывающие давление на заданном уровне. Ранние образцы были подпружиненными, но Джон Рэмсботтом изобрел клапан с защитой от несанкционированного доступа, который получил повсеместное распространение. Другой распространенной причиной взрывов была внутренняя коррозия , которая настолько ослабила корпус котла, что он не мог выдерживать нормальное рабочее давление. В частности, бороздки могут возникать вдоль горизонтальных швов (стыков внахлестку) ниже уровня воды. В результате произошли десятки взрывов, но они были устранены к 1900 году за счет внедрения стыковых соединений, а также улучшения графиков технического обслуживания и регулярных гидравлических испытаний.
Топки обычно делались из меди , хотя более поздние локомотивы имели стальные топки. К внешней части котла они крепились подпорками (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 (венцовый лист) оголяется и перегревается. Это происходит, если пожарному не удалось поддерживать уровень воды или неисправен указатель уровня (мерное стекло). Менее распространенная причина — поломка большого количества стоек из-за коррозии или использования неподходящего материала.
На протяжении ХХ века в Великобритании произошло два выхода из строя стволов котлов и тринадцать обрушений топок. Выход из строя ствола котла произошел в Кардиффе в 1909 году и в Бакстоне в 1921 году; оба были вызваны неправильной сборкой предохранительных клапанов , из-за которой в котлах было превышено расчетное давление. Из 13 обрушений топки четыре произошли из-за поломки опор, одно - из-за скопления накипи на топке, а остальные - из-за низкого уровня воды.
Многие котлы кожуховидного типа имеют большую ванну с жидкой водой, которая нагревается до более высокой температуры и давления ( энтальпии ), чем кипящая вода при атмосферном давлении. При нормальной работе жидкая вода остается в нижней части котла под действием силы тяжести, пузырьки пара поднимаются сквозь жидкую воду и собираются вверху для использования до тех пор, пока не будет достигнуто давление насыщения, после чего кипение прекращается. Если давление сбрасывается, снова начинается кипение и так далее.
Если пар выпускается обычным способом, например, при открытии дроссельного клапана, пузырьковое действие воды остается умеренным, и относительно сухой пар можно извлечь из самой высокой точки сосуда.
Если пар выделяется быстрее, в результате более энергичного процесса кипения могут возникнуть мелкие брызги капель в виде «влажного пара», что может привести к повреждению трубопроводов, двигателей, турбин и другого оборудования, расположенного ниже по потоку.
Если большая трещина или другое отверстие в корпусе котла приведет к резкому падению внутреннего давления, оставшаяся в воде тепловая энергия приведет к тому, что еще больше жидкости превратится в пузырьки пара, которые затем быстро вытеснят оставшуюся жидкость. Потенциальная энергия выходящих пара и воды теперь преобразуется в работу, как это было бы в двигателе; с достаточной силой, чтобы отогнуть материал вокруг разрыва, серьезно исказив форму пластины, которая раньше удерживалась на месте с помощью подпорок или самоподдерживалась благодаря своей первоначальной цилиндрической форме. Быстрое выделение пара и воды может привести к очень мощному взрыву и нанести большой ущерб окружающему имуществу или персоналу.
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 в себе большую кинетическую энергию (от расширяющегося пара) и при столкновении с оболочкой котла приводит к сильному разрушительному эффекту. Это может значительно увеличить первоначальный разрыв или разорвать скорлупу на две части. [11]
Многие сантехники, пожарные и слесари знают об этом явлении, которое называется « гидравлический удар ». «Порочка» воды весом в несколько унций, проходящая через паропровод на высокой скорости и ударяющаяся о колено под углом 90 градусов, может 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, движущейся с той же скоростью внутри корпуса котла, могут легко взорвать трубную решетку, разрушить топку и даже отбросить весь котел на удивительное расстояние в результате реакции, поскольку вода выходит из котла, как отдача тяжелой пушки, стреляющей шаром.
