ボイラー爆発

ボイラー爆発はボイラーの壊滅的な故障です。

ボイラー爆発には 2 つのタイプがあります。1 つは、蒸気側と水側の圧力部品の故障です。安全弁の故障、ボイラーの重要な部品の腐食、水位の低下など、さまざまな原因が考えられます。初期のボイラー爆発の一般的な原因は、重ね継ぎ目のエッジに沿った腐食でした。蒸気機関車のボイラーでは、初期には試行錯誤によって知識が得られていたため、爆発の状況と爆発による結果としての損傷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 世紀末までにボイラー爆発の件数は大幅に減少しました。20 世紀にもさらなる改善が続きました。陸上のボイラーでは、ビクトリア朝時代の定置式蒸気ボイラーでは圧力システムの爆発が定期的に発生していましたが、さまざまな保護対策が講じられたこと、および政府と業界の要件によって定期検査が義務付けられたことにより、現在では非常にまれになっています。

2 つ目の種類は、炉内での燃料/空気の爆発で、より正確には火室爆発と呼ばれます。固形燃料燃焼ボイラーの火室爆発はまれですが、ガス燃焼ボイラーや石油燃焼ボイラーの火室爆発は依然として潜在的な危険です。

多くのシェル型ボイラーは、大気圧で沸騰する水よりも高い温度と圧力 (エンタルピー) に加熱された液体の水の大きな浴槽を備えています。通常の動作中、液体の水は重力によりボイラーの底に留まり、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上部に集まり、その後沸騰が止まります。圧力がいくらか解放されると、沸騰が再び始まります。

スロットルバルブを開くなどして蒸気を通常通りに放出すると、水の泡立ちは中程度に保たれ、容器の最も高い位置から比較的乾燥した蒸気を引き出すことができます。

蒸気がより速く放出されると、結果として生じるより激しい沸騰作用によって、微細な水滴の噴霧が「湿り蒸気」として噴き上がり、下流の配管、エンジン、タービン、その他の機器に損傷を与える可能性があります。

ボイラー容器に大きな亀裂やその他の開口部ができて内部圧力が急激に低下すると、水中に残っている熱エネルギーによってさらに多くの液体が蒸気泡に変わり、残りの液体を急速に押しのけます。漏れた蒸気と水の位置エネルギーは、エンジンの場合と同じように仕事に変換されます。亀裂の周囲の材料を剥がすのに十分な力があり、以前はステーで固定されていた、または元の円筒形で自立していたプレートの形状がひどく変形します。蒸気と水の急速な放出は非常に強力な爆発を引き起こし、周囲の資産や人員に多大な損害を与える可能性があります。このタイプの故障は、沸騰液体膨張蒸気爆発（BLEVE）に該当します。^[3]

急速に膨張する蒸気の泡は、ボイラー内部の大きな「塊」を開口部の方向に、しかも驚異的な速度で投げ飛ばすという働きも果たす。高速で移動する水の塊は大きな運動エネルギーを運び、ボイラーの殻に衝突すると激しい破壊効果をもたらす。これにより、元の破裂部が大きく拡大したり、殻が2つに裂けたりする可能性がある。^[4]

多くの配管工、消防士、蒸気配管工は、この現象を知っています。この現象は「ウォーター ハンマー」と呼ばれています。数オンスの「スラグ」の水が高速で蒸気ラインを通過し、90 度のエルボに衝突すると、通常の静圧の数倍に耐えられる継手が瞬時に破損する可能性があります。したがって、ボイラー シェル内で同じ速度で移動する数百ポンド、または数千ポンドの水は、簡単にチューブ シートを吹き飛ばし、火室を崩壊させ、さらには水がボイラーから出るときに、重い大砲が弾丸を発射したときの反動のように、ボイラー全体を驚くほどの距離投げ飛ばす可能性があることがわかります。

SL-1 実験炉事故に関するいくつかの報告では、圧力容器に対する水撃の信じられないほど強力な影響が鮮明に描写されています。

この加熱プロセスによる膨張により、水が原子炉容器頭部に向かって上向きに加速され、水が毎秒160フィート（50 m/s）で頭部に衝突したときに原子炉容器頭部に約1平方インチあたり10,000ポンド（69,000 kPa）の圧力が発生したため、ウォーターハンマーが発生しました...この極端な形態のウォーターハンマーにより、制御棒、シールドプラグ、および原子炉容器全体が上方に押し上げられました。その後の調査では、26,000ポンド（12,000 kg）の容器が9フィート1インチ（2.77 m）跳ね上がり、上部の制御棒駆動機構が元の位置に戻る前に原子炉建屋の天井に衝突したと結論付けられました。^[5]

