用事故树分析乳化器燃烧爆炸事故及安全对策

王 起,邹见宾

(陕西红旗民爆集团股份有限公司,陕西 宝鸡721013)

0 引言

乳化炸药自20世纪70年代诞生以来,以其高密度、高爆速、抗水性能好、起爆感度好等优点,在世界范围内得到了广泛发展[1-2]。乳化器是制造乳化炸药的核心设备,在乳化炸药生产中起着关键作用。按照WJ 9063—2010《民用爆破器材专用生产设备安全使用年限管理规定》,乳化器属于0类民爆专用设备,易发生重大燃烧、爆炸事故。近年来,我国乳化炸药生产企业重大安全事故时有发生。2004年2月22日,河北易县某公司因乳化器爆炸引发乳化炸药生产线爆炸；2013年3月11日,云南某炸药厂由于精乳器发生爆炸,精乳器和钢带冷却机完全炸毁。由此可见,确保乳化器及制药系统安全可靠运行是保证乳化炸药生产系统安全的关键。笔者结合工业炸药生产企业多年的具体情况,结合行业事故案例,用事故树分析方法对乳化器运行过程中的燃烧爆炸风险进行分析,提出切实可行的安全技术和安全管理对策。

1 事故树分析

事故树分析(fault tree analysis,FTA)又称故障树分析法,是系统安全工程中重要的分析方法之一。此方法不仅可以分析事故的直接原因,而且能找到事故发生的潜在原因,既适用于定性分析,又能进行定量分析,具有简明、形象化的特点,体现了系统工程研究安全问题的系统性、准确性和预测性,因此,广泛应用在众多领域的系统安全分析之中[3-4]。FTA是一种演绎的安全系统分析方法,可将系统可能发生的某种事故与导致事故发生的各种原因之间的逻辑联系用一种树形图表示出来,事故因果关系直观、明了,思路清晰,逻辑性强。

事故树分析法首先要熟悉系统,根据事故确定顶上事件,从要分析的特定事故或故障(顶上事件)开始,层层分析其发生原因,直到找出事故的基本原因(底事件)为止。这些底事件又称为基本事件,它们的数据已知或已有统计或实验分析结果。

1.1 乳化炸药生产工艺流程简介

乳化炸药生产时,首先进行水相制备和油相制备。制备好的油相和水相计量后进入乳化器腔体,通过乳化器转子的高速旋转,对油、水相混合物进行高速剪切,形成油包水的乳化基质,然后经冷却、敏化形成乳化炸药。乳化炸药生产工艺流程[5]如图1所示。

图1 乳化炸药生产工艺流程

1.2 乳化器燃烧或爆炸事故树编制

要对乳化器燃烧爆炸进行事故树分析,必须熟悉乳化炸药生产过程、生产工艺参数、安全技术操作规程及安全联锁保护系统等要求。通过对行业发生的典型事故的研究分析,结合在生产实践中对多条乳化炸药生产线安全管理的总结,确定以“乳化器燃烧爆炸”作为顶上事件,“人员违规操作”“乳化器故障”“生产系统设计缺陷”等为中间事件,逐级向下演绎,进行事故树分析。“乳化器燃烧爆炸”事故树如图2所示。

图2 “乳化器燃烧爆炸”事故树

在图2的事故树结构图中,各符号代表的事件如下:

顶上事件:T为乳化器燃烧或爆炸事故。

中间事件:A1为人员违章操作；A2为乳化器故障；A3为生产系统设计缺陷；B1为运行过程故障；B2为乳化器缺陷；C1为乳化器空转(断料运转)；C2为腔体介质超压；C3为腔体和介质超温；C4为乳化器振动；D1为水相断流；D2为油相断流。

基本事件:X1为未按规程启停设备；X2为在制药区域或设备上焊割作业；X3为水相流量低于设定值；X4为水相流量计检测失效；X5为油相流量低于设定值；X6为油相流量计检测失效；X7为出料口不畅或堵塞；X8为压力检测失效；X9为乳胶体温度升高；X10为冷却水断流；X11为超温检测失效；X12为腔体混入机械杂质；X13为转动轴承故障；X14为振动检测失效；X15为专用乳化器选型不当；X16为乳化器设计缺陷；X17为未按行业规定更换而超过安全使用年限；X18为日常维护检修不到位；X19为防雷接地系统设计安装缺陷；X20为消防系统设计安装缺陷；X21为生产工艺缺陷；X22为生产配方缺陷。

