Pannexplosion
_(14761379935).jpg)
En pannaexplosion är ett katastrofalt fel på en panna . Det finns två typer av pannexplosioner. En typ är ett fel på tryckdelarna på ång- och vattensidan . Det kan finnas många olika orsaker, såsom fel på säkerhetsventilen, korrosion av kritiska delar av pannan eller låg vattennivå. Korrosion längs kanterna på överlappsfogarna var en vanlig orsak till tidiga pannexplosioner.
Den andra typen är en bränsle/luftexplosion i ugnen , som mer korrekt skulle kunna kallas en eldstadsexplosion. Eldstadsexplosioner i fastbränsleeldade pannor är sällsynta, men eldstadsexplosioner i gas- eller oljeeldade pannor är fortfarande en potentiell fara.
Orsaker
Det finns många orsaker till pannexplosioner såsom dålig vattenbehandling som orsakar avlagringar och överhettning av plattorna, låg vattennivå, en säkerhetsventil som har fastnat eller till och med en ugnsexplosion som i sin tur, om den är tillräckligt allvarlig, kan orsaka en pannexplosion. Dålig operatörsutbildning som resulterat i försummelse eller annan felaktig hantering av pannan har varit en frekvent orsak till explosioner sedan början av den industriella revolutionen. I slutet av 1800-talet och början av 1900-talet visade inspektionsprotokoll från olika källor i USA, Storbritannien och Europa att den vanligaste orsaken till pannexplosioner var försvagning av pannor genom enkel rostning, med allt från två till fem gånger mer än alla andra. andra orsaker.
Innan materialvetenskap, inspektionsstandarder och kvalitetskontroll kom ikapp den snabbt växande panntillverkningsindustrin, var ett betydande antal pannexplosioner direkt spårbara till dålig design, utförande och oupptäckta brister i material av dålig kvalitet. Den alarmerande frekvensen av pannfel i USA på grund av defekter i material och design uppmärksammades av internationella ingenjörsstandardorganisationer, såsom ASME, som etablerade sin första Boiler Testing Code 1884. Pannexplosionen som orsakade Grover Shoe Factory Katastrofen i Brockton, Massachusetts den 10 mars 1905 resulterade i 58 dödsfall och 117 skador, och inspirerade delstaten Massachusetts att publicera sina första pannlagar 1908.
Flera skriftliga källor ger en kortfattad beskrivning av orsakerna till pannexplosioner:
"De främsta orsakerna till explosioner, i själva verket de enda orsakerna, är bristande hållfasthet i skalet eller andra delar av pannorna, övertryck och överhettning. Brist på hållfasthet i ångpannor kan bero på ursprungliga defekter, dåligt utförande , försämring från användning eller misskötsel."
Och:
"Orsak.-Pannaexplosioner beror alltid på att någon del av pannan av någon anledning är för svag för att klara det tryck som den utsätts för. Detta kan bero på en av två orsaker: Antingen är pannan inte tillräckligt stark för att säkert bära sitt rätta arbetstryck, eller så har trycket tillåtits stiga över den vanliga punkten genom att säkerhetsventilerna fastnat eller någon liknande orsak"
Tidiga utredningar om orsaker
Även om försämring och felaktig hantering förmodligen är de vanligaste orsakerna till pannexplosioner, var den faktiska mekanismen för ett katastrofalt pannfel inte väldokumenterad förrän omfattande experiment utfördes av amerikanska panninspektörer i början av 1900-talet. Flera olika försök gjordes för att få en panna att explodera på olika sätt, men ett av de mest intressanta experimenten visade att under vissa omständigheter, om en plötslig öppning i pannan tillät att ånga strömmade ut för snabbt, kunde vattenslag orsaka förstörelse av hela pannan . tryckkärl:
"En cylindrisk panna testades och klarade ett ångtryck på 300 pund (300 psi eller 2 068 kPa) utan skador." " När [utlopps]ventilen plötsligt öppnades vid ett tryck av 235 pund [235 psi eller 1 620 kPa] gav pannan vika, järnet vreds och slets i fragment och kastades åt alla håll. Anledningen till detta var att den plötsliga ångström från pannan in i utloppsröret minskade trycket i pannan mycket snabbt. Denna tryckminskning orsakade att det plötsligt bildades en stor mängd ånga i vattnet och den tunga vattenmassan kastades med stort våld mot pannan. öppningen varifrån ångan drogs ut, träffade delarna av pannan nära den öppningen och orsakade brottet."
