Қазанның жарылуы және оның салдары

Кіріспе

Қазанның катастрофиялық істен шығуы

Қазан жарылысы – қазанның катастрофиялық істен шығуы. Қазан жарылыстарының екі түрі бар. Бір түрі – бу және су тараптарының қысымды бөліктерінің бұзылуы. Мұның себептері көп болуы мүмкін, мысалы, қауіпсіздік клапанының істен шығуы, қазанның маңызды бөліктерінің коррозиясы немесе су деңгейінің төмендеуі. Лапты біріктірулердің жиектеріндегі коррозия ерте замандағы қазан жарылыстарының жиі кездесетін себебі болды. Бу локомотивтерінің қазандықтарында, бастапқыда тәжірибе мен қателер арқылы білім жинақталғандықтан, жарылыс жағдайлары мен олардың салдарынан болатын зақымдар болдырмас еді. Алайда, 19-ғасырдың соңына қарай қазандықтардың жақсартылуы және техникалық қызмет көрсету қазан жарылыстарының санын едәуір азайтты. 20-ғасырда да одан әрі жетілдірулер жалғасты. Құрлықта орналасқан қазандықтарда, Виктория дәуірінде тұрақты бу қазандықтарында қысым жүйелерінің жарылыстары жиі орын алған, бірақ қазір бұл жағдайлар өте сирек кездеседі, себебі түрлі қорғаныс шаралары қарастырылған және үкіметтік және өнеркәсіптік талаптарға сәйкес жүйелі тексерулер жүргізіледі. Екінші түрі – пештегі отын мен ауаның араласуынан болатын жарылыс, бұл жағдайда оны оттық қуыстың жарылысы деп атаған дұрыс. Қатты отынмен жұмыс істейтін қазандықтарда оттық қуыстың жарылуы сирек, бірақ газ немесе мұнаймен жұмыс істейтін қазандықтарда мұндай жарылыс әлі де қауіпті болып табылады.

Қазандықтың бу жарылыстары

Көптеген қабықшалы қазандықтарда сұйық судың үлкен көлемі болады, ол атмосфералық қысымда қайнаған судан жоғары температураға және қысымға (энтальпияға) дейін қыздырылады. Қалыпты жұмыс кезінде, гравитация салдарынан сұйық су қазандықтың төменгі бөлігінде қалады, бу көпіршіктері сұйық су арқылы көтеріліп, толық қанығу қысымына жеткенге дейін жоғарыда жиналады, содан кейін қайнау тоқтатылады. Егер қысымның бір бөлігі босатылса, қайнау қайта басталады, және т.б. Бу қалыпты түрде босатылса, мысалы, газды реттегіш клапанды ашу арқылы, судың көпіршіктеу әрекеті орташа болады және ыдыстың ең жоғары нүктесінен салыстырмалы түрде құрғақ буды алуға болады. Егер бу тез босатылса, нәтижесінде күшті қайнау әрекеті "ылғал бу" ретінде ұсақ тамшылардың шашырауына себеп болуы мүмкін, бұл құбырларға, қозғалтқыштарға, турбиналарға және басқа да жабдықтарға зақым келтіруі мүмкін. Егер қазандықтың қабығында үлкен жарық немесе басқа да тесік пайда болып, ішкі қысымды кенеттен төмендетсе, суда қалған жылу энергиясы сұйықтықтың көбірек бөлігін бу көпіршіктеріне айналдырады, содан кейін қалған сұйықтықты тез ығыстырып жібереді. Шығатын бу мен судың потенциалдық энергиясы енді жұмысқа айналады, дәл қозғалтқышта істегендей; бұл материалды үзіліс айналасында қашаруға жеткілікті күшті, бұрын тіреулермен ұсталған немесе бастапқы цилиндрлік пішінімен өзін-өзі ұстаған тақтаның пішінін қатты бұрмалауға мүмкіндік береді. Бу мен судың тез босауы өте күшті жарылысқа әкелуі мүмкін және айналадағы мүлікке немесе адамдарға үлкен зиян келтіруі мүмкін. Мұндай ақаулық қайнаған сұйықтықтың кеңейетін бу жарылысы (BLEVE) ретінде қарастырылады. Жылдам кеңейіп жатқан бу көпіршіктері қазандықтың ішіндегі үлкен "сулы" толқындарды ашылу бағытында және таңғажайып жылдамдықпен лақтыру арқылы жұмыс істей алады. Жылдам қозғалатын су массасы үлкен кинетикалық энергияны алып жүреді, ал қазандықтың қабығымен соқтығысқанда күшті деструктивті әсер етеді. Бұл бастапқы жарықты ұлғайтуы немесе қабықты екіге бөлуі мүмкін. Көптеген сантехниктер, өрт сөндірушілер және бу монтаждаушылар "су соққысы" деп аталатын осы құбылысты жақсы біледі. Бу желісі арқылы жоғары жылдамдықпен өтетін және 90 градус бұрылысқа соқтығысатын бірнеше унция су, қалыпты статикалық қысымнан бірнеше есе артық қысымға төтеп беруге қабілетті құрылғыны бірден бұзуы мүмкін. Сондықтан, бірнеше жүз немесе тіпті бірнеше мың фунт су қазандықтың қабығында бірдей жылдамдықпен қозғалса, құбыр табанын оңай ұшырып, оттық қабырғасын құлатып, тіпті бүкіл қазандықты судың қазаннан шығуы сияқты реакция арқылы таңғаларлық қашықтыққа лақтыруы мүмкін, дәл ауыр зеңбірек оғын атқандағы кері соққы сияқты. SL 1 тәжірибелік реакторының апатына қатысты бірнеше есептер қысымды ыдысқа су соққысының керемет әсерін анық сипаттайды: "Бұл қыздыру процесі судың реактор ыдысының басына қарай жоғары жылдамдықпен қозғалған кезде су соққысын тудырды, бұл реактор ыдысының басына секундына 50 метр жылдамдықпен соққан кезде шамамен 10 000 фунт/квадрат дюйм (69 000 кПа) қысымды тудырды. Кейінгі тергеу нәтижесінде 12 000 кг салмақты ыдыс 2,77 метрге секіріп, жоғары басқару таяқшалары реактор ғимаратының төбесіне соқтығысып, бастапқы орнына қайтадан орналасқанға дейін соқтығысқан." Бу локомотиві, мысалы, шамамен 371 °C температурада және 2780 кДж/кг энтальпияда жұмыс істейтін болады. Стандартты қысымдағы қаныққан судың энтальпиясы шамамен 2257 кДж/кг болғандықтан, екі энтальпия арасындағы айырмашылық 523 кДж/кг, жарылыста жұмсалған жалпы энергияны көрсетеді. Сондықтан, үлкен локомотив жағдайында, ол жоғары қысым мен температурада 50 000 кг суды сақтай алса, бұл жарылыс теориялық түрде шамамен 11 тонна TNT-ге тең энергияны босатады.

