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      經(jīng)調(diào)查,，廣西在用的鋁制承壓汽水兩用鍋爐約2000臺(tái)，主要用于學(xué)校,、醫(yī)院,、工礦企業(yè)和賓館燒開水、熱水,、蒸飯等,，自1986年開始生產(chǎn)使用以來未發(fā)生爆炸事故，使用中出現(xiàn)的問題主要是結(jié)生水垢和漏水,。鋁制鍋爐使用壓力一般小于0.02MPa,，蒸發(fā)量小于0.2t/h，結(jié)構(gòu)形式有立式,、臥式兩種,。治理前鋁制鍋爐普通用2mm左右鋁板卷制，結(jié)構(gòu)上普遍存在著許多危及鍋爐安全運(yùn)行的問題,，如鍋殼,、爐膽和封頭的連接普遍采用T形接頭，十字焊縫,，在焊縫上開孔,，焊縫不開坡口，最高火界低于最低安全水位等等,。制造鋁制鍋爐的企業(yè)主要集中在玉林市容縣,，有一定規(guī)模的約有10多家，絕大部分為私營企業(yè),，持有縣技術(shù)監(jiān)督局發(fā)給的生產(chǎn)許可證（常壓鍋爐）,，這些企業(yè)普遍技術(shù)力量薄弱、技術(shù)裝備落后,，缺乏對(duì)鍋爐知識(shí)和有關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的了解,。

      調(diào)查結(jié)果表明,，鋁制鍋爐的優(yōu)點(diǎn)主要有：不生銹，開水,、熱水無鐵銹味,，重量輕（L4純鋁的密度ρ＝2.71g/cm3），價(jià)格低,，運(yùn)輸安裝方便,，外形美觀。缺點(diǎn)：易結(jié)生水垢,，且不能用酸,、堿進(jìn)行化學(xué)清洗；鋁的允許使用溫度低,，易老化,，使用壽命短。

 

1 鋁制鍋爐的安全性研究

      雖然《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》允許使用的材料中沒有鋁材,，考慮到其在社會(huì)上分布廣泛,，有特有的優(yōu)點(diǎn)，且多年的使用沒有發(fā)生嚴(yán)重爆炸事故,，我們對(duì)其進(jìn)行了安全性研究,，并依此制定了廣西的管理辦法。

      由于沒有先例,，對(duì)鋁制鍋爐的安全性研究采用實(shí)物爆破試驗(yàn)的方法，即先參照有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)制造出鋁制鍋爐,，然后進(jìn)限破試驗(yàn),，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析論證，制定出管理辦法,。

 

1.1 對(duì)試驗(yàn)用鍋爐設(shè)計(jì)制造的初步要求

      鋁制鍋爐的設(shè)計(jì)制造只能部分參照?qǐng)?zhí)行《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》,、《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，為此,，我們確定了如下設(shè)計(jì)制造的初步要求：

    （1）鍋爐結(jié)構(gòu),、安全附件、制造,、檢驗(yàn)滿足《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的基本要求,。強(qiáng)度計(jì)算參照GB/T16508－1996。

    （2）許用應(yīng)力按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,，也可按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的力學(xué)性能和安全系數(shù)nb=4,、ns=1.5（《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第40條）計(jì)算。

      但由于《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定鋁和鋁合金用于壓力容器受壓元件時(shí)設(shè)計(jì)溫度范圍為-269－200℃,，國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也沒有提供鋁和鋁合金200℃以上的高溫機(jī)械性能,，而鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小計(jì)算壁溫為250℃,，這就出現(xiàn)了一個(gè)無法回避的矛盾：按材料標(biāo)準(zhǔn)找不到強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小計(jì)算壁溫下的許用應(yīng)力。為此,，對(duì)鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小計(jì)算壁溫和鋁制鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下可能達(dá)到的壁溫進(jìn)行了理論計(jì)算對(duì)比,。

由傳熱學(xué)可知     

     

