ボイラー爆発

ボイラーの爆発は、 ボイラーの壊滅的な故障です。今日見られるように、ボイラーの爆発には2種類あります。 1つは、蒸気側と水側の圧力部分の故障です。安全弁の故障、ボイラーの重要な部分の腐食、低水位など、さまざまな原因が考えられます。重ね継手の縁に沿った腐食は、ボイラーの早期爆発の一般的な原因でした。

2番目の種類は、炉内での燃料/空気の爆発です。これは、より適切には火室爆発と呼ばれます。固体燃料燃焼ボイラーでの火室爆発はまれですが、ガスまたは石油燃焼ボイラーでの火室爆発は依然として潜在的な危険です。

ボイラー爆発の原因

ボイラー爆発の多くの原因があります。例えば、水処理が不十分でプレートのスケーリングや過熱、低水位、安全弁の詰まり、または炉の爆発でさえ、ひどい場合にはボイラー爆発を引き起こす可能性があります。ボイラーの怠慢やその他の誤った取り扱いをもたらす不十分なオペレーター訓練は、産業革命の始まり以来、爆発の頻繁な原因となっています。 19世紀後半から20世紀初頭に、アメリカ、イギリス、ヨーロッパのさまざまなソースの検査記録により、ボイラー爆発の最も頻繁な原因は、単純な錆びによるボイラーの弱体化であり、全体の2倍から5倍の範囲であったことが示されましたその他の原因。

材料科学、検査基準、品質管理が急速に成長しているボイラー製造業界に追いつく前に、かなりの数のボイラー爆発は、品質の低い材料の設計、仕上がり、および検出されなかった欠陥に直接起因していました。 1884年に最初のボイラーテストコードを制定したASMEなど、国際的な技術標準化団体の注目を集めていたのは、材料と設計の欠陥による米国のボイラー故障の驚くべき頻度でした。グローバー靴工場を引き起こしたボイラー爆発1905年3月10日にマサチューセッツ州ブロックトンで起きた災害は58人の死者と117人の負傷者をもたらし、1908年にマサチューセッツ州に最初のボイラー法を発表させました。

いくつかの書面によると、ボイラーの爆発の原因を簡潔に説明しています。

「実際の唯一の原因である爆発の主な原因は、シェルまたはボイラーの他の部分の強度の不足、過圧および過熱です。蒸気ボイラーの強度の不足は、元の欠陥、悪い仕上がりによる可能性があります、使用または管理ミスによる劣化。」

そして：

「原因。-ボイラーの爆発は常に、ボイラーの一部が何らかの理由で弱すぎて受ける圧力に耐えられないという事実によるものです。これは、2つの原因のいずれかが原因である可能性があります。適切な作動圧力を安全に運ぶのに十分な強度がない、または安全弁の固着、または同様の原因によって圧力が通常のポイントを超えることが許可されている

ボイラー爆発の原因に関する早期調査

劣化と不適切な取り扱いがおそらくボイラー爆発の最も一般的な原因ですが、壊滅的なボイラーの故障の実際のメカニズムは、20世紀初頭に米国のボイラー検査官によって広範な実験が行われるまで、十分に文書化されませんでした。ボイラーをさまざまな手段で爆発させるためにいくつかの異なる試みが行われましたが、最も興味深い実験の1つは、特定の状況で、ボイラーの突然の開放により蒸気があまりにも急速に逃げることができれば、ウォーターハンマーが全体の破壊を引き起こす可能性があることを実証しました圧力容器：

「円筒形ボイラーがテストされ、負傷なしで300ポンドの蒸気圧に耐えました。」「バルブが235ポンドの圧力で突然開かれたとき、ボイラーは道を譲り、鉄はねじれて断片に引き裂かれ、あらゆる方向に投げられました。この理由は、ボイラーから排出パイプへの蒸気の突進です。ボイラー内の圧力が非常に急速に低下しました。この圧力の低下により、水中に大量の蒸気が突然形成され、蒸気が引き出された開口部に向かって激しい水が大量に投げ出され、その開口部近くのボイラーの一部が破損を引き起こしました。」