Men den mycket destruktiva mekanismen med vattenhammare vid pannexplosioner förstods långt innan dess, som DK Clark skrev den 10 februari 1860, i ett brev till redaktionen för "Mechanics Magazine":
"Den plötsliga spridningen och projektionen av vattnet i pannan mot pannans gränsytor är den stora orsaken till resultatets våldsamhet: spridningen, som orsakas av den tillfälliga alstringen av ånga genom vattnets massa, och i dess ansträngningar att fly, den bär vattnet framför sig, och den kombinerade rörelsemängden av ångan och vattnet bär dem som skott genom och mellan de gränsande ytorna, och deformerar eller krossar dem på ett sätt som inte kan förklaras av enkelt övertryck eller genom enkel fart av ånga."
Pannexplosioner är vanliga i sjunkande fartyg när den heta pannan kommer i kontakt med kallt havsvatten, eftersom den plötsliga kylningen av den heta metallen får den att spricka; till exempel, när SS Benlomond torpederades av en U-båt, fick torpederna och den resulterande pannexplosionen att skeppet gick ner på två minuter, vilket lämnade Poon Lim som den enda överlevande i en besättning på 54 personer.
I lok
Pannexplosioner är av en särskild fara i (lokomotiv-typ) eldrörspannor eftersom toppen av eldstaden (krona) måste täckas med en viss mängd vatten hela tiden; eller värmen från elden kan försvaga kronduken eller kronans stag till bristningsgränsen, även vid normalt arbetstryck .
Detta var orsaken till Gettysburg Railroads eldstadsexplosion nära Gardners, Pennsylvania, 1995, där lågt vatten tillät fronten av kronduken att överhettas tills de vanliga kronstagen drogs genom arket, vilket släppte ut en hel del ånga och vatten under fullt panntrycket in i eldstaden. Kronplåtsdesignen inkluderade flera alternerande rader av säkerhetsstag med knapphuvud, vilket begränsade felet i kronarket till de första fem eller sex raderna av konventionella stag, vilket förhindrade en kollaps av hela kronarket.
Denna typ av fel är inte begränsad till järnvägsmotorer, eftersom pannor av lokomotivtyp har använts för dragmotorer, bärbara motorer, slirmotorer som används för gruvdrift eller avverkning, stationära motorer för sågverk och fabriker, för uppvärmning och som paketpannor som tillhandahåller ånga för andra processer. I alla applikationer är det viktigt att hålla rätt vattennivå för säker drift.
Hewison (1983) ger en omfattande redogörelse för brittiska pannexplosioner och listar 137 mellan 1815 och 1962. Det är anmärkningsvärt att 122 av dessa var på 1800-talet och endast 15 på 1900-talet.
Pannexplosioner delas i allmänhet in i två kategorier. Den första är att själva pannröret går sönder, genom svaghet/skada eller överdrivet inre tryck, vilket resulterar i plötsliga utsläpp av ånga över ett stort område. Sprickbildning av spänningskorrosion i höftlederna var en vanlig orsak till tidiga pannexplosioner, troligen orsakade av frätande sprödhet . Vattnet som användes i pannor var inte ofta noggrant kontrollerat, och om det var surt, kunde det fräta på pannplåtarna av smidesjärn . Galvanisk korrosion var ett ytterligare problem där koppar och järn var i kontakt. Pannplattor har kastats upp till en kvarts mil (Hewison, Rolt). Den andra typen är kollapsen av eldstaden under ångtryck från den angränsande pannan, vilket släpper ut lågor och heta gaser i hytten. Förbättrad design och underhåll eliminerade nästan helt den första typen, men den andra typen är alltid möjlig om ingenjören och brandmannen inte håller vattennivån i pannan.