Many shell type boilers carry a large bath of liquid water which is heated to a higher temperature and pressure (enthalpy) than boiling water would be at atmospheric pressure. During normal operation, the liquid water remains in the bottom of the boiler due to gravity, steam bubbles rise through the liquid water and collect at the top for use until saturation pressure is reached, then the boiling stops. If some pressure is released, boiling begins again, and so on. If steam is released normally, say by opening a throttle valve, the bubbling action of the water remains moderate and relatively dry steam can be drawn from the highest point in the vessel. If steam is released more quickly, the more vigorous boiling action that results can throw a fine spray of droplets up as "wet steam" which can cause damage to piping, engines, turbines and other equipment downstream. If a large crack or other opening in the boiler vessel allows the internal pressure to drop very suddenly, the heat energy remaining in the water will cause even more of the liquid to flash into steam bubbles, which then rapidly displace the remaining liquid. The potential energy of the escaping steam and water are now transformed into work, just as they would have done in an engine; with enough force to peel back the material around the break, severely distorting the shape of the plate which was formerly held in place by stays, or self supported by its original cylindrical shape. The rapid release of steam and water can provide a very potent blast, and cause great damage to surrounding property or personnel. A failure of this type qualifies as a boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE). The rapidly expanding steam bubbles can also perform work by throwing large "slugs" of water inside the boiler in the direction of the opening, and at astonishing velocities. A fast moving mass of water carries a great deal of kinetic energy, and in collision with the shell of the boiler results in a violent destructive effect. This can greatly enlarge the original rupture, or tear the shell in two. Many plumbers, firefighters, and steamfitters are aware of this phenomenon, which is called "water hammer". A several ounce "slug" of water passing through a steam line at high velocity and striking a 90 degree elbow can instantly fracture a fitting that is otherwise capable of handling several times the normal static pressure. It can then be understood that a few hundred, or even a few thousand pounds of water moving at the same velocity inside a boiler shell can easily blow out a tube sheet, collapse a firebox, even toss the entire boiler a surprising distance through reaction as the water exits the boiler, like the recoil of a heavy cannon firing a ball. Several accounts of the SL 1 experimental reactor accident vividly describe the incredibly powerful effect of water hammer on a pressure vessel: "The expansion caused by this heating process caused water hammer as water was accelerated upwards toward the reactor vessel head, producing approximately 10,000 pounds per square inch (69,000 kPa) of pressure on the head of the reactor vessel when water struck the head at 160 feet per second (50 m/s) This extreme form of water hammer propelled control rods, shield plugs, and the entire reactor vessel upward. A later investigation concluded that the 26,000 pound (12,000 kg) vessel had jumped 9 feet 1 inch (2.77 m) and the upper control rod drive mechanisms had struck the ceiling of the reactor building prior to settling back into its original location"

A steam locomotive operating at would have a temperature of about , and a specific enthalpy of Since standard pressure saturated water has a specific enthalpy of just , the difference between the two specific enthalpies, , is the total energy expended in the explosion. So in the case of a large locomotive which can hold as much as of water at a high pressure and temperature state, this explosion would have a theoretical energy release equal to about of TNT.