しかし、ボイラー爆発における水撃の非常に破壊的なメカニズムは、DKクラークが1860年2月10日に「Mechanics Magazine」の編集者への手紙で書いたように、それよりずっと前に理解されました。

「ボイラーの境界面に対するボイラー内の水の突然の分散と投射は、結果の暴力の大きな原因です。分散は、水の塊全体での蒸気の瞬間的な生成によって引き起こされ、逃げる努力、それはその前に水を運びます、そして蒸気と水の結合された運動量は境界面を通り抜けて飛び散るようにそれらを運び、簡単な過剰圧力によって説明されない方法でそれらを変形または粉砕します蒸気の単純な勢いで。」

ボイラーの爆発は、過熱したボイラーが冷たい海水に触れると沈没船でよく起こります。これは、過熱した金属が突然冷却されると割れてしまうためです。たとえば、SS ベンモンドがUボートで魚雷を投下されたとき、魚雷とその結果生じるボイラーの爆発により、船は2分で沈没し、 プーンリムは54人の乗組員の唯一の生存者でした。

機関車型ボイラー爆発

ボイラーの爆発は、（機関車型）火管式ボイラーでは特に危険です。これは、火室（クラウンシート）の上部が常にある程度の水で覆われている必要があるためです。または、 通常の使用圧力であっても 、火の熱によりクラウンシートが弱くなるか、クラウンが破損点に留まることがあります。

これは、1995年にペンシルベニア州ガードナーズ近くでゲティスバーグ鉄道の火室が爆発した原因でした。そこでは、通常のクラウンがシートを通過するまで、低水によりクラウンシートの前面が過熱し、大量の蒸気と水が放出されました火室へのボイラー圧力。クラウンシートのデザインには、ボタンヘッドの安全ステーが数列交互に配置されており、クラウンシートの破損が従来のステーの最初の5列または6列に制限され、クラウンシート全体の崩壊が防止されました。

機関車型ボイラーは、牽引エンジン、ポータブルエンジン、採掘または伐採に使用されるスキッドエンジン、製材所および工場の固定エンジン、暖房用、および蒸気を供給するパッケージボイラーとして使用されているため、このタイプの障害は鉄道エンジンに限定されません他のプロセス用。すべてのアプリケーションで、適切な水位を維持することは安全な操作に不可欠です。

原理

多くのシェル型ボイラーは、沸騰した水が大気圧になるよりも高い温度と圧力（エンタルピー）に加熱される液体水の大きな浴槽を持ちます。通常の操作中、液体の水は重力のためにボイラーの底に残り、蒸気の泡は液体の水を通って上昇し、飽和圧力に達するまで使用のために上部に集まり、沸騰が停止します。ある程度の圧力が解放されると、沸騰が再び始まります。

たとえば、スロットルバルブを開くことによって蒸気が正常に放出される場合、水の泡立ち動作は中程度のままで、比較的乾燥した蒸気を容器の最高点から引き出すことができます。

蒸気がより迅速に放出されると、結果として生じるより激しい沸騰作用により、液滴の微細なスプレーが「湿った蒸気」として放り出され、配管、エンジン、タービン、および下流の他の機器を損傷する可能性があります。

ボイラー容器の大きな亀裂またはその他の開口部により内部圧力が非常に急激に低下する場合、水に残っている熱エネルギーにより、液体のさらに多くが蒸気の泡にフラッシュされ、残りの液体が急速に移動します。逃げる蒸気と水のポテンシャルエネルギーは、エンジンで行うのと同じように、仕事に変換されます。破断部の周りの材料を引きはがすのに十分な力で、以前はステーによって所定の位置に保持されていた、または元の円筒形状によって自立したプレートの形状をひどくゆがめます。蒸気と水の急速な放出は、非常に強力な爆発をもたらし、周囲の財産または人員に大きな損害を与える可能性があります。

急速に拡大する蒸気の泡は、ボイラー内部に大きな「スラグ」の水を開口部の方向に、そして驚くべき速度で投げることによって作業を実行することもできます。動きの速い水の塊は、（膨張する蒸気からの）大量の運動エネルギーを運び、ボイラーのシェルと衝突すると、激しい破壊効果をもたらします。これにより、元の破裂が大幅に拡大するか、シェルが2つに裂けます。

多くの配管工、消防士、および消防士は、「ウォーターハンマー」と呼ばれるこの現象を認識しています。蒸気ラインを高速で通過し、90度のエルボに衝突する数オンスの「スラグ」は、通常の静圧の数倍を処理できる継手を即座に破壊する可能性があります。そして、ボイラーシェル内を同じ速度で移動する数百、または数千ポンドの水でも、チューブシートを簡単に吹き飛ばしたり、火室を折りたたんだり、反応によってボイラー全体を驚くほどの距離で放り投げたりできることが理解できます水がボイラーから出て行くのは、ボールを発射する大砲の反動のようです。

SL-1実験炉事故のいくつかの説明は、圧力容器に対する水撃の信じられないほど強力な効果を鮮明に説明しています。

「水が原子炉容器の頭部に向かって上方に加速され、160フィートで水が頭に当たったときに原子炉容器の頭部に約10,000ポンド/平方インチ（69,000 kPa）の圧力を発生させたため、毎秒（50 m / s）...水撃のこの極端な形態は、制御棒、シールドプラグ、および原子炉容器全体を上向きに推進しました。後の調査では、26,000ポンド（12,000 kg）の容器が9フィート1インチ（2.77 m）で、上部制御棒駆動機構が元の場所に落ち着く前に原子炉建屋の天井にぶつかりました」

350 psi（2,400 kPa）で動作する蒸気機関車の温度は約225°C（437°F）で、比エンタルピーは963.7 kJ / kg（437.1 kJ / lb）です。標準圧力の飽和水の比エンタルピーはわずか418.91 kJ / kg（190.01 kJ / lb）であるため、2つの比エンタルピーの差である544.8 kJ / kg（247.1 kJ / lb）が爆発で消費される総エネルギーです。そのため、高圧および高温状態で10,000 kg（22,000 lb）の水を保持できる大型機関車の場合、この爆発は約1,160キログラム（2,560 lb）のTNTに等しい理論的エネルギー放出になります。

Fireboxの爆発

火室爆発の場合、これらは通常バーナーのフレームアウト後に発生します。油煙、天然ガス、プロパン、石炭、またはその他の燃料が燃焼室内に蓄積する可能性があります。これは、容器が高温の場合に特に懸念されます。燃料は温度により急速に揮発します。爆発の下限（LEL）に達すると、発火源は蒸気の爆発を引き起こします。

火室の範囲内での燃料爆発は、加圧ボイラーチューブと内部シェルに損傷を与え、構造的故障、蒸気または水漏れ、および/または二次ボイラーシェルの故障と蒸気爆発を引き起こす可能性があります。

マイナーファイアボックスの「爆発」の一般的な形式は「ドラム」と呼ばれ、あらゆる種類の燃料で発生します。火の通常の「ro音」の代わりに、火格子の下および防火扉を通過するリズミカルな一連の「強打」と火のフラッシュは、不適切な空気によって引き起こされる燃料の燃焼が急速な一連の爆発を進行していることを示します利用可能なドラフトのレベルに関する混合燃料。これは通常、機関車タイプのボイラーでは損傷を引き起こしませんが、続行すると、石積みボイラーの設定に亀裂が生じる可能性があります。

溝入れ

初期の機関車のボイラーのプレートは、単純な重なり合った接合部によって接合されていました。この方法は、ボイラーの周りを走る環状ジョイントには満足のいくものでしたが、ボイラーの長さに沿った縦方向のジョイントでは、プレートの重なりがボイラーの断面を理想的な円形からそらしました。圧力下で、ボイラーは可能な限りほぼ円形の断面に達するように緊張しました。二重の厚さの重なりは周囲の金属よりも強かったため、ボイラーの圧力の変化によって繰り返される曲げと解放により、ジョイントの長さに沿って内部亀裂または溝（深い孔食）が発生しました。亀裂は内部腐食の開始点となり、破損を早める可能性がありました。最終的に、この内部腐食は、接合部が水位より下に位置しないように十分なサイズのプレートを使用することにより低減できることが判明しました。最終的に、シンプルなラップシームは、この欠陥の影響を受けないシングルまたはダブルのバットストラップシームに置き換えられました。

ファイアボックスの絶え間ない膨張と収縮により、同様の形の「応力腐食」が、ステープルボルトがファイアボックスプレートに入る端部で発生する可能性があり、水質が悪いと加速されます。「ネッキング」と呼ばれることも多いこのタイプの腐食は、通常の圧力でファイアボックスを支えることができなくなるまで、ステイボルトの強度を低下させる可能性があります。

特に脱気または脱酸素剤で処理されていない水を供給されているボイラーでは、水線の近くで溝入れ（深い、局所的な孔食）も発生します。すべての「自然な」水源には溶存空気が含まれており、水が加熱されると気体として放出されます。空気（酸素を含む）は水面近くの層に集まり、その領域のボイラープレートの腐食を大幅に加速します。

Firebox

軟銅製であろうと鋼製であろうと、機関車の火室の複雑な形状は、内壁と外壁に取り付けられたステーで支えられている場合にのみ、内壁の蒸気圧に耐えることができます。それらは、疲労（炎の熱で内壁と外壁が異なる速度で膨張するため）、腐食、または火にさらされたステーの頭部が焼失する際の浪費により破損する傾向があります。滞在が失敗すると、ファイアボックスは内側に爆発します。これを防ぐために、内部および外部の定期的な目視検査が採用されています。ボイラー内の水位が、火室の天板が露出したままになるのに十分なほど低下すると、十分に維持された火室でさえ爆発的に失敗します。これは、水がボイラーの前部に流れ、火室の王冠シートを露出させる可能性があるため、丘の頂上を横断するときに発生する可能性があります。機関車の爆発の大部分は、このようなクラウンシートの露出によって引き起こされる火室の爆発です。

蒸気船ボイラー

ペンシルバニアは、1858年6月13日にミシシッピ川でボイラー爆発に遭い、1858年6月13日にテネシー州メンフィス近くのシップ島で沈没したサイドウィーラー蒸気船でした。乗船中の450人の乗客のうち、著者のマーク・トウェイン。

SS Ada Hancockは、1860年代初頭にサンペドロ港で停泊した大型の沿岸蒸気船との間で乗客と貨物を輸送するために使用された小型蒸気船であり、そのボイラーがロサンゼルス港の近くのサンペドロ湾で激しく爆発したときに災害に見舞われました1863年4月27日にカリフォルニア州ウィルミントンで26人が死亡し、乗船中の53人以上の乗客の多くが負傷しました。

1865年4月27日、蒸気船Sultanaは爆発で破壊され、米国史上最大の海事災害をもたらしました。船の4つのボイラーのうち3つが爆発し、 スルタナ号が燃え、テネシー州メンフィスからそれほど遠くなかったため、推定1,549人の乗客が死亡しました。

もう1つのアメリカ南北戦争の蒸気船の爆発は、1865年1月27日の汽船日食であり、第9インディアナ砲兵のメンバーを運んでいました。ある公式の記録報告では、10人が死亡、68人が負傷した災害報告に言及しています。後の報告では、27人が死亡し、78人が負傷したと述べています。フォックスの連隊損失は29人が死亡したと報告しています。

ボイラーの使用

機械に動力を供給するために使用される定置式蒸気エンジンは、産業革命の際に最初に顕著になり、初期にはさまざまな原因から多くのボイラーが爆発しました。この問題の最初の調査員の1人は、ウィリアムフェアベアンでした。彼は、こうした爆発が引き起こす可能性のある損失に対処する最初の保険会社の設立を支援しました。彼はまた、ボイラーのような円筒形圧力容器内のフープ応力が縦応力の2倍であることを実験的に確立しました。このような調査は、ボイラーの弱体化における応力集中の重要性を説明するのに役立ちました。

蒸気爆発

蒸気機関車のボイラーでは、初期の段階で試行錯誤によって知識が得られたため、爆発的な状況と爆発による損害は避けられませんでした。しかし、設計と保守の改善により、19世紀の終わりまでにボイラーの爆発回数が著しく減少しました。 20世紀もさらなる改善が続けられました。

陸上のボイラーでは、ビクトリア朝時代の定置蒸気ボイラーで圧力システムの爆発が定期的に発生していましたが、現在ではさまざまな保護が提供されているため、政府や業界の要件によって定期検査が強制されているため、非常にまれです。

給湯器は、安全装置が故障すると、驚くべき暴力で爆発する可能性があります。

原子炉爆発

蒸気爆発は、あらゆる種類の温水器で発生する可能性があり、十分な量のエネルギーが供給され、生成された蒸気が容器の強度を超えます。熱の供給が十分に速い場合、局所的な過熱が発生し、水撃により容器が破壊される可能性があります。 SL-1原子炉事故は、蒸気の過熱破裂の一例です。ただし、SL1の例では、制御棒を強制的に排出することで圧力が解放され、蒸気が排出されました。原子炉は爆発せず、容器も破裂しませんでした。

英国の機関車ボイラー爆発

Hewison（1983）は、1815年から1962年までの間に137をリストした英国のボイラー爆発の包括的な説明を提供します。これらのうち122が19世紀にあり、20世紀には15のみでした。

ボイラーの爆発は、一般に2つのカテゴリーに分類されます。 1つ目は、ボイラーバレル自体の破損です。これは、脆弱性/損傷または過度の内圧によるものであり、その結果、広範囲にわたって蒸気が突然排出されます。重ね継手の応力腐食割れは、初期のボイラー爆発の一般的な原因であり、おそらく腐食性脆化が原因でした。ボイラーで使用される水は厳密に制御されないことが多く、酸性の場合、錬鉄製のボイラープレートを腐食する可能性があります。銅と鉄が接触している場合、電解腐食は追加の問題でした。ボイラープレートは4分の1マイル（Hewison、Rolt）まで投げられました。 2番目のタイプは、隣接するボイラーからの蒸気圧の下での火室の崩壊であり、炎と高温ガスをキャブに放出します。改良された設計と保守により、最初のタイプはほぼ完全になくなりましたが、エンジニアと消防士がボイラーの水位を維持しなければ、常に2番目のタイプが可能です。

内部圧力が高くなりすぎると、ボイラーバレルが爆発する可能性があります。これを防ぐために、設定レベルで圧力を解放する安全弁が取り付けられました。初期の例はスプリング式でしたが、John Ramsbottomは、一般に採用されている不正開封防止バルブを発明しました。爆発のその他の一般的な原因は、通常の運転圧力に耐えられないようにボイラーバレルを弱める内部腐食でした。特に、水位以下の水平の継ぎ目（重ね継ぎ手）に沿って溝が生じる可能性があります。数十件の爆発が発生しましたが、突合せ継手の採用、さらにメンテナンススケジュールの改善と定期的な油圧試験により、1900年までに解消されました。

火室は一般的に銅製でしたが、後の機関車には鋼製の火室がありました。それらはステー（多数の小さなサポート）によってボイラーの外側部分に保持されていました。完全な蒸気圧と接触している火室の部分は、それらが過熱して弱くなるのを防ぐために、水で覆われたままでなければなりません。火室の崩壊の通常の原因は、ボイラーの水位が下がりすぎて、火室の上部（クラウンシート）が露出して過熱することです。これは、消防士が水位の維持に失敗した場合、またはレベルインジケーター（ゲージガラス）に障害がある場合に発生します。あまり一般的ではない理由は、腐食または不適切な材料による多数のステイの破損です。

20世紀を通じて、英国では2つのボイラー樽の故障と13の火室の崩壊が発生しました。ボイラーバレルの故障は、1909年にカーディフで、1921年にバクストンで発生しました。両方とも、安全弁の誤組み立てが原因で、ボイラーが設計圧力を超えました。 13の火室の崩壊のうち、4つはステイの破損によるもので、1つは火室のスケールアップのためであり、残りは低水位によるものでした。