式中tbi ——計(jì)算壁溫，℃

     tb——介質(zhì)飽和溫度,，℃

     qmax——最大熱負(fù)荷,，kcal/m2.h

     α2——水側(cè)放熱系數(shù)，kcal/m2.h.℃

     Dw,、Dn——筒體外直徑,、內(nèi)直徑，mm

     Sg,、S——水垢,、筒體厚度，mm

     λ,、λg——筒體材料,、水垢導(dǎo)熱系數(shù)，kcal／m.h.℃

     β——外直徑與內(nèi)徑的比值
      按Dn =442mm,，Dw= 450mm,，S＝4mm，Sg＝3mm,，tb=104℃（P=0.02Mpa）,，qmax=40000kcal/m2.h，α2=5000kcal／m2.h.℃,，λ=175kcal/m.h.℃（L4工業(yè)純鋁）,，λg=2kcal/m.h.℃（碳酸鹽水垢），代入公式計(jì)算得：tbi-tb=70℃,，tb=174℃

      根據(jù)計(jì)算結(jié)果,，額定蒸汽壓力p=0.02MPa的鋁制鍋爐，最小計(jì)算壁溫取為200℃是可以滿足安全要求的,，也符合GB/T16508-1996《鍋殼鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》表4規(guī)定“直接受火焰加熱的鍋殼筒體,、爐膽、爐膽頂,、平板,、管板、火箱板,、集箱,，tbi=tb+90℃的要求，但卻和GB/T16508-1996第3.4.l條規(guī)定“任何情況下鍋爐受壓元件的計(jì)算壁溫取不低于250℃不符,。

      鑒于立式鍋爐鍋殼不直接接受火焰加熱,，取用壁厚有較大的裕度,，按200℃和250℃計(jì)算并無太大的影響；直接受火焰加熱的爐膽強(qiáng)度計(jì)算不需要高溫機(jī)械性能,。為盡可能滿足 GB/Tl6508-1996的規(guī)定,，最小計(jì)算壁溫仍取250℃，相應(yīng)的許用應(yīng)力則按國家標(biāo)準(zhǔn)出版社1989年出版的《工程材料實(shí)用手冊(cè)》選取,。

    （3）焊縫減弱系數(shù)按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第43條選取,。

    （4）從鋁制鍋爐的實(shí)際用途考慮，0.02MPa的蒸汽壓力對(duì)蒸飯,、供開水已基本足夠,，因此，額定蒸汽壓力要求不大于0.02MPa,。

 

2 鋁制鍋爐的熱態(tài)爆破試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)經(jīng)過

      按初步要求設(shè)計(jì)制造了3 臺(tái)型號(hào)為LSGO.08-0.02－M試驗(yàn)用鍋爐（結(jié)構(gòu)見圖1）,，將鍋爐加水至正常水位后點(diǎn)火，開始有蒸汽冒出后將所有出汽口封死,，加足燃料從100米遠(yuǎn)處用勘探望遠(yuǎn)鏡觀察壓力表指示,，同時(shí)用1臺(tái)攝象機(jī)拍攝。壓力每上升0.01MPa進(jìn)行一次記錄,。

注：1.鍋爐主要受壓件材料均采用工業(yè)純鋁L4（GBnl68）,，鍋殼和爐膽對(duì)接焊縫經(jīng)10%線探傷（包括所有交叉部位）2.下腳圈厚度與爐膽筒體相同3.爆破試驗(yàn)前經(jīng)0.2MPa水壓試驗(yàn)合格。

      第1臺(tái)鍋爐關(guān)閉放汽間后13分鐘后發(fā)生爆炸,，爆破壓力為0.33MPa,，屬爐膽失穩(wěn)，失穩(wěn)后呈三角形,，爐膽與爐門圈,、沖天管與爐膽頂角焊縫被撕裂，汽水由撕裂處噴出,，鍋爐本體沒有移位或傾倒。

      第2臺(tái)鍋爐關(guān)閉放汽閥后15分鐘發(fā)生爆炸,，爆破壓力為 0.31MPa,，也屬爐膽失穩(wěn)，失穩(wěn)后仍呈三角形,，爐膽與爐門圈角焊縫被撕裂,，汽水由撕裂處噴出，鍋爐本體沒有移位或傾倒,。