Өрт сөндіру қорабындағы жарылыстар

Өрт салынған қобдишаның жарылуы көбінесе жанарғыштың өшуінен кейін болады. Мұнай буы, табиғи газ, пропан, көмір немесе кез келген басқа отын жану камерасында жиналуы мүмкін. Бұл, әсіресе, ыдыс қызған кезде маңыздырақ, себебі температураның әсерінен отын тез буланады. Төменгі жарылғыш шекке (LEL) жеткен кезде, кез келген тұтану көзі будың жарылуына себеп болады. Өрт салынған қобдишаның ішіндегі отынның жарылуы қысыммен жұмыс істейтін қазандық құбырлары мен ішкі қабырғасына зақым келтіріп, құрылымдық бұзылуларға, бу немесе судың ағуына және/немесе қосалқы қазандық қабырғасының бұзылуына және будың жарылуына әкелуі мүмкін. Өрт салынған қобдишадағы шағын "жарылыстың" кең таралған түрі "домалақ" деп аталады және ол кез келген отын түрімен болуы мүмкін. Оттың әдеттегі "құбылуының" орнына, решіктен төмен және от есігі арқылы өтетін үнемі қайталамалы "соққылар" мен оттың жарқырауы, отынның жануы дұрыс емес ауа-отын қоспасының және жеткілікті тяга деңгейінің салдарынан жылдам жарылыс сериясі арқылы жүріп жатқанын көрсетеді. Бұл көбінесе локомотивтік қазандықтарға зақым келтірмейді, бірақ егер оған рұқсат берілсе, кірпіш қаланған қазандықтардың орнатылуында жарықтар пайда болуы мүмкін.

Қазық

Ертедегі локомотив қазандықтарының пластиналары қарапайым бір-біріне жабысатын қосылыстармен біріктірілген. Бұл тәсіл қазандықтың айналасын қоршайтын сақина тәрізді қосылыстар үшін жеткілікті болды, бірақ бойлық қосылыстарда, қазандықтың ұзындығы бойында пластиналардың бір-бірінің үстіне жабысуы қазандықтың көлденең қимасын идеалды дөңгелек пішінінен бұрмалап жіберді. Қысым астында қазандық мүмкіндігінше дөңгелек пішінге қол жеткізуге тырысты. Екі қалыңдықпен жабысқан қаптама, айналасындағы металлдан мықтырақ болғандықтан, қазандықтың қысымының өзгеруінен туындаған қайта-қайта иілу мен босатудан қосылыстың бойында ішкі жарықтар немесе ойыстар (терең шұңқырлар) пайда болды. Бұл жарықтар ішкі коррозияның басталуына мүмкіндік берді, ол бұзылуды жеделдетуі мүмкін. Соңында, су деңгейінен төмен орналасқан қосылыстардың болмауы үшін жеткілікті өлшемдегі пластиналарды пайдалану арқылы осы ішкі коррозияны азайтуға болатыны анықталды. Ақырында, қарапайым жабысқан тігіс осы кемшіліктен зардап тартпайтын бір немесе екі қатарлы дәнекерленген тігістермен алмастырылды. Оттық камераның үнемі кеңеюі мен жирылуынан тұрақтардың ұштарында, олар оттық камера пластиналарына кіретін жерде, ұқсас "қимылға байланысты коррозия" пайда болуы мүмкін, және бұл нашар су сапасымен күшейеді. Көбінесе "мойынның тарылуы" деп аталатын коррозияның бұл түрі, тұрақтардың күшін азайта алады, олар қалыпты қысымда оттық камераны ұстауға қабілетсіз болады. Су сызығына жақын жерде, әсіресе ауасы алынбаған немесе оттегіні байытатын заттармен өңделмеген сумен толықтырылатын қазандықтарда, терең, локальды шұңқырлар пайда болады. Судың барлық "табиғи" көздерінде еріген ауа бар, ол су қыздырылғанда газ түрінде бөлінеді. Ауа (ішінде оттегі бар) судың бетіне жақын қабатқа жиналады және осы аймақта қазандықтың пластиналарының коррозиясын күрт жеделдетеді.

Ошақ

Локомотивтің от қорының күрделі пішіні, жұмсақ мыстан немесе болаттан жасалған болса да, ішкі қабырғаларындағы бу қысымына қарсы тұру үшін, олар ішкі тіреулер мен сыртқы қабырғаларға бекітілген тіреулермен нығайтылуы керек. Олардың зақымдануына шаршау (өйткені оттың ыстығынан ішкі және сыртқы қабырғалар әртүрлі жылдамдықпен кеңейеді), коррозия немесе отқа ұшыраған тіреулердің бастарының күюі себеп болуы мүмкін. Егер тіреулер бұзылса, от қоры ішке қарай жарылады. Мұны болдырмау үшін жүйелі түрде ішкі және сыртқы қарап тексеру жүргізіледі. Жақсы күтілген от қоры да, егер қазандықтағы су деңгейі төмендеп, от қорының жоғарғы тақтасын (тақ жапқышын) ашық қалдырса, жарылысқа ұшырайды. Бұл төбеден өтетін кезде болуы мүмкін, себебі су қазандықтың алдыңғы бөлігіне ағып, от қорының тақ жапқышын ашады. Локомотивтердегі жарылыстардың көп бөлігі осындай тақ жапқыштың ашылуынан туындайтын от қорының жарылыстары болып табылады.