1.3 乳化器燃烧或爆炸事故树分析

事故树编制完成后,可利用结构函数求事故树的最小割集。最小割集是指能使顶上事件发生的最低限度的基本事件的组合,反映了系统的危险性。最小割集越多,系统越危险,每一个最小割集代表了顶上事件发生的一个渠道[6-8]。

乳化器燃烧或爆炸事故树最小割集计算:

T=A1+A2+A3=(X1+X2)+(B1+B2)+A3=X1+X2+(C1+C2+C3+C4)+(X15+X16+X17+X18)+X19+X20+X21+X22=X1+X2+[(D1+D2)+X7X8+X9X10X11+(X12+X13)X14]+(X15+X16+X17+X18)+X19+X20+X21+X22=X1+X2+[X3X4+X5X6+X7X8+X9X10X11+(X12+X13)X14]+(X15+X16+X17+X18)+X19+X20+X21+X22=X1+X2+X3X4+X5X6+X7X8+X9X10X11+X12X14+X13X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22

经化简事故树函数,最小割集有以下16个:

K1={X1},K2={X2},K3={X3,X4},K4={X5,X6},K5={X7,X8},K6={X9,X10,X11},K7={X12,X14},K8={X13,X14},K9={X15},K10={X16},K11={X17},K12={X18},K13={X19},K14={X20},K15={X21},K16={X22}。

该事故树中有22个基本事件,这些基本事件对顶上事件发生会产生多大程度的影响,如果用数值来表示,就称为重要度。不考虑基本事件自身的发生概率,仅从结构上分析各个基本事件对顶上事件的影响程度,则称为结构重要度。结构重要度用公式(1)表示:

根据单事件最小割集中的基本事件结构重要度大于所有高阶最小割集中基本事件的结构重要系数及仅在同一最小割集中出现的所有基本事件,结构重要系数相等的原则判定,或通过以上结构重要度公式计算,各基本事件的结构重要度如下:

IΦ(1)=IΦ(2)=IΦ(15)=IΦ(16)=IΦ(17)=IΦ(18)=IΦ(19)=IΦ(20)=IΦ(21)=IΦ(22)＞IΦ(3)=IΦ(4)=IΦ(5)=IΦ(6)=IΦ(7)=IΦ(8)=IΦ(13)=IΦ(14)≥IΦ(9)=IΦ(10)=IΦ(11)

通过对“乳化器燃烧爆炸事故”的事故树分析,计算化简结构函数,得出16组最小割集。由此可见,导致乳化器发生燃烧或爆炸事故的途径有16条之多,反映出乳化炸药生产系统安全风险较高,发生事故的风险较大。该事故树共有22个基本事件,X1、X2、X15、X16、X17、X18、X19、X20、X21、X2210个基本事件的结构重要度最大,可直接导致顶上事故的发生。其他事件也易导致事故的发生,不容忽视。

2 乳化器燃烧或爆炸安全对策措施

目前的乳化炸药生产线经过多年多次的技术改造升级,安全风险得到了有效控制。通过以上分析和民爆炸药生产企业多年的生产安全管理实践,从以下几个方面采取安全措施,可有效控制事故隐患,降低安全风险,保障安全生产。

2.1 防止人员违章操作方面的安全对策措施

由图2可知,未按规程启停设备(X1)和在制药区域或设备上焊割作业(X2)均可直接导致顶上事件发生,均属人员操作方面的基本事件。目前,乳化炸药生产线已基本实现自动化,生产现场人员较少,几乎很少操作设备,设备的操作主要集中于生产线中央控制室,通常称炸药生产线总控室。总控室操作人员负责生产线运行的启停操作和生产过程中各项工艺参数的观察调控,总控室人员对整条生产线的安全运行自然起到了关键作用。同时生产线的维修人员对安全运行也同样起着重要作用。对这两个关键岗位的上岗人员必须严格要求,制定相应的规程。

总控室操作人员的上岗规定:

1)具备机电一体化或自动控制等专业的中专或大专以上学历,或具备从事炸药生产线监控室操作工作5年以上工作经验。

2)上岗前须经生产公司安全生产部组织、生产车间配合进行理论和实践专题培训,考核合格后填写上岗申请,生产公司负责人签字批准后方可办理上岗手续。上岗申请表和培训资料一并在安全生产部存档,长期保存。

3)上岗后应在经验丰富的老师傅带领下,实习至少两个月后,方可独立上岗。教育双方必须履行签字手续。

4)每年由生产公司安全生产部门组织对上岗人员进行一次专题培训。设备、操作工艺发生变化时随时培训。

生产线维修人员的上岗规定:

1)应具备机电一体化或自动控制等专业的相关知识和经验。

2)每年由生产公司安全生产部门组织对上岗人员进行不少于2次专题培训。设备、操作工艺发生变化时随时培训。

在制药区域或设备上焊割作业均可直接导致火灾爆炸事故发生,必须严禁在生产线、工房动火作业,严禁在生产设备设施上焊接、切割作业,严格执行动火审批制度。这条规定通常写入单位的安全管理禁令,是炸药生产线安全管理的一条红线。

2.2 防止乳化器缺陷方面的安全对策措施

专用乳化器选型不当(X15)、乳化器设计缺陷(X16)、未按行业规定更换而超过安全使用年限(X17)、日常维护检修不到位(X18)这4个基本事件的结构重要度大,均可导致顶上事件的发生。因此,采取的安全对策如下:

1)乳化器是炸药生产线安全关键核心设备,属专用设备,通常随生产线建设时由技术转让方整体引进,但必须符合民爆行业对专用设备的管理要求。按照《工业和信息化部办公厅关于调整〈民用爆炸物品专用生产设备目录〉管理方式的通知(工信厅安全〔2016〕10号)》规定,新研制的专用生产设备,必须通过科技成果鉴定和安全评价；进口的原装专用生产设备,要通过安全评估。因此,生产企业在引进技术和设备选型时,务必遵守行业规定。

2)有设计缺陷的设备严禁在生产线上使用。民爆行业经过多年发展和技术的升级改造,加之行业的严格监管和技术标准更新,目前,企业严把设备选型关就可有效解决设计缺陷的问题。

3)炸药生产线上的专用设备有规定的安全使用年限,乳化器属0类民爆专用设备,安全使用年限为5年。为确保在年限内的安全运行和到期更换,从乳化器(含基质输送泵)整机更换、维护保养和关键零配件强制报废方面总结出了一系列安全技术管理对策。

乳化器(含基质输送泵)整机更换规定:

①按照《民用爆炸物品生产专用设备安全使用年限管理规定》规定的安全使用年限按时更换。

②在强制报废年限的最后1年,应提前6个月将更换方案和更换请示报行业监管部门批复或备案后实施。

③更换完成,试运行正常,经安全验收评价通过后正常生产。

关键零配件强制报废规定:

①乳化器(含基质输送泵)所有配件必须采购技术转让方或技术转让方指定厂家生产的配件,并经技术转让方鉴定合格。

②车间领用时必须领用符合第一条要求的合格配件；更换时必须依照《设备维护使用说明书》和设备图纸的要求进行更换。

③车间和公司安全生产部均应建立《乳化器(含基质输送泵)零配件强制报废台账》并长期保存。台账应记录更换备件名称、更换时间、维修人员及车间领导的签字等。

④更换工作应在设备维修记录和控制室记录上有所记载。

⑤各分、子公司应根据每条生产线技术提供方的要求和生产运行技术状态制定《乳化器(含基质输送泵)关键零配件强制报废明细表》,由技术负责人和设备主管领导批准后执行,并报集团安全生产部备案。

乳化器(含基质输送泵)维护保养对策措施:

①正常维护保养应每月不少于1次。

②若较长时间停运时,应在停机后或开产前适时维护保养。

③在距强制报废年限最后的1～2年,应加大设备检查、维护保养频率,确保设备运行稳定。

2.3 防止生产系统设计缺陷方面的安全对策措施

防雷接地系统设计安装缺陷(X19)、消防系统设计安装缺陷(X20)、生产工艺缺陷(X21)、生产配方缺陷(X22)也是结构重要度大的基本事件,均可导致顶上事件的发生,安全对策如下。

炸药生产线(工房)的防雷系统、导静电接地系统和消防系统在项目建设阶段应设计安装完成,通过相关行业测试合格,单项和总体安全验收通过后,生产线方可带料试车运行。设计应严格执行规范要求,一般要求必须有民爆行业甲级资质的设计单位设计。在日常生产运行过程中,防雷导静电系统应每年由具有检测资质的单位监测2次,前半年应在雷雨季节到来之前检测,后半年建议在10月气候干燥季节来临前进行。在此基础上,企业可每月自行检测1次,确保接地系统电阻达标、有效。消防系统在行业检查的基础上,企业应每月至少检查1次,包括消防管网系统、消防自控系统、消防水池、灭火器等消防器材,应确保随时处于有效待命状态。特别对消防自动控制系统,包括足量不被动用的消防水措施、火焰探测器、成组作用阀、传动管网等每月试验1次,确保随时能够启动。

近年来,炸药生产企业所采用的生产工艺(含产品技术配方)都是通过国家科学技术成果鉴定,取得了鉴定证书,技术方面是比较成熟的。企业要严格执行生产工艺规程,不得擅自改变产品配方、配比。

2.4 防止乳化器运行过程故障的安全对策措施

乳化制药系统属乳化炸药生产的关键工序,乳化器运行过程中发生故障是导致事故的重要原因,运行过程中一般会出现乳化器空转干摩或超载、乳化器腔体介质超压、乳化器超温、乳化器振动等4个方面的故障。该类故障在运行过程中主要靠仪表仪器检视探测,信号传输于自控系统与乳化器进行安全联锁,切断事故链接,防止事故发生。通过多年技术升级,乳化器安全联锁保护系统已相当可靠。为确保安全联锁系统的可靠运行,使各项安全联锁保护装置随时处于有效待命状态,做好安全联锁系统的定期验证工作尤为重要。经过多年的生产实践,总结出以下针对性和操作性较强的对策措施。

1)安全联锁保护装置定期试验对策措施:

①乳化制药系统所属安全联锁保护装置,以技术提供方的设计安装为准,不得随意修改。

②各种安全联锁保护装置的技术参数,以技术提供方设定的数据为准,不得随意变动。

③安全保护联锁装置必须定期试验,正常生产时每周试验1次；由于放假停产等因素非正常生产时,必须在开车生产时试验1次。

④安全联锁保护装置试验时,必须有车间领导、安全员、控制室操作人员和维修人员共同参加,参加人员均应签字。

⑤安全联锁保护装置应责任到人,有专人定期维护保养,做好记录。

⑥安全联锁保护装置中所使用的计量器具,必须按期校检,确保测试参数的正确性。

⑦每次试验必须填写《乳化制药系统安全联锁保护装置定期试验记录》,并在电脑上保留试验痕迹,记录的时间(精确至时、分)、内容、技术参数一致。

2)乳化器过水试验的规定:

①乳化器是乳化炸药生产的关键设备,为确保其安全运行,每次开机生产前,必须进行过水试验,以观察乳化器运行情况。

②乳化器连续2次开机失败后,必须查明原因、排除故障后方可再次开机。

③严禁频繁开机、强行开机。

④每次对乳化器拆装、更换零部件后,必须进行过水试验。维修工作结束后,必须确认乳化器处于正常工作的待命状态时方可以水代料进行开机试验。

⑤试验时,应有维修人员、工序操作人员及车间领导在场监护。

⑥过水试验时间不得低于10 min。

⑦过水试验是在产能一定的情况下,查看乳化器的运行状态是否正常。主要观察乳化器电机电流和乳化器的轴温等参数变化。

⑧试验中,细心观察乳化器运行状态(如声音、振动等参数),如遇异常现象立即采取停机措施。

⑨每次停机后,必须对乳化器及各管道进行冲洗,冲洗水温不得低于90℃,直至残液中目测无乳化基质。

⑩认真填写《乳化器过水试验记录》,维修人员、工序操作人员及车间领导须在记录上签字。

3)应急管理对策:

①乳化炸药制药系统“紧急停机”按钮应与安全联锁系统同时试验,确保随时处于有效状态。

②编制岗位操作要点及应急方案,张贴于醒目位置。每班班前会应强调该内容,并适时演练,使操作员工耳熟能详,熟练掌握。

③乳化机旁应设安全警示牌,内容包括:严禁开机检修、设备周围严禁存放危险品、无关人员不得靠近等。

④工序的安全消防设施应配足、配齐,确保有效。

3 结论

通过对乳化器燃烧或爆炸采取事故树分析,可以辨明事故发生的途径和各基本事件的结构重要度。分别从防止人员违章操作、防止乳化器缺陷、防止生产系统设计缺陷、防止乳化器运行过程故障4个方面采取多项安全对策措施,可有效防范乳化器燃烧爆炸事故的发生,保障乳化炸药生产线的安全运行。

4 结语

目前,乳化炸药在我国工业炸药的占比越来越高,乳化炸药生产线在各炸药生产企业应用比较普遍,乳化器的安全运行是企业安全生产管理的核心问题。但各生产厂家所使用的技术工艺设备不尽相同,加之近年来静态乳化工艺的出现和运用,造成乳化炸药生产系统差别较大,各企业应结合实际对乳化器的安全技术管理对策措施持续改进,不断提高安全管理水平。