Panntunnor kunde explodera om det inre trycket blev för högt. För att förhindra detta installerades säkerhetsventiler för att släppa ut trycket på en inställd nivå. Tidiga exempel var fjäderbelastade, men John Ramsbottom uppfann en manipuleringssäker ventil som antogs universellt. Den andra vanliga orsaken till explosioner var inre korrosion som försvagade pannröret så att det inte klarade normalt drifttryck. I synnerhet kan spår uppstå längs horisontella sömmar (överlappsfogar) under vattennivån. Dussintals explosioner resulterade, men de eliminerades år 1900 genom antagandet av kolvfogar, plus förbättrade underhållsscheman och regelbundna hydrauliska tester.
Fireboxar gjordes allmänt av koppar , fast senare lokomotiv hade stålbrandboxar . De hölls till den yttre delen av pannan av stag (många små stöd). Delar av eldstaden som kommer i kontakt med fullt ångtryck måste hållas täckta med vatten för att förhindra att de överhettas och försvagas. Den vanliga orsaken till att eldstaden kollapsar är att pannvattennivån sjunker för lågt och att toppen av eldstaden (kronplåten) blir avtäckt och överhettas. Detta inträffar om brandmannen har misslyckats med att upprätthålla vattennivån eller om nivåindikatorn (mätarglaset) är felaktig. En mindre vanlig orsak är brott på ett stort antal stag, på grund av korrosion eller olämpligt material.
Under hela 1900-talet inträffade två pannfashaverier och tretton eldstadskollapser i Storbritannien. Pannfasfelen inträffade i Cardiff 1909 och Buxton 1921; båda orsakades av felmontering av säkerhetsventilerna som fick pannorna att överskrida sina konstruktionstryck. Av de 13 brandkammare som kollapsade berodde fyra på trasiga stag, en på avlagringar på eldstaden och resten berodde på låg vattennivå.
Princip
Många pannor av skaltyp bär ett stort bad av flytande vatten som värms upp till högre temperatur och tryck ( entalpi ) än kokande vatten skulle ha vid atmosfärstryck. Under normal drift stannar det flytande vattnet i pannans botten på grund av tyngdkraften, ångbubblor stiger upp genom det flytande vattnet och samlas upptill för användning tills mättnadstrycket uppnås, sedan upphör kokningen. Om något tryck släpps, börjar kokningen igen, och så vidare.
Om ånga släpps ut normalt, t.ex. genom att öppna en strypventil, förblir vattnets bubblande verkan måttlig och relativt torr ånga kan sugas upp från den högsta punkten i kärlet.
Om ånga släpps ut snabbare, kan den kraftigare kokningen som resulterar kasta en fin spray av droppar upp som "våt ånga", vilket kan orsaka skador på rörledningar, motorer, turbiner och annan utrustning nedströms.
Om en stor spricka eller annan öppning i pannkärlet gör att det inre trycket sjunker mycket plötsligt, kommer värmeenergin som finns kvar i vattnet att få ännu mer av vätskan att blixtrar till ångbubblor, som sedan snabbt tränger undan den kvarvarande vätskan. Den potentiella energin hos den utströmmande ångan och vattnet omvandlas nu till arbete, precis som de skulle ha gjort i en motor; med tillräckligt med kraft för att dra tillbaka materialet runt brottet, vilket kraftigt förvränger formen på plattan som tidigare hölls på plats av stag, eller självstödd av sin ursprungliga cylindriska form. Det snabba utsläppet av ånga och vatten kan ge en mycket kraftig sprängning och orsaka stor skada på omgivande egendom eller personal.
De snabbt expanderande ångbubblorna kan också utföra arbete genom att kasta stora "sniglar" vatten inuti pannan i riktning mot öppningen, och med häpnadsväckande hastigheter. En snabbrörlig vattenmassa bär på en hel del kinetisk energi (från den expanderande ångan), och i kollision med pannans skal resulterar det i en våldsam destruktiv effekt. Detta kan avsevärt förstora den ursprungliga bristningen, eller riva skalet i två delar.