      對(duì)2臺(tái)鍋爐的鍋筒爆破試驗(yàn)前后進(jìn)行的測(cè)量表明,，鍋筒施驗(yàn)后無塑性變形。

      因2臺(tái)鍋爐爆破壓力接近,，沒有再對(duì)第3臺(tái)鍋爐進(jìn)行爆破試驗(yàn),，2臺(tái)鍋爐平均爆破壓力為0.32MPa,。

 

2.2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析及結(jié)論

2.2.1理論分析

      按照 GB9222-88《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》9.3.3爆破驗(yàn)證法，鍋爐的最高允許計(jì)算壓力可按下式確定：

                

式中 Pbs——試驗(yàn)溫度時(shí)的爆破壓力,，0.32MPa

     Sys——經(jīng)受始試驗(yàn)的元件最薄處的壁厚,，mm

     Syz——實(shí)用元件Sys處的實(shí)際壁厚，mm

     [σ]J,、[σ]JS———基本許用應(yīng)力,、試驗(yàn)溫度時(shí)的基本許用應(yīng)力，MPa

     σb20,、σbl20——材料在20℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度和實(shí)際抗拉強(qiáng)度,，MPa

     ψh——焊縫減弱系數(shù)

     f——質(zhì)量系數(shù)，f=1

      因是實(shí)物熱態(tài)爆破試驗(yàn),，Syz／Sys =1,，σb20/σbl20=1，ψh=1,，[σ]J/[σ]JS≥1,，上式簡化為：

      

      即最高允許計(jì)算壓力大于0.08MPa，是額定蒸汽壓力的4倍,，有較大的安全裕度,。

 

2.2.2 按爐膽失穩(wěn)的考核條件考核

      爐膽失穩(wěn)的考核條件：

                                      P≤Plj/8

式中  P——設(shè)計(jì)壓力，MPa

      Plj——失穩(wěn)臨界壓力,，MPa

      8——穩(wěn)定性的安全系數(shù)（隱定系數(shù)）

      由爆破試驗(yàn)知,，Plj=0.32 MPa，因此：Plj/8=0.32/8=0.04MPa,，而鍋爐的額定蒸汽壓力P=0.02MPa＜0.04MPa,，完全滿足失穩(wěn)考核條件。

3 結(jié)論

      根據(jù)對(duì)爆破試驗(yàn)的分析結(jié)果可以認(rèn)為,，按對(duì)試驗(yàn)用鍋爐設(shè)計(jì)制造的初步要求設(shè)計(jì)制造的鋁鍋爐,，強(qiáng)度性能能夠滿足安全要求。

4 廣西對(duì)鋁制鍋爐設(shè)計(jì),、制造和使用制定的基本規(guī)定

      根據(jù)調(diào)查研究,、理論分析結(jié)果和爆破試驗(yàn)驗(yàn)證，廣西對(duì)鋁制鍋爐設(shè)計(jì),、制造和使用制定了如下基本規(guī)定：

    （1）鍋爐結(jié)構(gòu),、安全附件、制造,、檢驗(yàn)滿足《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的基本要求,。強(qiáng)度計(jì)算參照GB/Tl6508－1996；

    （2）焊縫減弱系數(shù)按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第43條選�,�,；

    （3）許用應(yīng)力按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,，也可按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供的力學(xué)性能和安全系數(shù)nb=4、ns=1.5計(jì)算（《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第40條）在國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有提供250℃力學(xué)性能的情況下,，許用應(yīng)力可按國家標(biāo)準(zhǔn)出版社1989年出版的《工程材料實(shí)用手冊(cè)》選�,。�

    （4）額定蒸汽壓力不大于0.02MPa,，蒸發(fā)量不大于0.2t/h,；

    （5）選用鋁合金時(shí)，鎂含量不得大于3％,；

    （6）必須采用氟弧焊焊接方法,；

    （7）必須選用水封式安全閥；

    （8）在用鋁制鍋爐每2年必須進(jìn)行1次壓力為0.2MPa的水壓試驗(yàn),；

    （9）鋁制鍋爐用水應(yīng)經(jīng)軟化處理,，鍋爐內(nèi)水垢厚度不得大于2mm。