Себептерді зерттеудің алғашқы кезеңдері

Машиналарды қуаттандыруға арналған стационарлық бу қозғалтқыштары алғаш рет өнеркәсіптік революция кезінде кеңінен танымал болды, ал бастапқыда әртүрлі себептерден қазандықтардың жарылуы жиі кездесетін. Осы мәселені алғаш зерттегендердің бірі Уильям Фэрберн болды, ол мұндай жарылыстардан болатын шығындарды өтеумен айналысатын алғашқы сақтандыру компаниясын құруға көмектесті. Ол сондай-ақ тәжірибе жүзінде қазандық сияқты цилиндрлі қысым ыдысындағы дөңгелек тәуекелінің бойлық тәуекелден екі есе жоғары екенін анықтады. Мұндай зерттеулер оған және басқаларға қазандықтардың әлсіреуіне себеп болатын кернеу концентрациясының маңыздылығын түсінуге көмектесті. Қазан жарылыстарының ең көп таралған себептері – тозу және дұрыс пайдаланбау болғанымен, қазанның күрт бұзылу механизмі 20 ғасырдың басында АҚШ-тың қазан инспекторлары кең ауқымды тәжірибелер жүргізгенге дейін толыққанды зерттелмеген. Қазанды түрлі тәсілдермен жарытуға бірнеше әрекеттер жасалды, бірақ ең қызықты тәжірибелердің бірі көрсеткендей, белгілі бір жағдайларда қазаннан кенеттен ашылу арқылы будың тез шығуына мүмкіндік берілсе, су соққысы бүкіл қысым ыдысын қиратуы мүмкін: "Цилиндрлі қазан сынақтан өтті және 300 фунт (300 psi немесе 2068 кПа) бу қысымына зақым келмей төтеп берді". "Ағынды клапан кенеттен 235 фунт қысыммен ашылғанда, қазандық қирады, темір бұрылып, бөлшектерге бөлініп, барлық бағытта шашырады. Бұл себебі қазаннан төгілетін құбырға бірден келіп түскен будың қазан ішіндегі қысымды тез төмендеткені болды. Бұл қысымның төмендеуі судың ішінде көп мөлшерде будың пайда болуына әкеп соқты, ал судың ауыр массасы бу шығарылатын тесікке қарай үлкен күшпен лақтырылып, қазанның сол тесікке жақын бөліктеріне соқтығысып, жарық тудырды". Бірақ қазан жарылыстарында су соққысының өте қиратушы механизмі бұрыннан белгілі болған, өйткені Д. К. Кларк 1860 жылдың 10 ақпанында "Механика журналының" редакторларына жазған хатында: "Қазан ішіндегі судың кенеттен таралуы және қазанның шектеу беттеріне қарсы проекциясы – нәтижелердің зорлық-зомбылығының басты себебі: таралу, су массасы бойынша будың сәтке дейін пайда болуынан туындайды, ал ол қашуға тырысқанда, суды алдымен алып жүреді, бу мен судың біріктірілген импульсі оларды шектеу беттері арқылы және арасында оқ сияқты айдайды, және оларды қарапайым қысыммен немесе қарапайым бу импульсімен түсіндіруге болмайтын түрде деформациялайды немесе қиратады". "Суға батқан кемелерде қазан жарылыстары жиі кездеседі, өйткені ыстық қазан суық теңіз суына тиген кезде ыстық металдың кенеттен суынуы оның жарылуына себеп болады; мысалы, U қайығының торпедасымен зардап шеккен кезде, торпедалар мен қазан жарылысы кеменің екі минут ішінде суға батуына себеп болды, Пун Лим 53 экипаждың жалғыз аман қалған адамы болды".

The stationary steam engines used to power machinery first came to prominence during the Industrial Revolution, and in the early days there were many boiler explosions from a variety of causes. One of the first investigators of the problem was William Fairbairn, who helped establish the first insurance company dealing with the losses such explosions could cause. He also established experimentally that the hoop stress in a cylindrical pressure vessel like a boiler was twice the longitudinal stress. Such investigations helped him and others explain the importance of stress concentrations in weakening boilers. While deterioration and mishandling are probably the most common causes of boiler explosions, the actual mechanism of a catastrophic boiler failure was not well documented until extensive experimentation was undertaken by U. S. boiler inspectors in the early 20th century. Several different attempts were made to cause a boiler to explode by various means, but one of the most interesting experiments demonstrated that in certain circumstances, if a sudden opening in the boiler allowed steam to escape too rapidly, water hammer could cause destruction of the entire pressure vessel:

"A cylindrical boiler was tested and withstood a steam pressure of 300 pounds (300 psi or 2,068 kPa) without injury." " When the [discharge] valve was suddenly opened at a pressure of 235 pounds [] the boiler gave way, the iron being twisted and torn into fragments and thrown in all directions. The reason for this was that the sudden rush of steam from the boiler into the discharge pipe reduced the pressure in the boiler very rapidly. This reduction of pressure caused the sudden formation of a great quantity of steam within the water, and the heavy mass of water being thrown with great violence toward the opening whence the steam was being withdrawn, struck the portions of the boiler near that opening and caused the fracture." But the highly destructive mechanism of water hammer in boiler explosions was understood long before then, as D. K. Clark wrote on 10 February 1860, in a letter to the editors of "Mechanics Magazine":"The sudden dispersion and projection of the water in the boiler against the bounding surfaces of the boiler is the great cause of the violence of the results: the dispersion, being caused by the momentary generation of steam throughout the mass of the water, and in its efforts to escape, it carries the water before it, and the combined momentum of the steam and the water carries them like shot through and amongst the bounding surfaces, and deforms or shatters them in a manner not to be accounted for by simple overpressure or by simple momentum of steam. "Boiler explosions are common in sinking ships once the hot boiler touches cold sea water, as the sudden cooling of the hot metal causes it to crack; for instance, when the was torpedoed by a U boat, the torpedoes and resulting boiler explosion caused the ship to go down in two minutes, leaving Poon Lim as the only survivor in a complement of 53 crew.

Локомотивтерде

Қазан жарылыстары (локомотив типіндегі) от түтік қазандықтарында ерекше қауіпті, себебі оттық қуыстың жоғарғы бөлігі (тақ жапырағы) әрдайым белгілі бір мөлшерде сумен жабылуы тиіс; әйтпесе оттың ыстығы тақ жапырағын немесе тақ тіректерін жұмыс қысымында да әлсіретіп, бұзуға жеткізе алады. Осының салдарынан 1995 жылы Пенсильвания штатының Гарднерс қаласының жанында Геттисбург теміржолының оттық қуысы жарылып кеткен. Су деңгейінің төмен болуы тақ жапырағының алдыңғы бөлігінің қызып кетуіне мүмкіндік берді, нәтижесінде тақ тіректері тақ жапырақтан өтіп, қазандықтың толық қысымымен оттық қуысқа көп мөлшерде бу мен суды шығарды. Тақ жапырағының конструкцияциясында бірнеше кезектесіп орналасқан түйме бас тәрізді қауіпсіздік тіректері болды, бұл тақ жапырағының бұзылуын әдеттегі тіректерінің алғашқы бес-алты қатарымен шектеді, соның арқасында бүкіл тақ жапырағының құлауына жол берілмеді. Мұндай ақаулар теміржол локомотивтерімен ғана шектелмейді, себебі локомотив типіндегі қазандықтар сүйреу машиналарында, портативті машиналарында, кен және орман шаруашылығында қолданылатын сырғанақ машиналарында, ара өндірісі және фабрикалар үшін стационарлық машиналарында, жылыту үшін және басқа да процестер үшін бу беретін жинақталған қазандықтар ретінде де пайдаланылады. Барлық жағдайларда қауіпсіз жұмыс істеу үшін су деңгейін дұрыс ұстап тұру өте маңызды. Хьюисон (1983) британдық қазандықтардың жарылыстары туралы толық мәлімет береді, 1815 және 1962 жылдар аралығында болған 137 жағдайды тізімдейді. Оның ішінде 19 ғасырда 122, ал 20 ғасырда 15 жағдай тіркелген. Қазан жарылыстары көбінесе екі санатқа бөлінеді. Біріншісі – қазандықтың корпусының әлсіздігінен/зақымдануынан немесе ішкі қысымның артық болуынан жарылуы, нәтижесінде будың кең аумаққа кенеттен шығарылуы. Еркін күйзелістегі қосылыстардың жарылуы ертедегі қазандықтардың жарылуының жиі кездесетін себебі болды, бұл, әдетте, қоздырғыштардың бүлінуінен туындады. Қазандықтарда қолданылатын су көбінесе қатаң бақыланбайтын, ал қышқыл болса, қазылған темірден жасалған қазандықтың қабырғаларын коррозияға ұшыратуы мүмкін. Мыс пен темірдің жанасуында гальваникалық коррозия қосымша проблема тудыратын. Қазандықтың қабырғалары бір жарым шақырымға дейін ұшып кеткен жағдайлар болды (Хьюсон, Ролт). Екінші түрі – жанама қазандықтың бу қысымынан оттық қуыстың құлауы, нәтижесінде от пен ыстық газдар кабинаға шығады. Жобалауды жақсарту және техникалық қызмет көрсету бірінші түрді толығымен жойды, бірақ егер жүргізуші мен отты жағушы қазандықтағы су деңгейін ұстамаса, екінші түр әрқашан мүмкін. Ішкі қысым тым жоғары болса, қазандықтың корпусы жарылуы мүмкін. Бұған жол бермеу үшін, қысымды белгіленген деңгейде босату үшін қауіпсіздік клапандары орнатылды. Алғашқы үлгілері серіппелі болды, бірақ Джон Рамсботттом бұзылмауға қарсы клапанды ойлап тапты, ол барлық жерде қабылданды. Жарылыстардың тағы бір жиі кездесетін себебі – қазандықтың корпусын әлсіретіп, қалыпты жұмыс қысымына төтеп бере алмайтын ішкі коррозия болды. Әсіресе, су деңгейінен төменгі көлденең тігістерде (жапырақтағы буындарда) ойыстар пайда болуы мүмкін. Осының салдарынан ондаған жарылыс болды, бірақ 1900 жылға қарай соқпақ буындарды пайдалану, техникалық қызмет көрсету кестелерін жақсарту және тұрақты гидравликалық сынақтар арқылы олардың алдын алуға қол жеткізілді. Оттық қуыстар көбінесе мыстан жасалатын, бірақ кейінірек локомотивтерде болаттан жасалған оттық қуыстар қолданылды. Олар қазандықтың сыртқы бөлігіне тіреулер (көптеген кішкентай тіреуіштер) арқылы бекітілді. Оттық қуыстың толық бу қысымына ұшыраған бөліктерінің қызып кетуіне және әлсіреуіне жол бермеу үшін оларды сумен жабу қажет. Оттық қуыстың құлауының ең көп кездесетін себебі – қазандықтағы су деңгейінің тым төмендеп, оттық қуыстың жоғарғы бөлігінің (тақ жапырағының) ашылып, қызып кетуі. Бұл отты жағушы су деңгейін ұстап тұра алмаса немесе деңгей көрсеткіші (өлшеуіш шыны) ақаулы болса болады. Сирек кездесетін себеп – коррозияға немесе жарамсыз материалға байланысты көптеген тіреулердің жұлынуы. XX ғасырда Ұлыбританияда екі қазандықтың корпусы жарылып, он үш оттық қуыс құлады. Қазандықтың корпусының жарылуы 1909 жылы Кардиффте және 1921 жылы Бакстонда болды; екеуі де қауіпсіздік клапандарының дұрыс құрастырылмауынан туындады, бұл қазандықтардың жобалық қысымын асырып жіберді. 13 оттық қуыстың құлауының төртеуінің себебі – жұлынған тіреулер, біреуі – оттық қуыстың қабырғаларында қабыршақ пайда болуы, ал қалғандары – су деңгейінің төмендеуі.