Många rörmokare, brandmän och ångmontörer är medvetna om detta fenomen, som kallas " vattenhammare ". En flera uns "klump" vatten som passerar genom en ångledning med hög hastighet och träffar en 90-graders armbåge kan omedelbart bryta en koppling som annars är kapabel att hantera flera gånger det normala statiska trycket. Det kan då förstås att några hundra, eller till och med några tusen pund vatten som rör sig med samma hastighet inuti ett pannskal lätt kan blåsa ut en rörplåt, kollapsa en eldstad, till och med kasta hela pannan en överraskande sträcka genom reaktion som vattnet kommer ut ur pannan, som rekylen från en tung kanon som avfyrar en boll.
Flera berättelser om SL-1 experimentella reaktorolycka beskriver livfullt den otroligt kraftfulla effekten av vattenhammare på ett tryckkärl:
"Expansionen orsakad av denna uppvärmningsprocess orsakade vattenslag när vattnet accelererades uppåt mot reaktorkärlets huvud, vilket producerade cirka 10 000 pund per kvadrattum (69 000 kPa) tryck på reaktorkärlets huvud när vattnet träffade huvudet på 160 fot per sekund (50 m/s) ...Denna extrema form av vattenhammare drev styrstavar, skärmpluggar och hela reaktorkärlet uppåt. En senare undersökning kom fram till att fartyget på 26 000 pund (12 000 kg) hade hoppat 9 fot 1 tum (2,77 m) och de övre styrstavarnas drivmekanismer hade träffat taket på reaktorbyggnaden innan de satte sig tillbaka på sin ursprungliga plats"
Ett ånglok som arbetar vid 350 psi (2 400 kPa) skulle ha en temperatur på cirka 225 °C (437 °F) och en specifik entalpi på 963,7 kJ/kg (437,1 kJ/lb). Eftersom mättat vatten med standardtryck har en specifik entalpi på bara 418,91 kJ/kg (190,01 kJ/lb), är skillnaden mellan de två specifika entalpierna, 544,8 kJ/kg (247,1 kJ/lb), den totala energi som förbrukats i explosionen. Så i fallet med ett stort lokomotiv som kan rymma så mycket som 10 000 kg (22 000 lb) vatten vid ett högt tryck och temperaturtillstånd, skulle denna explosion ha en teoretisk energifrisättning lika med cirka 1 160 kg (2 560 lb) TNT .
Explosioner i eldstaden
I fallet med en eldstadsexplosion inträffar dessa vanligtvis efter att en brännare slocknat . Oljeångor, naturgas, propan, kol eller annat bränsle kan byggas upp inuti förbränningskammaren. Detta är särskilt oroande när kärlet är varmt; bränslena kommer snabbt att förångas på grund av temperaturen. När den undre explosionsgränsen (LEL) har nåtts kommer alla antändningskällor att orsaka en explosion av ångorna.
En bränsleexplosion inom eldstadens gränser kan skada de trycksatta pannrören och det inre skalet, vilket potentiellt kan utlösa strukturella fel, ång- eller vattenläckage och/eller ett sekundärt pannskalsfel och ångexplosion .
En vanlig form av mindre brandkammare "explosion" är känd som "trumning" och kan inträffa med alla typer av bränsle. Istället för eldens normala "vrål" indikerar en rytmisk serie av "dunkningar" och eldglimtar under gallret och genom branddörren att förbränningen av bränslet fortskrider genom en snabb serie av detonationer, orsakade av en olämplig luft /bränsleblandning med hänsyn till tillgänglig dragnivå. Detta orsakar vanligtvis inga skador i pannor av lokomotivtyp, men kan orsaka sprickor i murpanninställningar om de får fortsätta.
Grooving
Plattorna i tidiga lokpannor förenades med enkla överlappande fogar . Denna praxis var tillfredsställande för de ringformiga lederna, som löpte runt pannan, men i längsgående fogar, längs pannans längd, avledde överlappningen av plattorna pannans tvärsnitt från dess ideala cirkulära form. Under tryck ansträngde sig pannan för att nå det cirkulära tvärsnittet så nära som möjligt. Eftersom överlappningen med dubbel tjocklek var starkare än den omgivande metallen, orsakade den upprepade böjningen och frigöringen som orsakades av variationerna i panntrycket inre sprickor, eller spår (djupa gropbildningar), längs fogens längd. Sprickorna erbjöd en utgångspunkt för inre korrosion, vilket kunde påskynda fel. Det visade sig så småningom att denna inre korrosion kunde reduceras genom att använda plattor av tillräcklig storlek så att inga fogar var placerade under vattenytan. Så småningom ersattes den enkla höftsömmen av de enkla eller dubbla rumpsömmarna, som inte lider av denna defekt.