Несколько отчетов об аварии экспериментального реактора SL-1 ярко описывают невероятно мощное воздействие гидроудара на корпус под давлением:
«Расширение, вызванное этим процессом нагрева, вызвало гидравлический удар, поскольку вода с ускорением поднималась вверх к верхней части корпуса реактора, создавая давление примерно 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 000 кПа) на верхнюю часть корпуса реактора, когда вода ударялась о верхнюю часть корпуса на высоте 160 футов. в секунду (50 м/с) ...Эта крайняя форма гидроудара привела в движение регулирующие стержни, защитные пробки и весь корпус реактора вверх. Более позднее расследование пришло к выводу, что сосуд массой 26 000 фунтов (12 000 кг) подпрыгнул на 9 футов 1 дюйма (2,77 м), а механизмы привода верхних стержней ударились о потолок реакторного здания, прежде чем вернуться на исходное место» [12]
Паровоз, работающий при давлении 350 фунтов на квадратный дюйм (2400 кПа), будет иметь температуру около 220 ° C (400 ° F) и удельную энтальпию 960 кДж / кг (440 кДж / фунт). [13] Поскольку насыщенная вода при стандартном давлении имеет удельную энтальпию всего 420 кДж/кг (190 кДж/фунт), [14] разница между двумя удельными энтальпиями, 540 кДж/кг (240 кДж/фунт), равна общей энергия, затраченная на взрыв. Таким образом, в случае большого локомотива, который может вместить до 10 000 кг (22 000 фунтов) воды при высоком давлении и температуре, этот взрыв будет иметь теоретическое выделение энергии, равное примерно 1200 кг (2600 фунтов) тротила .
Взрывы топки обычно происходят после затухания горелки . Внутри камеры сгорания могут скапливаться пары масла, природного газа, пропана, угля или любого другого топлива. Это особенно важно, когда сосуд горячий; топливо быстро улетучивается из-за температуры. Как только будет достигнут нижний предел взрываемости (НПВ), любой источник воспламенения вызовет взрыв паров.
Взрыв топлива в пределах топки может повредить трубы котла под давлением и внутреннюю обшивку, что потенциально может вызвать разрушение конструкции, утечку пара или воды и/или разрушение корпуса вторичного котла и взрыв пара .
Распространенная форма незначительного «взрыва» топки известна как «барабанный бой» и может произойти с любым типом топлива. Вместо обычного «рева» огня ритмичная серия «стуков» и вспышек огня под колосниковой решеткой и через топку указывает на то, что горение топлива протекает посредством быстрой серии детонаций, вызванных неподходящим воздухом. /топливной смеси с учетом имеющейся тяги. Обычно это не вызывает повреждений котлов локомотивного типа, но может привести к появлению трещин в каменной кладке котла, если продолжить.
Пластины первых котлов локомотивов соединялись простыми соединениями внахлест . Эта практика была удовлетворительной для кольцевых соединений, огибающих котел, но в продольных соединениях по длине котла перекрытие пластин отклоняло поперечное сечение котла от идеальной круглой формы. Под давлением котел старался достичь как можно более круглого сечения. Поскольку перекрытие двойной толщины было прочнее окружающего металла, повторяющиеся изгибы и ослабления, вызванные изменениями давления в котле, вызвали внутренние трещины или канавки (глубокие питтинги) по длине соединения. Трещины стали отправной точкой для внутренней коррозии, которая могла ускорить выход из строя. [15] В конечном итоге было обнаружено, что эту внутреннюю коррозию можно уменьшить, используя пластины достаточного размера, чтобы ни один шов не располагался ниже уровня воды. [16] [17] 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 подобная форма «коррозии под напряжением» может возникнуть на концах стоек, где они входят в пластины топки, и ускоряется при плохом качестве воды. Этот тип коррозии, который часто называют «сужением», может снизить прочность стоек до тех пор, пока они не перестанут поддерживать топку при нормальном давлении.
Борозды (глубокие локализованные язвы) также возникают вблизи ватерлинии, особенно в котлах, в которые подается вода, не деаэрированная или не обработанная кислородопоглощающими агентами. Все «природные» источники воды содержат растворенный воздух, который выделяется в виде газа при нагревании воды. Воздух (содержащий кислород) собирается в слое у поверхности воды и значительно ускоряет коррозию пластин котла в этой области. [18]
Сложная форма топки локомотива, сделанная из мягкой меди или стали, может противостоять давлению пара на ее внутренние стенки только в том случае, если они поддерживаются стойками, прикрепленными к внутренним балкам и наружным стенкам. Они могут выйти из строя из-за усталости (поскольку внутренние и внешние стены расширяются с разной скоростью под воздействием тепла огня), из-за коррозии или из-за истощения, поскольку головки опор, подвергшихся воздействию огня, сгорают. Если опоры выйдут из строя, топка взорвется внутрь. Чтобы предотвратить это, проводится регулярный визуальный осмотр, внутренний и внешний. [16] [19] Даже хорошо обслуживаемая топка взорвется из строя, если уровень воды в котле упадет настолько, что верхняя пластина топки останется непокрытой. [20] 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 кроны. [21]
« Пенсильвания» представляла собой пароход с бортовым колесом , который пострадал от взрыва котла на реке Миссисипи и затонул на Шип-Айленде недалеко от Мемфиса, штат Теннесси , 13 июня 1858 года. Из 450 пассажиров на борту более 250 погибли, в том числе Генри Клеменс, младший брат автора Марка Твена .