Boiler explosions are of a particular danger in (locomotive type) fire tube boilers because the top of the firebox (crown sheet) must be covered with some amount of water at all times; or the heat of the fire can weaken the crown sheet or crown stays to the point of failure, even at normal working pressure. This was the cause of the Gettysburg Railroad firebox explosion near Gardners, Pennsylvania, in 1995, where low water allowed the front of the crown sheet to overheat until the regular crown stays pulled through the sheet, releasing a great deal of steam and water under full boiler pressure into the firebox. The crown sheet design included several alternating rows of button head safety stays, which limited the failure of the crown sheet to the first five or six rows of conventional stays, preventing a collapse of the entire crown sheet. This type of failure is not limited to railway engines, as locomotive type boilers have been used for traction engines, portable engines, skid engines used for mining or logging, stationary engines for sawmills and factories, for heating, and as package boilers providing steam for other processes. In all applications, maintaining the proper water level is essential for safe operation. Hewison (1983) gives a comprehensive account of British boiler explosions, listing 137 between 1815 and 1962. It is noteworthy that 122 of these were in the 19th century and only 15 in the 20th century. Boiler explosions generally fell into two categories. The first is the breakage of the boiler barrel itself, through weakness/damage or excessive internal pressure, resulting in sudden discharge of steam over a wide area. Stress corrosion cracking at the lap joints was a common cause of early boiler explosions, probably caused by caustic embrittlement. The water used in boilers was not often closely controlled, and if acidic, could corrode the wrought iron boiler plates. Galvanic corrosion was an additional problem where copper and iron were in contact. Boiler plates have been thrown up to a quarter of a mile (Hewison, Rolt). The second type is the collapse of the firebox under steam pressure from the adjoining boiler, releasing flames and hot gases into the cab. Improved design and maintenance almost totally eliminated the first type, but the second type is always possible if the driver and fireman do not maintain the water level in the boiler. Boiler barrels could explode if the internal pressure became too high. To prevent this, safety valves were installed to release the pressure at a set level. Early examples were spring loaded, but John Ramsbottom invented a tamper proof valve which was universally adopted. The other common cause of explosions was internal corrosion which weakened the boiler barrel so that it could not withstand normal operating pressure. In particular, grooves could occur along horizontal seams (lap joints) below water level. Dozens of explosions resulted, but were eliminated by 1900 by the adoption of butt joints, plus improved maintenance schedules and regular hydraulic testing. Fireboxes were generally made of copper, though later locomotives had steel fireboxes. They were held to the outer part of the boiler by stays (numerous small supports). Parts of the firebox in contact with full steam pressure have to be kept covered with water, to stop them overheating and weakening. The usual cause of firebox collapses is that the boiler water level falls too low and the top of the firebox (crown sheet) becomes uncovered and overheats. This occurs if the fireman has failed to maintain water level or the level indicator (gauge glass) is faulty. A less common reason is breakage of large numbers of stays, due to corrosion or unsuitable material. Throughout the 20th century, two boiler barrel failures and thirteen firebox collapses occurred in the UK. The boiler barrel failures occurred at Cardiff in 1909 and Buxton in 1921; both were caused by misassembly of the safety valves causing the boilers to exceed their design pressures. Of the 13 firebox collapses, four were due to broken stays, one to scale buildup on the firebox, and the rest were due to low water level.

Бу кемелеріндегі қазандықтар

"Пенсильвания" 1858 жылдың 13 маусымында Мемфис қаласына жақын "Шип Айленд" кемесіне батып кеткен, қазандығы жарылған кезде. Кемедегі 450 жолаушының 250-ден астамы қаза тапты, соның ішінде жазушы Марк Твеннің інісі Генри Клеменс те болды. 1860-шы жылдардың басында Сан-Педро портына тоқтаған үлкен жағалаулық пароходтарға жолаушылар мен жүк тасыған шағын пароход SS Ada Hancock 1863 жылдың 27 сәуірінде Лос-Анджелес портының Вилмингтон маңындағы Сан-Педро шығанағында қазандығы жарылып, жиырма алты адамды өлтіріп, кемедегі 53-тен астам жолаушының көптегенін жарақаттады. "Султана" пароходы 1865 жылдың 27 сәуірінде жарылыстан қирап, АҚШ тарихындағы ең ірі теңіз апатына ұшырады. Кемедегі төрт қазандықтың үшеуі жарылып, "Султана" өртеніп, Мемфис қаласынан алыс емес жерде суға батқанда, шамамен 1549 жолаушы қаза тапты. Бұл жағдай бір қазандықтың қабығын нашар жөндеуге байланысты болды; жамау дұрыс болмағандықтан, сол қазандықтың сынықтары тағы екеуін жарып жіберді. АҚШ Азамат соғысы кезінде болған тағы бір бу кемесінің жарылысы – 1865 жылдың 27 қаңтарында 9-шы Индиана артиллериясының әскерилерін тасымалдаған Eclipse пароходы. Бір ресми мәлімет бойынша 10 адам қаза тауып, 68 адам жарақат алды; кейінірек 27 адамның қаза тапқаны және 78 адамның жарақат алғаны хабарланды. Фокстың "Полктардың жоғалғандары" есебінде 29 адамның қаза тапқаны айтылған. Канаданың PS Waubuno кемесінің қазандығы 1879 жылы, кеменің соңғы сапарында жарылған болуы мүмкін, бірақ кеменің суға бату себебі әлі белгісіз. Жарылыс салғысыз күтімге немесе дауыл кезінде суға батқанда Джорджия шығанағының суық суымен жанасуға байланысты болуы мүмкін.

Ядролық реакторлардың жарылыстары

Будың жарылысы кез келген су жылытқышта болуы мүмкін, егер жеткілікті мөлшерде энергия берілсе және пайда болған бу ыдыстың беріктігінен асып кетсе. Жылу жеткілікті түрде жылдам берілген жағдайда, локальді қызып кету орын алып, су соққысы ыдысты қиратуы мүмкін. SL1 ядролық реакторындағы апат – қызып кеткен будың күрт шығаруының мысалы. Алайда, SL1 мысалында, басқару таяқшаларының күшпен шығарылуы қысымды төмендетіп, будың сыртқа шығуына мүмкіндік берді. Реактор жарылмады, ал ыдыс жарылмады.

Қазіргі заманғы қазандықтар

Қазіргі қазандықтар қосымша сорғылармен, клапандармен, су деңгейін бақылау құрылғыларымен, отынды автоматты түрде тоқтатумен, автоматты басқару жүйелерімен және қасымды төмендету клапандарымен жабдықталған. Сонымен қатар, құрылысы тиісті органдар белгілеген қатаң инженерлік талаптарға сәйкес келуі керек. NBIC, ASME және басқа да ұйымдар егжей-тегжейлі стандарттарды жариялап, қауіпсіз қазандықтарды жобалауға ұмтылады. Бұл қазандық бөлімшесінің катастрофалық апаттарға келу ықтималдығын азайтады. Қауіпсіздікті арттыратын тағы бір фактор – "жинақталған қазандықтарды" (package boilers) пайдалану. Бұл қазандықтар зауытта жасалып, содан кейін жұмыс орнына толық жиынтық ретінде жіберіледі. Олар әдетте, құбырдан-құбырға орнатылатын қазандықтарға қарағанда сапалырақ және кем мәселелі болады. Жинақталған қазандыққа орнатуды аяқтау үшін тек соңғы қосылымдар (электрлік, түтін шығару, конденсат құбырлары және т.б.) қажет.

Қауіпсіздіктің негізгі дамуы

ЖылОқиға/әрекет түріЕлТақырып1840Генри Р. Уортингтон қазандыққа су құю сорғысын ойлап таптыЖабдықАвтоматты қазандыққа су құю жүйесі, қазандық жұмыс істеп тұрғанда қысымда су қосуға мүмкіндік береді.1847Механика инженерлері институтыТехникалық қоғамIMechE құрылды, бұл арнайы механикалық білімнің, әсіресе бу қуатына қатысты маңыздылығын атап өтеді (сонымен қатар қараңыз Азаматтық инженерлер институты).1855Бу пайдаланушылар қауымдастығыТехникалық қоғамМанчестерде "Бу қазандықтарының жарылуын болдырмау және буды өндіру мен пайдалануда үнемдеу жөніндегі қауымдастық" құрылды, тікелей реттеуден бас тартып, білікті инспекторлар құруды жақтады. Кейіннен қауымдастық атауына "Манчестер Бу Пайдаланушылары" деген қосымша енгізілді.1855Ramsbottom қауіпсіздік клапаныЖан Рамсботтом (инженер) бұзуға төтеп беретін қауіпсіздік клапанын ойлап тапты.1864Бенгал Актісі VI 1864ЗаңКолкатада және оның маңындағы бу қазандықтарын тексеруді қамтамасыз етті.1866Хартфорд Бу қазандықтарын тексеру және сақтандыру компаниясыКоммерциялықАҚШ-тағы алғашқы қазандық сақтандыру компаниясы Коннектикут штатының Хартфорд қаласында құрылды.1866Қоғамға жауап ретінде, сыра зауытындағы жарылысқа байланысты, қазандықтарды тексеру қызметін ұсынатын жеке қоғам құрылды. Бұл қоғам өте табысты болды және кейіннен қазіргі TÜV-ке айналды.1880Америка Механикалық Инженерлер ҚоғамыТехникалық қоғамASME құрылды, бұл қазандық қауіпсіздігін жақсартуға қатысты талаптарға жауап ретінде болды.1882Қазандық жарылыстары Актісі 1882 (45 & 46 Vict. c. 22)ЗаңҚазандық жарылған жағдайда 24 сағат ішінде Сауда кеңесіне хабарлау міндеттілігін белгіледі және тергеуді жүргізуге рұқсат берді.1884ASME қазандықтарды сынау кодексіҚауіпсіздік стандарты"Бу қазандықтарын сынауды жүргізу ережелері" – АҚШ-та қазандықтарды сынауды жүргізу бойынша алғашқы кодекс шығарылды.1887Роберт Генри Турстонның "Теорияда және тәжірибеде бу қазандықтарының жарылысы" кітабыКітап1890Қазандық жарылыстары Актісі 1890Заң1882 жылғы талаптарды теңіз кемелеріне дейін кеңейтті.1911Бірыңғай қазандық ережелері, МассачусетсЗаңМассачусетс штаты АҚШ-та қолданылатын алғашқы штаттық қазандық кодексін қабылдады. Басқа штаттар да осыған ұқсас ережелерді қабылдады (мысалы, Огайо).1915ASME қазандық кодексіҚауіпсіздік стандартыASME қазандық кодексі комитеті "Жоғары қысымды ұстайтын қазандықтар мен ыдыстардың сипаттамалары мен құрылысы бойынша стандарттарды" жариялады.1919Қазандық және қысымды ұстайтын ыдыстарды тексеру жөніндегі Ұлттық кеңесҚауіпсіздік стандарты"Құрылыс, орнату, жөндеу, күтіну және қысымды ұстайтын жабдықтарды тексеру саласындағы біркелкілік арқылы өмір мен мүлікті қорғауға" мақсатымен құрылды.

YearEvent/ActivityTypeCountryDescription1840Henry R. Worthington invents boiler feed water pumpEquipmentAutomatic boiler feed water system enabling adding water to a boiler while at operating pressure.1847Institution of Mechanical EngineersTechnical societyIMechE formed, emphasizing the importance of specialized mechanical knowledge, particularly with respect to steam power (see also Institution of Civil Engineers).1855Steam Users' AssociationTechnical societyIn Manchester, the "Association for the Prevention of Steam Boiler Explosions, and for effecting Economy in the Raising and Use of Steam" is formed and, eschewing direct regulation, advocates creation of trained inspectors. Later adds the prefix "Manchester Steam Users' " to the name.1855Ramsbottom safety valveEquipmentJohn Ramsbottom (engineer) invented a tamperproof safety valve.1864Bengal Act VI of 1864LegislationProvided for the inspection of steam boilers in and around Kolkata.1866The Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance CompanyCommercialThe first boiler insurance company in the U. S. is established in Hartford, Connecticut.1866Gesellschaft zur Überwachung und Versicherung von DampfkesselnTechnical societyIn response to a brewery explosion, a private society is founded to offer boiler inspections to its members. It is highly successful and later becomes the modern TÜV.1880American Society of Mechanical EngineersTechnical societyASME formed, largely in response to calls for improvements in boiler safety1882Boiler Explosions Act 1882 (45 & 46 Vict. c. 22)LegislationRequired notice of a boiler explosion to be sent to the Board of Trade within 24 hours of occurrence and established inquiry authorizations1884ASME Boiler Testing CodeSafety standardThe "Code for the Conduct of Trials of Steam Boilers", the first U. S. code for conducting boiler tests, is issued.1887Robert Henry Thurston's book Steam Boiler Explosions in Theory, and in PracticeBook1890Boiler Explosions Act 1890LegislationExtended 1882 requirements to marine vessels.1911Uniform Boiler Rules, MassachusettsLegislationThe Commonwealth of Massachusetts adopts uniform boiler rules, the first statewide boiler code to apply in the U. S. Equivalent rules are quickly adopted by other states (e. g., Ohio).1915ASME Boiler CodeSafety standardThe ASME Boiler Code Committee issues "Standards for Specifications and Construction of Boilers and Other Containing Vessels in Which High Pressure is Contained".1919The National Board of Boiler and Pressure Vessel InspectorsSafety standardFormed to "promote greater safety to life and property through uniformity in the construction, installation, repair, maintenance, and inspection of pressure equipment."