På grund av eldstadens ständiga expansion och sammandragning kan en liknande form av "spänningskorrosion" ske i ändarna av stagbultar där de kommer in i eldstadens plattor, och accelereras av dålig vattenkvalitet. Denna typ av korrosion kallas ofta för "neckning" och kan minska hållfastheten hos stagbultarna tills de är oförmögna att stödja eldstaden vid normalt tryck.
Räfflor (djupa, lokaliserade gropfrätningar) förekommer också nära vattenlinjen, särskilt i pannor som matas med vatten som inte har avluftats eller behandlats med syreavskiljande medel. Alla "naturliga" vattenkällor innehåller löst luft, som frigörs som en gas när vattnet värms upp. Luften (som innehåller syre) samlas i ett lager nära vattenytan och påskyndar kraftigt korrosion av pannplattorna i det området.
Eldstad
Den komplicerade formen på en lokomotivbrännkammare, oavsett om den är gjord av mjuk koppar eller stål, kan endast motstå ångtrycket på dess inre väggar om dessa stöds av stag fästa på inre balkar och ytterväggarna. De riskerar att gå sönder på grund av utmattning (eftersom inner- och ytterväggarna expanderar i olika hastighet under eldens hetta), på grund av korrosion eller slöseri när huvuden på de stag som exponeras för elden bränns bort. Om stagen misslyckas kommer eldstaden att explodera inåt. Regelbunden visuell inspektion, internt och externt, används för att förhindra detta. Även en välskött eldstad kommer att misslyckas explosivt om vattennivån i pannan tillåts sjunka tillräckligt långt för att lämna eldstadens toppplatta oskyddad. Detta kan inträffa när man korsar toppen av kullen, eftersom vattnet rinner till den främre delen av pannan och kan exponera eldstadens krona. Majoriteten av lokexplosioner är brandboxexplosioner orsakade av att en sådan kronduk avslöjas.
Ångbåtspannor
Pennsylvania var en ångbåt med sidohjul som drabbades av en pannexplosion i Mississippifloden och sjönk på Ship Island nära Memphis, Tennessee, den 13 juni 1858. Av de 450 passagerarna ombord dog mer än 250, inklusive Henry Clemens, den yngre brodern av författaren Mark Twain .
SS Ada Hancock , en liten ångbåt som användes för att transportera passagerare och last till och från de stora kustnära ångfartygen som stannade i San Pedro Harbour i början av 1860-talet, drabbades av katastrof när dess panna exploderade våldsamt i San Pedro Bay , hamnen i Los Angeles , nära Wilmington, Kalifornien den 27 april 1863 dödade tjugosex människor och skadade många andra av de femtiotre eller fler passagerarna ombord.
Ångbåten . Sultana förstördes i en explosion den 27 april 1865, vilket resulterade i den största sjökatastrofen i USA:s historia Uppskattningsvis 1 549 passagerare dödades när tre av fartygets fyra pannor exploderade och Sultana brann och sjönk inte långt från Memphis, Tennessee . Orsaken spårades till en dåligt utförd reparation av skalet på en panna; plåstret misslyckades, och skräp från den pannan sprack två till.
En annan ångbåtsexplosion från inbördeskriget i USA var Steamer Eclipse den 27 januari 1865, som bar medlemmar av det 9:e Indiana Artillery . En officiell registerrapport nämner katastrofrapporterna 10 dödade och 68 skadade; en senare rapport nämner att 27 dödades och 78 skadades. Fox's Regimental Losses rapporterar 29 döda.
Huruvida pannan i kanadensiska Waubuno exploderade 1879 eller inte, och om den exploderade, om det berodde på vårdslöst underhåll eller kontakt med det kalla vattnet i Georgian Bay under grunden i en storm, är omtvistat.
