第1章 有机热载体介质及其运动粘度

1.1 研究背景

有机热载体炉的介质运动粘度检测是影响有机热载体炉安全的关键技术之一：是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》（简称《规划纲要》）重点领域公共安全及其优先主题重大生产事故预警与救援提高早期发现与防范能力中的重点内容；同时也是《规划纲要》中开展适应特种设备安全检测监测需要的现代检测监测技术研究的重点内容。

本书研究项目依托于国家质检公益项目（201510067-03）“便携式炉管泄漏检测技术和方法的开发应用”和质检总局科技计划类项目（2015QK145）“有机热载体运动粘度检测装置及其检测方法研究”。其背景来源于湖南省两台有机热载体炉事故。事故1：2009年6月10日长沙望城菱格木业有机热载体炉管子积炭泄漏事故，其泄漏盘管如图1-1所示（见湘特鉴[2009]第5号事故鉴定报告[1]）；事故2：郴州有机热载体炉事故，其事故积炭管如图1-2所示。

图1-1 望城菱格木业有机热载体炉泄漏盘管

图1-2 郴州有机热载体炉事故积炭管

近几年来，随着我国经济的发展，有机热载体炉的使用越来越广泛，数量也越来越多。据调查[2]，全国生产有机热载体（锅）炉的制造厂近百家，其中3/4以上均为液相炉，而液相炉事故较多，因此我们重点分析它。有机热载体炉的主要危险是火灾，若有机热载体一旦从有机热载体炉供热系统中泄漏，由于其温度很高，又接触火焰或接近火焰，就会被点燃或自燃，造成火灾。另外，有机热载体炉也会因有机热载体带水等原因而发生喷油事故。

根据《质检总局关于2012年全国特种设备安全状况的情况通报》[3]可知，2012年全国特种设备安全状况如下：截至2012年底，特种设备总台数达821.67万台，比2011年[4]上升12.7%；其中：锅炉63.53万台，压力容器271.82万台，气瓶13880.84万只，压力管道85.13万km，起重机械190.94万台，电梯245.33万台，场（厂）内专用机动车辆48.29万辆，大型游乐设施1.67万台（套），客运索道845条。各种特种设备数量分类比例如图1-3所示。

图1-3 2012年特种设备数量分类比例

2012年全国特种设备事故共计228例，死亡人数292人，受伤人数354人，与2011年相比[3，4]，事故总例数减少47例，下降17.1%；死亡人数减少8人，下降2.7%；受伤人数增加22人，上升6.6%。2012年228例事故中，29例压力锅炉事故，26例压力容器事故，8例压力管道事故，26例气瓶事故，76例起重机械事故，42例电梯事故，17例场（厂）内专用机动车辆事故，2例大型游乐设施事故，2例客运索道事故。2012年万台设备死亡率为0.517，比2011年下降13.11%，如图1-4所示。实现了国务院安委会下达的万台特种设备事故死亡率低于0.56的工作目标，事故总体呈稳中有降态势。

近5年锅炉使用安全状况如图1-5所示，2012年锅炉事故为28例，比上一年下降3.57%，锅炉事故整体也呈稳中有降态势。

图1-4 2008～2012年万台设备事故死亡人数趋势

图1-5 2008～2012年锅炉事故例数趋势

但是对比图1-4和图1-5可知，锅炉事故死亡下降比例只有特种设备事故死亡下降比例的27.24%，这说明锅炉事故下降不明显。分析锅炉事故的主要特征是：中小锅炉爆炸或有机热载体炉泄漏着火等比例一直居高不下。结合文献[1]中的近年来国内有机热载体炉事故案例汇总表可知：有机热载体炉事故小则数万元经济损失，大则1～3人死亡，1～15人重伤。所以对有机热载体炉火灾事故原因的分析研究十分迫切。

由2012年统计数据[3]进一步分析事故原因可知：228起特种设备事故中，按事故发生的阶段分类发现：事故发生在使用阶段的179起，占78.5%；安装和拆除阶段的12起，占5.3%；维修和检验阶段的19起，占8.3%；充装和运输阶段的14起，占6.1%；其他阶段4起，占1.8%。由此可见，有机热载体炉在使用阶段，也就是运行时发生事故的现象较多。

统计数据[3]显示：违规操作、违章运行是事故发生的主要原因。从技术层面上来看，特种设备事故集中度最高的原因为：锅炉事故是司炉工违章操作运行或操作不当及设备本体的缺陷和安全附件失效等引起的。其中，9起为小锅炉事故（主要为有机热载体炉积炭泄漏火灾事故），5起为安全附件或保护装置失灵事故。

近几年来，人们发现有机热载体炉运行一段时间后，炉管内会因运动粘度过小而影响其管壁换热效率，导致受热面超温过热，严重时爆管形成火灾。统计数据及研究表明：有机热载体炉热效率降低是因为管壁有机热载体运动粘度过大，有机热载体炉发生火灾的根本原因也是如此[5，6]，有机热载体炉运动粘度检测成为特种设备检验检测机构必须认真考虑并解决的问题。因此，作为特种设备检验检测机构，积极开发有机热载体炉监控有机热载体品质的指标之一如运动粘度的检测设备和技术，是一个很值得研究的课题。

美国20世纪50年代开始采用矿物型有机热载体，70年代加入添加剂使性能得到提高。我国于70年代开始研制和生产。目前，国内外生产厂家较多，品种繁多。

随着有机热载体的广泛使用，有机热载体炉也应运而生，通过图1-4分析可知：以有机热载体炉为首的中小锅炉事故一直高发不断。通过详细查阅国内近十年有机热载体炉火灾事故相关技术项目，火灾原因及预防措施汇总可知，有机热载体炉事故原因主要有直接原因和间接原因两种。

由于间接原因导致有机热载体超温变质或管内流速降低等从而形成运动粘度过大最终导致爆管泄漏引发火灾事故。

有机热载体炉火灾事故的原因通常不止一个，一般有多个，既有结构设计、有机热载体质量、循环泵匹配性、焊接质量等技术上的原因，又有未进行有机热载体化验、未按升温曲线操作或不懂操作知识等管理上的原因，最终导致形成运动粘度过大；而运动粘度过大如果不能及时检测出来，往往会导致火灾事故的发生。因此如何检测运动粘度，是火灾预防的关键之一。

有机热载体与常规锅炉内水工质在化学物理性质方面存在巨大的差距，有机热载体受热条件下的变化更为复杂，至今尚缺乏针对有机热载体失效过程的详细研究。虽然通过引入雷诺数，综合了粘度、管径、流速三个因素对工质过程进行了更进一步分析，但两者实际上都是对工质侧平均状况的分析。通过研发有机热载体运动粘度检测方法，对有机热载体炉定期检验中对运动粘度及流速的控制等相关标准的制定、安全监管和使用维护，提供理论基础和数据支撑。