第1章 有機熱載體介質及其運動粘度

1.1 研究背景

有機熱載體爐的介質運動粘度檢測是影響有機熱載體爐安全的關鍵技術之一：是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》（簡稱《規劃綱要》）重點領域公共安全及其優先主題重大生產事故預警與救援提高早期發現與防范能力中的重點內容；同時也是《規劃綱要》中開展適應特種設備安全檢測監測需要的現代檢測監測技術研究的重點內容。

本書研究項目依托于國家質檢公益項目（201510067-03）“便攜式爐管泄漏檢測技術和方法的開發應用”和質檢總局科技計劃類項目（2015QK145）“有機熱載體運動粘度檢測裝置及其檢測方法研究”。其背景來源于湖南省兩臺有機熱載體爐事故。事故1：2009年6月10日長沙望城菱格木業有機熱載體爐管子積炭泄漏事故，其泄漏盤管如圖1-1所示（見湘特鑒[2009]第5號事故鑒定報告[1]）；事故2：郴州有機熱載體爐事故，其事故積炭管如圖1-2所示。

圖1-1 望城菱格木業有機熱載體爐泄漏盤管

圖1-2 郴州有機熱載體爐事故積炭管

近幾年來，隨著我國經濟的發展，有機熱載體爐的使用越來越廣泛，數量也越來越多。據調查[2]，全國生產有機熱載體（鍋）爐的制造廠近百家，其中3/4以上均為液相爐，而液相爐事故較多，因此我們重點分析它。有機熱載體爐的主要危險是火災，若有機熱載體一旦從有機熱載體爐供熱系統中泄漏，由于其溫度很高，又接觸火焰或接近火焰，就會被點燃或自燃，造成火災。另外，有機熱載體爐也會因有機熱載體帶水等原因而發生噴油事故。

根據《質檢總局關于2012年全國特種設備安全狀況的情況通報》[3]可知，2012年全國特種設備安全狀況如下：截至2012年底，特種設備總臺數達821.67萬臺，比2011年[4]上升12.7%；其中：鍋爐63.53萬臺，壓力容器271.82萬臺，氣瓶13880.84萬只，壓力管道85.13萬km，起重機械190.94萬臺，電梯245.33萬臺，場（廠）內專用機動車輛48.29萬輛，大型游樂設施1.67萬臺（套），客運索道845條。各種特種設備數量分類比例如圖1-3所示。

圖1-3 2012年特種設備數量分類比例

2012年全國特種設備事故共計228例，死亡人數292人，受傷人數354人，與2011年相比[3，4]，事故總例數減少47例，下降17.1%；死亡人數減少8人，下降2.7%；受傷人數增加22人，上升6.6%。2012年228例事故中，29例壓力鍋爐事故，26例壓力容器事故，8例壓力管道事故，26例氣瓶事故，76例起重機械事故，42例電梯事故，17例場（廠）內專用機動車輛事故，2例大型游樂設施事故，2例客運索道事故。2012年萬臺設備死亡率為0.517，比2011年下降13.11%，如圖1-4所示。實現了國務院安委會下達的萬臺特種設備事故死亡率低于0.56的工作目標，事故總體呈穩中有降態勢。

近5年鍋爐使用安全狀況如圖1-5所示，2012年鍋爐事故為28例，比上一年下降3.57%，鍋爐事故整體也呈穩中有降態勢。

圖1-4 2008～2012年萬臺設備事故死亡人數趨勢

圖1-5 2008～2012年鍋爐事故例數趨勢

但是對比圖1-4和圖1-5可知，鍋爐事故死亡下降比例只有特種設備事故死亡下降比例的27.24%，這說明鍋爐事故下降不明顯。分析鍋爐事故的主要特征是：中小鍋爐爆炸或有機熱載體爐泄漏著火等比例一直居高不下。結合文獻[1]中的近年來國內有機熱載體爐事故案例匯總表可知：有機熱載體爐事故小則數萬元經濟損失，大則1～3人死亡，1～15人重傷。所以對有機熱載體爐火災事故原因的分析研究十分迫切。

由2012年統計數據[3]進一步分析事故原因可知：228起特種設備事故中，按事故發生的階段分類發現：事故發生在使用階段的179起，占78.5%；安裝和拆除階段的12起，占5.3%；維修和檢驗階段的19起，占8.3%；充裝和運輸階段的14起，占6.1%；其他階段4起，占1.8%。由此可見，有機熱載體爐在使用階段，也就是運行時發生事故的現象較多。

統計數據[3]顯示：違規操作、違章運行是事故發生的主要原因。從技術層面上來看，特種設備事故集中度最高的原因為：鍋爐事故是司爐工違章操作運行或操作不當及設備本體的缺陷和安全附件失效等引起的。其中，9起為小鍋爐事故（主要為有機熱載體爐積炭泄漏火災事故），5起為安全附件或保護裝置失靈事故。

近幾年來，人們發現有機熱載體爐運行一段時間后，爐管內會因運動粘度過小而影響其管壁換熱效率，導致受熱面超溫過熱，嚴重時爆管形成火災。統計數據及研究表明：有機熱載體爐熱效率降低是因為管壁有機熱載體運動粘度過大，有機熱載體爐發生火災的根本原因也是如此[5，6]，有機熱載體爐運動粘度檢測成為特種設備檢驗檢測機構必須認真考慮并解決的問題。因此，作為特種設備檢驗檢測機構，積極開發有機熱載體爐監控有機熱載體品質的指標之一如運動粘度的檢測設備和技術，是一個很值得研究的課題。

美國20世紀50年代開始采用礦物型有機熱載體，70年代加入添加劑使性能得到提高。我國于70年代開始研制和生產。目前，國內外生產廠家較多，品種繁多。

隨著有機熱載體的廣泛使用，有機熱載體爐也應運而生，通過圖1-4分析可知：以有機熱載體爐為首的中小鍋爐事故一直高發不斷。通過詳細查閱國內近十年有機熱載體爐火災事故相關技術項目，火災原因及預防措施匯總可知，有機熱載體爐事故原因主要有直接原因和間接原因兩種。

由于間接原因導致有機熱載體超溫變質或管內流速降低等從而形成運動粘度過大最終導致爆管泄漏引發火災事故。

有機熱載體爐火災事故的原因通常不止一個，一般有多個，既有結構設計、有機熱載體質量、循環泵匹配性、焊接質量等技術上的原因，又有未進行有機熱載體化驗、未按升溫曲線操作或不懂操作知識等管理上的原因，最終導致形成運動粘度過大；而運動粘度過大如果不能及時檢測出來，往往會導致火災事故的發生。因此如何檢測運動粘度，是火災預防的關鍵之一。

有機熱載體與常規鍋爐內水工質在化學物理性質方面存在巨大的差距，有機熱載體受熱條件下的變化更為復雜，至今尚缺乏針對有機熱載體失效過程的詳細研究。雖然通過引入雷諾數，綜合了粘度、管徑、流速三個因素對工質過程進行了更進一步分析，但兩者實際上都是對工質側平均狀況的分析。通過研發有機熱載體運動粘度檢測方法，對有機熱載體爐定期檢驗中對運動粘度及流速的控制等相關標準的制定、安全監管和使用維護，提供理論基礎和數據支撐。