Användning av pannor
De stationära ångmaskinerna som användes för att driva maskiner blev först framträdande under den industriella revolutionen , och under de tidiga dagarna var det många pannexplosioner av en mängd olika orsaker. En av de första utredarna av problemet var William Fairbairn , som hjälpte till att etablera det första försäkringsbolaget som hanterade de förluster som sådana explosioner kunde orsaka. Han fastställde också experimentellt att ringspänningen i ett cylindriskt tryckkärl som en panna var två gånger den längsgående spänningen . Sådana undersökningar hjälpte honom och andra att förklara vikten av spänningskoncentrationer i försvagande pannor.
Moderna pannor
Moderna pannor är designade med redundanta pumpar, ventiler, vattennivåvakter, bränsleavstängningar, automatiserade kontroller och övertrycksventiler . Dessutom måste konstruktionen följa strikta tekniska riktlinjer fastställda av berörda myndigheter. NBIC , ASME och andra försöker säkerställa säkra pannkonstruktioner genom att publicera detaljerade standarder . Resultatet är en pannenhet som är mindre utsatt för katastrofala olyckor.
Att förbättra säkerheten är också den ökande användningen av "paketpannor". Det är pannor som byggs på en fabrik och sedan skickas ut som en komplett enhet till arbetsplatsen. Dessa har vanligtvis bättre kvalitet och färre problem än pannor som är platsmonterade rör för rör. En paketpanna behöver bara göra de slutliga anslutningarna (elektriska, brytande, kondensatledningar, etc.) för att slutföra installationen.
Ångexplosioner
I ånglokspannor , eftersom kunskap erhölls genom försök och misstag i tidiga dagar, var de explosiva situationerna och de därav följande skadorna på grund av explosioner oundvikliga. Förbättrad design och underhåll minskade dock markant antalet pannexplosioner i slutet av 1800-talet. Ytterligare förbättringar fortsatte under 1900-talet.
På landbaserade pannor inträffade explosioner av trycksystemen regelbundet i stationära ångpannor under den viktorianska eran , men är nu mycket sällsynta på grund av de olika skydden som tillhandahålls och på grund av regelbundna inspektioner som tvingats av myndigheter och industrikrav.
Varmvattenberedare kan explodera med överraskande våld när deras säkerhetsanordningar går sönder.
Reaktorexplosioner
En ångexplosion kan inträffa i vilken typ av varmvattenberedare som helst, där en tillräcklig mängd energi levereras och ångan som skapas överstiger kärlets styrka. När värmetillförseln är tillräckligt snabb kan en lokal överhettning inträffa, vilket resulterar i att en vattenhammare förstör kärlet. SL -1 kärnreaktorolyckan är ett exempel på en överhettad ånga. Men i SL1-exemplet släpptes trycket av den påtvingade utstötningen av styrstavar som gjorde att ångan kunde ventileras. Reaktorn exploderade inte och kärlet sprack inte heller.
Se även
- Ångexplosion
- Kokande vätska expanderande ångexplosion (BLEVE)
- Pannsäkerhet
- Smältkontakt
- Grover Shoe Factory-katastrof
- Lista över pannexplosioner
- Listor över järnvägsolyckor
- William Fairbairn
- John Hick
Anteckningar
Bibliografi
- Hewison, Christian H. (1983). Lokpanna explosioner . David och Charles. ISBN 0-7153-8305-1 .
- Rolt, LTC (2009) [1956]. Röd för fara . Bodley Head / David och Charles / Pan Books. ISBN 9780752451060 .
- McEwen, Alan (2009). Historiska ångpanneexplosioner . Sledgehammer Engineering Press. ISBN 978-0-9532725-2-5 .
Vidare läsning
- Bartrip, PWJ Staten och ångpannan i Storbritannien International review of social history 25, 1980, 77-105. Regeringsingripande och intressegruppernas roll i 1800-talets Storbritannien när det gäller stationära pannor.
- Winship, IR Nedgången i lok pannexplosioner i Storbritannien 1850 – 1900 Transaktioner – Newcomen Society 60, 1988 – 89, 73 – 94. Tekniska och andra faktorer som minskade förekomsten av explosioner.