350 psi (2,400 kPa) で作動する蒸気機関車の温度は約 220 °C (400 °F)、比エンタルピーは 960 kJ/kg (440 kJ/lb) です。^[6]標準圧の飽和水の比エンタルピーはわずか 420 kJ/kg (190 kJ/lb) なので、^[7] 2 つの比エンタルピーの差 540 kJ/kg (240 kJ/lb) が爆発で消費される総エネルギーです。そのため、高圧高温状態で最大 10,000 kg (22,000 lb) の水を保持できる大型機関車の場合、この爆発では理論上、約 1,200 キログラム (2,600 lb) のTNT 火薬に相当するエネルギーが放出されます。

火室爆発の場合、これは通常、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される可能性があります。これは容器が高温のときに特に問題になります。燃料は温度により急速に揮発します。爆発下限(LEL) に達すると、あらゆる発火源が蒸気の爆発を引き起こします。

火室内で燃料が爆発すると、加圧されたボイラー管や内部シェルが損傷し、構造上の破損、蒸気や水の漏れ、および/または二次的なボイラーシェルの破損や蒸気爆発を引き起こす可能性があります。

火室の小さな「爆発」の一般的な形態は「ドラミング」と呼ばれ、どのタイプの燃料でも発生する可能性があります。通常の「轟音」の代わりに、火格子の下や火口扉を通して、一連のリズミカルな「ドスン」という音と火の閃光が聞こえます。これは、利用可能なドラフトのレベルに対して不適切な空気/燃料混合が原因で、燃料の燃焼が一連の急速な爆発によって進行していることを示します。これは通常、機関車型ボイラーでは損傷を引き起こしませんが、そのまま放置すると石造りボイラーの設置部分にひび割れが生じる可能性があります。

初期の機関車ボイラーのプレートは、単純な重ね合わせジョイントで接合されていました。この方法は、ボイラーの周囲を走る環状ジョイントには適していましたが、ボイラーの長さに沿った縦方向ジョイントでは、プレートの重なりにより、ボイラーの断面が理想的な円形から外れていました。圧力がかかると、ボイラーは円形の断面にできるだけ近づこうと緊張しました。二重の厚さの重ね合わせは周囲の金属よりも強度があったため、ボイラー圧力の変動によって引き起こされる繰り返しの曲げと解放により、ジョイントの長さに沿って内部の亀裂、または溝 (深い穴) が発生しました。この亀裂は内部腐食の起点となり、故障を早める可能性がありました。^[8]最終的に、十分な大きさのプレートを使用してジョイントが水面より下にならないようにすることで、この内部腐食を軽減できることが分かりました。^{[9] [10]}最終的に、単純な重ね合わせシームは、この欠陥の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。

火室の絶え間ない膨張と収縮により、同様の「応力腐食」が、火室プレートに入るステーボルトの端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」と呼ばれることが多い^[11]このタイプの腐食により、ステーボルトの強度が低下し、通常の圧力で火室を支えられなくなる可能性があります。

溝（深い、局所的な穴）は水面近くでも発生します。特に、脱気処理や酸素除去剤処理をしていない水が供給されるボイラーでは顕著です。すべての「天然」水源には溶解した空気が含まれており、水が加熱されるとガス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、その部分のボイラープレートの腐食を大幅に促進します。^[12]

機関車の火室の複雑な形状は、軟銅製であれ鋼製であれ、内壁の蒸気圧に耐えられるのは、内壁が内桁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限られます。ステーは疲労（内壁と外壁は火の熱で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燃え尽きることによる消耗によって破損する傾向があります。ステーが破損すると、火室は内側に爆発します。これを防ぐために、内部と外部の定期的な目視検査が行われます。^{[9] [13]}ボイラー内の水位が下がり、火室の上部プレート（クラウンシート）が覆われなくなると、メンテナンスが行き届いた火室でも爆発的に破損します。^[14]これは、丘の頂上を越えるときに発生する可能性があり、水がボイラーの前部に流れ込み、火室のクラウンシートが露出することがあります。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爆発である。^[15]

ボイラー爆発の原因は数多くあります。たとえば、水処理の不備によるスケールの付着やプレートの過熱、水位の低下、安全弁の詰まり、さらには炉の爆発などです。炉の爆発は、重度の場合はボイラー爆発の原因となります。オペレーターの訓練不足によるボイラーの不注意やその他の誤った取り扱いは、産業革命の初め以来、頻繁に起こる爆発の原因となっています。19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、米国、英国、ヨーロッパのさまざまな情報源の検査記録によると、ボイラー爆発の最も一般的な原因は、単純な錆によるボイラーの弱化であり、他のすべての原因の 2 倍から 5 倍に上りました。

材料科学、検査基準、品質管理が急速に成長するボイラー製造業界に追いつくまでは、多数のボイラー爆発が、設計や仕上がりの悪さ、品質の悪い材料の欠陥の未検出に直接起因していました。米国では材料や設計の欠陥によるボイラー故障が驚くほど多く発生しており、ASME などの国際技術標準化団体の注目を集めていました。ASME は1884年に初のボイラー試験規格を制定しました。1905 年 3 月 10 日にマサチューセッツ州ブロックトンで発生したグローバー靴工場のボイラー爆発事故では58 人が死亡、150 人が負傷し、マサチューセッツ州は 1908 年に初のボイラー法を制定しました。

ボイラー爆発の原因については、いくつかの文献で簡潔に説明されています。

爆発の主な原因、実際は唯一の原因は、ボイラーの外殻やその他の部品の強度不足、過圧、過熱です。蒸気ボイラーの強度不足は、元々の欠陥、職人の技量の悪さ、使用による劣化、管理ミスなどが原因である可能性があります。^[16]

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、受ける圧力に耐えられないほど弱くなることによって起こります。これは、2つの原因のいずれかによる可能性があります。ボイラーが適切な作動圧力を安全に維持できるほど十分に強くないか、安全弁が固まって圧力が通常の点を超えて上昇したか、または同様の原因です。^[17]

機械を動かすために使われた定置式蒸気機関は、産業革命の時代に初めて脚光を浴びましたが、初期にはさまざまな原因でボイラーの爆発が多発しました。この問題を最初に研究した人の 1 人はウィリアム・フェアバーンで、彼は爆発による損害を扱う最初の保険会社の設立に貢献しました。彼はまた、ボイラーのような円筒形の圧力容器の周方向の応力が縦方向の応力の2 倍であることを実験的に証明しました。^{[注 1]このような研究は、彼や他の研究者が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。

ボイラー爆発の最も一般的な原因はおそらく劣化と取り扱いミスですが、壊滅的なボイラー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が広範囲にわたる実験を行うまで十分に文書化されていませんでした。さまざまな方法でボイラーを爆発させようとする試みがいくつか行われましたが、最も興味深い実験の 1 つは、特定の状況下でボイラーが突然開いて蒸気が急速に逃げると、ウォーター ハンマーによって圧力容器全体が破壊される可能性があることを実証しました。

円筒形のボイラーがテストされ、300 ポンド (300 psi または 2,068 kPa) の蒸気圧に耐え、損傷はなかった。... [排出] バルブが 235 ポンド (235 psi または 1,620 kPa) の圧力で突然開かれたとき、ボイラーは壊れ、鉄はねじれて破片に引き裂かれ、あらゆる方向に飛び散った。その理由は、ボイラーから排出パイプに蒸気が突然流れ込んだため、ボイラー内の圧力が急激に低下したためである。この圧力低下により、水中に大量の蒸気が突然発生し、蒸気が排出される開口部に向かって激しい勢いで投げ出された大量の水が、その開口部付近のボイラーの各部に衝突して破損を引き起こした。^[18]

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、それよりずっと前から理解されていました。DKクラークは1860年2月10日にメカニクス・マガジンの編集者に宛てた手紙の中でこう書いています。

ボイラー内の水がボイラーの境界面に突然拡散し、飛び散ることが、その結果の激しさの大きな原因です。拡散は、水塊全体に瞬間的に蒸気が発生したことによって引き起こされ、蒸気は逃げようとして水を運び、蒸気と水の複合運動量がそれらを弾丸のように境界面の間を通り抜け、単純な過圧や単純な蒸気の運動量では説明できない方法で境界面を変形または粉砕します。^[19]

沈没船では、熱いボイラーが冷たい海水に触れるとボイラー爆発がよく起こる。熱い金属が急激に冷えて割れるからだ。例えば、SS ベンロモンド号がUボートの魚雷攻撃を受けたとき、魚雷とそれに伴うボイラー爆発で船は2分で沈没し、 53人の乗組員のうちプーン・リムだけが生き残った。^{[20] [21] [ユーザー生成ソース? ]}

ボイラー爆発は、（機関車タイプの）火管ボイラーでは特に危険です。これは、火室の上部（クラウンシート）を常に一定量の水で覆う必要があるためです。そうしないと、通常の作動圧力であっても、火の熱によってクラウンシートまたはクラウンステーが破損する恐れがあります。

^{これが1995年にペンシルバニア州ガードナーズ近郊で起きたゲティスバーグ鉄道の火室爆発[22]}の原因であり、水位が低いためにクラウンシートの前面が過熱し、通常のクラウンステーがシートを突き抜けて大量の蒸気と水がボイラー全圧下で火室に放出された。クラウンシートの設計には、ボタンヘッドの安全ステーが交互に並ぶ数列が含まれており、これによ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列に限定され、クラウンシート全体の崩壊を防いだ。

このタイプの故障は鉄道エンジンに限定されるものではなく、機関車型ボイラーは牽引エンジン、ポータブルエンジン、採掘や伐採に使用されるスキッドエンジン、製材所や工場の固定エンジン、暖房用、および他のプロセスに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ます。すべての用途において、適切な水位を維持することは安全な操作に不可欠です。

ヒューイソン（1983）^[23]は、1815年から1962年の間に起きた137件のイギリスのボイラー爆発について包括的に記述している。注目すべきは、このうち122件が19世紀に発生し、20世紀にはわずか15件しか発生していないことである。

ボイラー爆発は、一般的に 2 つの種類に分けられます。1 つ目は、ボイラー本体が脆弱/損傷または内部圧力が高すぎるために破損し、広範囲に蒸気が突然噴出するものです。初期のボイラー爆発の一般的な原因は、重ね継ぎ目の応力腐食割れで、おそらく苛性脆化が原因でした。ボイラーで使用される水は厳密に管理されることが少なく、酸性の場合は錬鉄製のボイラープレートを腐食させる可能性があります。銅と鉄が接触すると、ガルバニック腐食という別の問題もありました。ボイラープレートは 4 分の 1 マイルも飛ばされたことがあります (Hewison、Rolt)。2 つ目のタイプは、隣接するボイラーからの蒸気圧で火室が崩壊し、炎と高温のガスが運転室内に放出されるものです。設計と保守の改善により、最初のタイプはほぼ完全に排除されましたが、運転手と火夫がボイラー内の水位を維持しないと、2 番目のタイプが常に発生する可能性があります。

ボイラーのバレルは、内部圧力が高くなりすぎると爆発する恐れがありました。これを防ぐために、圧力を一定レベルで解放する安全弁が取り付けられました。初期の例ではバネ式でしたが、ジョン・ラムズボトムが不正開封防止弁を発明し、これが広く採用されました。爆発のもう 1 つの一般的な原因は、内部腐食で、ボイラーのバレルが弱くなり、通常の動作圧力に耐えられなくなることでした。特に、水面下の水平継ぎ目 (重ね継ぎ目) に沿って溝ができる可能性がありました。爆発が何十件も発生しましたが、突合せ継ぎ目の採用、メンテナンス スケジュールの改善、定期的な水圧テストによって 1900 年までに発生しなくなりました。

火室は一般に銅で作られていたが、後の機関車には鋼鉄製の火室が備えられていた。火室はステー（多数の小さな支え）によってボイラーの外側に固定されていた。火室のうち蒸気圧が最大となる部分は、過熱して弱くなるのを防ぐために水で覆っておく必要がある。火室が崩壊する一般的な原因は、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、過熱することである。これは、火夫が水位を維持できなかった場合、または水位計（ゲージガラス）が故障した場合に発生する。あまり一般的ではない原因としては、腐食や不適切な材料によって多数のステーが破損することが挙げられる。

20 世紀を通じて、英国では 2 件のボイラーバレル破損と 13 件の火室崩壊が発生しました。ボイラーバレル破損は 1909 年にカーディフで、1921 年にバクストンで発生しました。どちらも安全弁の組み立てミスによりボイラーが設計圧力を超えたことが原因でした。13 件の火室崩壊のうち、4 件はステーの破損、1 件は火室のスケール堆積、残りは水位低下が原因でした。

ペンシルバニア号は、ミシシッピ川でボイラーが爆発し、 1858年6月13日にテネシー州メンフィス近郊のシップアイランドで沈没した外輪船である。乗船していた450人の乗客のうち、作家マーク・トウェインの弟ヘンリー・クレメンスを含む250人以上が死亡した。

1860年代初頭、サンペドロ港に停泊していた大型沿岸蒸気船との間で乗客や貨物を輸送するために使用されていた小型蒸気船、SS エイダ・ハンコック号は、1863年4月27日、カリフォルニア州ウィルミントン近郊のロサンゼルス港サンペドロ湾でボイラーが激しく爆発し、乗船していた53名以上の乗客のうち26名が死亡、多数が負傷する大惨事に見舞われた。

蒸気船サルタナ号は1865 年 4 月 27 日の爆発で沈没し、米国史上最大の海難事故となりました。船の 4 つのボイラーのうち 3 つが爆発し、サルタナ号はテネシー州メンフィスからそう遠くないところで炎上して沈没し、推定 1,549 人の乗客が死亡しました。原因は、1 つのボイラーの外殻の修理が不十分だったことによるもので、補修が失敗し、そのボイラーの破片がさらに 2 つを破裂させました。

南北戦争で起きたもう一つの蒸気船爆発は、 1865年1月27日に起きた第9インディアナ砲兵隊を乗せた蒸気船エクリプス号の爆発である。公式記録の1つには10人が死亡、68人が負傷したとある。 ^[24]その後の報告書では27人が死亡、78人が負傷したとされている。^[25]フォックスの連隊損失では29人が死亡したと報告されている。^{[26] [27]}

カナダのPSワウブノ号のボイラーは1879年の最後の航海で爆発した可能性があるが、沈没の原因は不明である。爆発は不注意な保守、または嵐で沈没中にジョージアン湾の冷たい水に触れたことで発生した可能性がある。 ^[28]

蒸気爆発は、十分な量のエネルギーが供給され、発生した蒸気が容器の強度を超えると、あらゆる種類の温水器で発生する可能性があります。熱の供給が十分に急速な場合、局所的な過熱が発生し、ウォーターハンマーによって容器が破壊される可能性があります。SL -1原子炉事故は、過熱蒸気爆発の例です。ただし、SL-1 の例では、制御棒が強制的に排出されて圧力が解放され、蒸気が放出されました。原子炉は爆発せず、容器も破裂しませんでした。

現代のボイラーは、ポンプ、バルブ、水位モニター、燃料遮断装置、自動制御、圧力逃し弁が冗長設計されています。さらに、構造は関係当局が定めた厳格なエンジニアリング ガイドラインに準拠する必要があります。NBIC 、 ASMEなどの団体は、詳細な基準を公開して安全なボイラー設計の確保に努めて​​います。その結果、壊滅的な事故が起きにくいボイラー ユニットが誕生しました。

また、安全性の向上には、「パッケージ ボイラー」の使用の増加も関係しています。これは、工場で製造され、完成したユニットとして現場​​に出荷されるボイラーです。通常、これらは現場でチューブごとに組み立てられるボイラーよりも品質が高く、問題も少なくなります。パッケージ ボイラーは、設置を完了するために、最終的な接続 (電気、ブリーチング、凝縮ラインなど) を行うだけで済みます。

• ヒューズプラグ
• ジョン・ヒック
• 鉄道事故一覧

• ヒューイソン、クリスチャン H. (1983)。機関車ボイラー爆発。デイビッドとチャールズ。ISBN 0-7153-8305-1。
• ロルト、LTC (2009) [1956]。レッド・フォー・デンジャー。ボドリー・ヘッド/デイヴィッド・アンド・チャールズ/パン・ブックス。ISBN 9780752451060。
• マキューエン、アラン（2009）。歴史的な蒸気ボイラー爆発。スレッジハンマーエンジニアリングプレス。ISBN 978-0-9532725-2-5。

• Bartrip, PWJ「英国における国家と蒸気ボイラー」。国際社会史レビュー25、1980 年、77-105 ページ。19 世紀英国における固定式ボイラーに関する政府の介入と利益団体の役割。
• Winship, IR「1850～1900 年における英国における機関車ボイラー爆発の減少」。Transactions – Newcomen Society 60、1988～1989、73～94 ページ。爆発の発生率を減少させた技術的要因およびその他の要因。

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