故障树分析法在乳化炸药生产中的应用概述*

王 军 王越胜

杭州电子科技大学自动化研究所(浙江杭州，310018)

引言

乳化炸药是一种新崛起的防水型工业炸药，具有抗水、无毒、爆炸性能好等优点，被广泛应用于交通、城建、采矿、石油勘探等国民经济建设的各个行业。随着乳化炸药生产线的各种设备日趋复杂和自动化，影响乳化炸药产品质量的因素越来越多。为了保证乳化炸药生产过程的安全性，进一步提高乳化炸药产品的质量，本文引入了故障树分析法，对该生产流程存在的潜在故障进行定位，以便采取及时有效的措施[1]。

故障树分析法(Fault Tree Analysis, 简称 FTA)，就是把最不希望发生的系统故障作为故障分析的目标，把已经选定的产品故障状态称作顶事件，然后将造成系统故障的原因逐级分解为中间事件，最后找出引起顶事件的底层因素。该方法是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，1974年美国原子能委员会发表了关于核电站危险性评价报告，即“拉姆森报告”，大量、有效地应用了FTA，从而迅速推动了它的发展。

1 乳化炸药产品故障树的建立

1.1 乳化炸药生产线的工艺流程

乳化炸药是由硝酸铵水溶液和复合油相熔化后在高速搅拌设备里进行乳化，形成一种油包水的物质，再在冷却过程中通过化学或物理方式在物料中均匀生成稳定的微小气泡，使物料具有爆轰感度，在雷管的引爆下可发生爆炸的一种民用炸药。其生产过程由原料制备、油水相计量及输送、连续乳化、连续冷却、连续敏化、装药和包装等工序组成。主要工艺流程如图1所示。

图1 乳化炸药生产流程示意图

1.2 乳化炸药产品故障树的建立

(1) 顶事件的选取。顶事件是最不希望发生的故障状态。针对乳化炸药的生产工艺流程，最不希望发生的是“乳化炸药产品不合格”，故将乳化炸药产品质量不合格作为顶端事件T。

(2) 故障树的建立。故障树是一种表示系统故障间因果关系的模型，它以最不希望发生的故障状态作为顶事件，继而找出导致这一故障状态发生的所有中间事件，再进一步查找，直到把不能或不需要分解的基本事件作为底事件为止。在选取“乳化炸药产品质量不合格”作为顶事件之后，根据乳化炸药生产的流程，在生产过程中导致质量不合格的直接原因是乳化工艺失败、冷却工艺失败、敏化工艺失败，然后以这3种工艺失败的原因为顶事件，采用类似的方向深入分析，直到找到代表各种故障事件的底事件为止。比如，乳化工艺失败是由于水相流量超调过大、油相流量超调过大和乳胶基质温度过高造成的，而乳胶基质温度过高又是由于水相温度过高、油相温度过高以及乳化器温度过高引起的。油相温度过高、水相温度过高为底事件，而乳化器温度过高继续作为下一层的顶事件深入分析后再寻找其底事件[2-3]。图2为乳化炸药产品质量故障树示意图，表1为该故障树的事件列表。

图2 乳化炸药产品质量故障树

表1 乳化炸药产品故障树事件

2 故障树的定性分析

定性分析的主要任务是求出导致乳化炸药产品质量不合格的全部最小割集。最小割集是导致顶事件发生的数目最少而又最必要的底事件的组合形式，它能描述系统故障时必须要修理的基本故障[4]，代表了系统某个环节的危险性。最小割集的常见求法有布尔代数化简法、行列法和结构法3种[5]。

采用布尔代数的方法对图2的故障树进行简化可以得到如下结果：

T=A1+A2+A3

(1)

A1=B1+B2+B3=x1+x2+x3+x4+x5+x6+C1

(2)

C1=D1+D2+x11=x7+x8+x9+x10+x11

(3)

所以

A1=x1+x2+…+x11

(4)

A2=x12+x13

(5)

A3=B4B5=(x14+x15)(x16+x17+x18+x19)

=x14x16+x14x17+x14x18+x14x19+x15x16+

x15x17+x15x18+x15x19

(6)

由式(1)～(6)得出：

T=x1+x2+…x13+x14x16+x14x17+x14x18+x14x19+x15x16+x15x17+x15x18+x15x19

(7)

由式(7)可知最小割集有21个，即k1={x1}，k2={x2}，k3={x3}，k4={x4}，k5={x5}，k6={x6}，k7={x7}，k8={x8}，k9={x9}，k10={x10}，k11={x11}，k12={x12}，k13={x13}，k14={x14x16}，k15={x14x17}，k16={x14x18}，k17={x14x19}，k18={x15x16}，k19={x15x17}，k20={x15x18}，k21={x15x19}。

上述的每一个最小割集都代表顶端事件故障发生的一种可能，经过分析可知有21种可能会导致乳化炸药产品质量不合格。

3 故障树的定量分析

为进一步区分这些底事件，还需进行定量分析，即计算顶端事件发生概率和各底事件的重要度——结构重要度和概率重要度。它们分别从不同角度反映了底事件对顶事件的影响程度。

3.1 顶端事件发生概率

假设事件x1,x2,…,xn发生概率分别为p1,p2,…,pn，且p1=p2=…=pn=0.001，则由式(7)可求出顶端事件发生概率为：

≈0.020922

(8)

式中p(T)——顶端事件发生概率。

3.2 结构重要度

结构重要度就是从结构上分析基本事件的重要程度，假设各个基本事件发生概率相同，由于故障树中绝大部分是和事件，结构重要度从最小割集中很容易看出来。判断的基本原则如下：

(1)单事件最小割集结构重要度系数最大。

(2)仅在同一最小割集出现的所有基本事件结构重要度相同。

(3)若两基本事件仅出现在基本事件个数相等的若干个最小割集中，在不同最小割集中出现次数相等的基本事件结构重要度相同，出现次数多的基本事件，其结构重要度大。

根据上述原则，可知x1～x21的结构重要度顺序为：

x1=x2=…=x13>x14=x15>x16=x17=x18=x19

3.3 概率重要度

概率重要度是指底事件对顶事件发生概率的影响程度，用顶事件的发生概率对某个底事件发生概率的偏导数来表示，即：

(9)

式中Ii——底事件xi的概率重要度。

根据式(9)计算各个事件的概率重要度：

I1=I2=…=I13=0.99912

I14=I15=0.004

I16=I17=I18=x19=0.001

基本事件概率重要度的大小决定了顶事件发生概率的大小，为降低顶事件发生的概率，必须降低概率重要度大的基本事件的发生概率。通过对各基本事件在系统中所处的位置及其重要度进行分析，可以快速、准确地对故障定位并及时排除。

3.4 改善措施

为了保证乳化炸药产品的质量，使炸药密度基本上控制在1.10～1.15 g/cm3范围内，在生产过程中可以采取以下措施来减少故障发生的可能性。

(1)为了确保油水相配比的精度(油水相的体积比为1∶8)，采用进口的流量计分别控制油相、水相的流量。同时，为了保证装置的稳定操作和设备运行安全，在油水相贮罐的放料阀门后分别设置了过滤器。

(2)在乳化工段工作时，先将油相原料送入乳化器，待流量稳定后开启乳化器，再送入水相原料，这样在乳化器的高速搅拌下，可以形成一种均匀稳定的油包水型物质。

(3)乳化器是乳化炸药生产中的关键设备，故要对乳化器实施在线实时超温、超压、超电流的自动报警和自动停止。在实际生产中乳化器采用特殊的设计结构和制造工艺，让动叶轮和定叶轮之间间距不小于2.5 mm,这样可以保证它们之间不会发生摩擦或撞击，即可避免物料经高速摩擦分解产生微气泡。

(4)实时检测冷却水进水和出水温度，控制冷却机冷却水量的大小和乳胶基质在冷却管中的冷却速度，使乳胶基质的温度从90～115℃降低到敏化所要求的温度45～60℃。

(5)调节加入的敏化剂和促进剂的量的大小，控制化学敏化时的反应时间。

4 结论

采用故障树分析法对乳化炸药产品质量进行分析，提高了故障排查的效率和可信性。利用故障树的最小割集进行定性分析和定量计算，可以对系统存在的故障进行准确的定位，并采取及时有效的防护措施，从而保证了乳化炸药产品的质量。与其它的分析方法相比，该方法能够准确实时进行故障定位，从而可以提高乳化炸药生产过程的安全性和预防事故的发生。

[1] 乳化炸药生产技术考察组.我国乳化炸药现状与发展建议[G]//中国爆破器材行业协会. 全国乳化炸药生产技术交流研讨会资料汇编.北京：[出版者不详],1999：2-7.

[2] 李学伟,邹慧君.故障树分析法在气体涡轮流量计生产中的应用[J].机械设计与研究,2003,20(2):67-68.

[3] 吕德衍,王越胜.故障树分析法在乳化器爆炸故障诊断中的应用[J].机电工程,2009,26(3):24-27.

[4] 刘娜,高文胜,谈克雄,等.大型变压器故障树的构建及分析[J].中国电力,2003,36(11):33-36.

[5] 孙双，吕建新.基于故障树的变速器故障诊断系统研究[J].车辆与动力技术,2009(2):57-60.