SS Ada Hancock , небольшой пароход, использовавшийся для перевозки пассажиров и грузов на большие прибрежные пароходы и обратно , которые останавливались в гавани Сан-Педро в начале 1860-х годов, потерпел катастрофу, когда его котел сильно взорвался в заливе Сан-Педро, порт Лос-Анджелеса , недалеко от Уилмингтон, Калифорния, 27 апреля 1863 года, погибли двадцать шесть человек и ранили многих из пятидесяти трех или более пассажиров на борту.
Пароход « Султана» был уничтожен взрывом 27 апреля 1865 года, что привело к величайшей морской катастрофе в истории Соединенных Штатов. По оценкам, 1549 пассажиров погибли, когда три из четырех котлов корабля взорвались, а « Султана» сгорела и затонула недалеко от Мемфиса, штат Теннесси. Причина была связана с некачественно проведенным ремонтом корпуса одного котла; заплатка не удалась, и обломки этого котла разрушили еще два.
Еще одним взрывом парохода времен Гражданской войны в США стал пароход «Эклипс» 27 января 1865 года, на борту которого находились члены 9-го артиллерийского полка Индианы . Согласно одним официальным данным, 10 человек убиты и 68 ранены; [22] в более позднем отчете упоминается, что 27 человек были убиты и 78 ранены. [23] Полковые потери Фокса сообщают о 29 убитых. [24] [25]
Котел канадского PS Waubuno, возможно, взорвался во время последнего рейса корабля в 1879 году, хотя причина затопления остается неизвестной. Взрыв мог произойти из-за небрежного ухода или контакта с холодной водой залива Джорджиан во время затопления во время шторма. [26]
Стационарные паровые двигатели , используемые в качестве привода машин, впервые получили известность во время промышленной революции , и в первые дни было много взрывов котлов по разным причинам. Одним из первых исследователей проблемы был Уильям Фэйрберн , который помог основать первую страховую компанию, занимающуюся ущербом, который могут причинить такие взрывы. Он также экспериментально установил, что окружное напряжение в цилиндрическом сосуде под давлением, таком как котел, вдвое превышает продольное напряжение . [примечания 1] Такие исследования помогли ему и другим объяснить важность концентрации напряжений в ослаблении котлов.
Современные котлы оснащены резервными насосами, клапанами, датчиками уровня воды, устройствами отсечки топлива, автоматизированным управлением и предохранительными клапанами . Кроме того, строительство должно соответствовать строгим инженерным нормам, установленным соответствующими органами. NBIC , ASME и другие организации пытаются обеспечить безопасность конструкции котлов , публикуя подробные стандарты. В результате котельная установка менее подвержена катастрофическим авариям.
Также повышение безопасности достигается за счет увеличения использования «агрегатных котлов». Это котлы, которые собираются на заводе, а затем отправляются на стройплощадку в сборе. Обычно они имеют лучшее качество и меньше проблем, чем котлы, которые собираются на месте трубка за трубкой. Для завершения установки агрегатного котла необходимо выполнить только окончательные соединения (электрические, разрывные, конденсатные линии и т. д.).
В котлах паровозов , поскольку знания были получены методом проб и ошибок в первые дни, взрывоопасные ситуации и последующий ущерб из-за взрывов были неизбежны. Однако улучшение конструкции и технического обслуживания заметно сократило количество взрывов котлов к концу XIX века. Дальнейшие улучшения продолжались и в 20 веке.
На наземных котлах взрывы систем давления регулярно случались в стационарных паровых котлах в викторианскую эпоху , но в настоящее время они очень редки из-за различных предусмотренных защит , а также из-за регулярных проверок, проводимых государственными и отраслевыми требованиями.
Водонагреватели могут взорваться с удивительной силой, когда их предохранительные устройства выходят из строя.
Паровой взрыв может произойти в любом водонагревателе, где подается достаточное количество энергии и образующийся пар превышает прочность сосуда. Когда подача тепла происходит достаточно быстро, может возникнуть локальный перегрев, приводящий к разрушению сосуда гидравлическим ударом. Авария ядерного реактора SL-1 является примером выброса перегретого пара. Однако в примере SL1 давление было сброшено за счет принудительного выброса регулирующих стержней, что позволило выпустить пар. Реактор не взорвался, корпус не разорвался.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )