浮法玻璃熔窑运行火灾事故树分析

段树军,陈 超

(1.中建材玻璃新材料研究院集团有限公司,蚌埠 233010; 2.中国建材国际工程集团有限公司蚌埠分公司,蚌埠 233010)

随着我国新材料、高端设备战略新兴产业不断发展,关键核心技术创新应用对材料要素保障能力的要求不断提高,将加速材料产业快速发展。玻璃是国民经济发展中的重要基础材料,在政策支持和技术迭代的作用下,玻璃材料的应用呈现多样化的趋势,主要应用于建筑装饰、汽车制造、光伏新能源、电子显示屏幕以及特种玻璃等领域。当下国内玻璃产能受到新能源光伏、汽车以及电子产品的需求刺激,玻璃产线持续增加,技术领域的革新,使得玻璃生产向大产能、多产线的趋势发展。熔窑作为玻璃产线的核心设备,决定生产玻璃的质量和效率,同时熔窑是重要的热工设备[1],高温环境存在的危险有害因素也带来火灾事故的隐患。针对浮法玻璃熔窑运行中的火灾危险源识别,运用事故树分析的方法对火灾事故进行分析,制定合理的控制措施与建议。

1 浮法玻璃熔窑火灾事故原因分析

1.1 浮法玻璃熔窑的概述

玻璃熔窑是用于熔制玻璃配合料的热工设备,是玻璃生产中的关键设备。玻璃熔窑由钢结构材料与不同种类的耐火砖材料构成,产品工艺不同采用的玻璃熔窑设计也不同。浮法玻璃制造在国内工艺技术成熟、市场占用率大、产能高,对浮法玻璃熔窑进行火灾事故安全分析具有较高的价值。浮法玻璃熔窑的功能区域划分为投料口、熔化部、均化区、卡脖、冷却区、烟道等分区[2]。熔窑正常运行中使用火焰喷枪加热熔融玻璃配合料同时控制炉内温度的变化幅度,保持熔窑内部温度稳定在1 300～1 600 ℃[3]。国内浮法玻璃制造企业使用的燃料是天然气、重油[4]。

1.2 熔窑火灾事故原因分析

浮法玻璃熔窑长期处于高温运行,熔窑内部温度的波动大、投入的玻璃原料中含有杂质多会对炉体耐火材料产生腐蚀和破坏。因此,熔窑在运行一段时间后会进行停炉冷修技术改造来保证玻璃产品的质量和生产效率,而一旦发生炉体耐火材料的破坏,就可能导致熔窑破坏玻璃液泄漏引起火灾事故。国内玻璃厂火灾事故频繁发生。2004年,重庆吉马玻璃制品有限公司由于玻璃熔窑底部泄露,引起大火;2012年,兰州市七里河区兰州黄河精炼玻璃制品包装有限公司一车间内的玻璃熔炉发生泄漏,高达1 500 ℃的玻璃液从熔炉中流出,导致车间燃烧;2014年,泸州金泸玻璃厂玻璃熔窑发生泄漏,引燃周边可燃物体;2019年,江门华沣特种玻璃有限责任公司熔窑玻璃液泄漏。

1.2.1 熔窑的因素

熔窑的施工设计缺陷与炉体损坏造成高温玻璃液泄漏、熔窑穿火以及烟道高温烟气泄漏的情况,可能引发火灾事故。

造成玻璃液泄漏的主要原因有:1)炉龄较长,耐火材料损耗。由于长期高温运行,炉体本身耐火材料就存在损耗。在临近冷修期的熔窑,可能会产生耐火砖腐蚀严重,导致玻璃液泄漏。2)原料杂质多,水分大。制作玻璃的混合原料中杂质和水分的含量过高,会对炉内温度造成较大的波动。温度变化过大,以及杂质中含有Fe、Mg离子过多,对耐火材料使用寿命产生影响。3)熔窑设备故障。熔窑火焰喷枪由中控设备控制运行,如果遇到电力和系统故障导致炉内温度下降过快,不能及时恢复,会对熔窑耐火材料损害过大。4)工作人员操作失误或违章作业。

熔窑穿火表现为炉内火焰穿出熔窑内部,造成周围环境温度升高。造成熔窑穿火的主要原因有:1)耐火砖接缝过大。在熔窑施工建设中需要考虑耐火材料在温度上升过程中,自身含有的水分以及产生的热胀冷缩效应,在砖与砖接缝处留有一定宽度的膨胀缝。对于不同位置设置的膨胀缝宽度不同,如留有过大的膨胀缝可能导致熔窑穿火。2)熔窑工作面有掉角、碎裂。熔窑施工建设中未能发现耐火材料的质量缺陷或者施工操作中碰损。3)炉龄较长,耐火材料损耗破损。

熔窑烟道是气体的通道,将空气注入熔窑并把烟气排出。炉内高温烟气在蓄热室内与空气进行充分热交换后,仍然能达到400～500 ℃。造成烟气泄漏的主要原因有:1)烟道闸板门未正常关闭。烟道调节闸板用于控制烟气与空气的交换,当闸板门异常未关闭会导致烟气的泄漏。而造成的原因有:(1)液压油缸由于日常维护不够,金属腐蚀严重,导致失效。(2)熔窑产生的高温烟气含有大量灰尘,堆积过多造成闸板门关闭异常。(3)电磁转向阀故障。2)高温烟气含有一定酸性杂质,同时温度较高,烟道被腐蚀严重[5]。

1.2.2 电气的因素

熔窑使用热电偶监控窑内温度变化,设置风机用于冷却和助燃,在对设备电力供应上需要大量敷设电缆线,在高温下可能被引燃。同时,过电压和短路会导致电线被击穿,产生电火花。

1.2.3 人员因素

工作人员的安全意识也是引起火灾事故的原因之一。在车间内抽烟、违章动火作业以及违章作业操作失误等都是火灾事故发生的隐患。

1.2.4 可燃物因素

熔窑工段可能存在的可燃物,主要包括玻璃包装材料、天然气、重油、电缆电线、车间内运输车辆等。

2 事故树分析法的概述

安全评价方法按照评价结果的量化程度可以分为定性评价和定量评价。常用的定性评价方法有安全检查表、作业条件危险性评价法以及危险与可操作分析等方法,定量评价方法有危险指数法、定量风险评价方法等。事故树分析法既属于定性评价也属于定量评价方法,在安全评价中较为常用。

事故树分析法是一种逻辑分析的方法,定性或定量地分析事件发生的可能途径与概率,找出避免事故发生的方案与对策。如图1所示,在对目标系统熟悉的前提下,首先要确定分析系统的顶上事件,明确分析的范围,对系统中危险有害因素进行识别,判断该危险薄弱环节是否与事故原因有关,确定基本事件,最后,编制事故树,按照层级逻辑画出事故树,并对其进行定性或定量分析,得出结论,提出安全防护措施与建议。

3 浮法玻璃熔窑火灾事故树分析

3.1 事故树建立

采用事故树方法对玻璃熔窑火灾事故进行分析。首先,以“浮法玻璃熔窑火灾”为顶上事件,×为与门,表示所有输入事件同时发生,输出事件才会发生;+为或门,表示任何一个输入事件发生,则输出事件就会发生。T表示为顶上事件符号,J、M、K表示为中间事件符号,X表示基础事件符号。玻璃熔窑火灾事故树如图2所示,基本事件表如表1所示。

表1 基本事件表

3.2 事故树的定性分析

3.2.1 最小割集与径集的计算

最小割集是导致顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合,最小径集是指顶上事件不发生的最少基本事件的集合,去掉任何一个基本事件,顶上事件就不会发生。列出事故树的结构函数

T=J1×J2=(X1+X2+X3+X4+X5)×(M1+M2+M3+M4+X18+X19)=

(X1+X2+X3+X4+X5)×(X6+X7+X8+X9+X10+X11+X7+K1+X15+

X16+X17+X18+X19)=(X1+X2+X3+X4+X5)×(X6+X7+X8+X9+X10+

X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19)

运用布尔代数法化简求出玻璃熔窑火灾事故树的最小割集数量繁多,共有70个,因此,将事故树转化成为成功树,求得最小径集有2个

P1={X1,X2,X3,X4,X5,X6},P2={X7,X8,X9,X10,X11,X12,X13,X14,X15,X16,X17,X18,X19}

3.2.2 结构重要度分析

结构重要度分析是从事故树的结构上分析基本事件的重要度,采用最小割集或径集的近似计算各项基本事件的结构重要度公式,求解公式为

式中,IΦ(i)为第i个基本事件的结构重要度系数;k为最小割集或径集数量;m为包含第i个基本事件的最小割(径)集数目,nj为第i个基本事件所属的第j个最小割(径)集中基本事件总数。

经计算得出,各项基本事件的结构重要度为

IΦ(7)=IΦ(8)=IΦ(9)=IΦ(10)=IΦ(11)=IΦ(12)=IΦ(13)=IΦ(14)=

计算结果可以得出,基本事件X1～X6结构重要度最大,其次为X7～X19。

4 浮法玻璃熔窑火灾事故风险防控

浮法玻璃熔窑工段由于长年高温运行,炉内玻璃液温度高,现场火灾事故的危险源较多,结合玻璃熔窑火灾事故树基本事件提出相应的风险防控措施。

对浮法玻璃熔窑工段存在的可燃物质进行采取相应的控制措施,相对于点火源的控制也更加容易,其结构重要度系数也较大。

1)天然气与重油管道布置在熔窑内部,为火焰喷枪提供燃料。为防止管道出现燃料泄漏,可以在天然气与重油燃料的设备管道上安装泄漏检测报警与紧急切断装置。一旦出现仪器仪表报警,要及时追踪,找出故障原因,及时消除故障,同时要加强日常安全检查,对管道的运行监测数据情况进行记录。

2)对窑炉使用的热电偶、风机设备电源线缆与配电柜要做好日常检查维护,检查是否存在温度过高电缆外皮熔化,调整与高温设备的安全距离。同时,对配电设备进行监测,防止出现短路、过电压导致的引燃。

3)场内窑炉工段要保证干净清洁,及时清理可燃的包装材料。经过的场内车辆要慢行,防止碰撞窑炉结构。

由于窑炉工段属于高温区域,对现场的点火源尤其是明火要严格控制防范。

(1)中控室工作人员要及时关注窑炉炉温的异常变化。当操作步骤一切正常,但炉内温度异常时,要佩戴好防护设施去熔窑工段进行现场排查,一旦发现有漏料情况,应当立即通报,启动应急程序,保证人员安全疏散,做好应急防护工作,联合相关部门对现场漏料进行处理。

(2)工作人员应当对熔窑工段进行每日安全巡查,发现炉体结构有损坏,要判断影响程度,及时对炉体进行防护修理。当熔窑达到使用年限或熔窑内部耐火材料腐蚀、破损较大,应当对熔窑实施停炉冷修,制定冷修计划,保证生产安全。

(3)观察烟道内部压力变化。一旦出现压力异常变化,要检查烟道闸板开合是否正常,烟道外部的耐火砖是否有破损,颜色是否变化。

(4)工作人员的安全行为。要全面推进全员安全生产责任制的落地,建立安全生产标准化体系,落实安全生产监督管理条例。进场人员必须完成三级安全教育,并通过考核后才能上岗。工作人员必须严格遵守岗位安全操作规程的要求操作。现场管理人员要落实日常工作监督检查的职责,一旦发现违规作业要及时纠正并按照安全生产奖惩措施予以惩罚批评。

(5)提升应急处置能力。严格按照相关法律法规制定本单位应急管理方案,并定期举行安全应急管理演练,加强工作人员的应急处置能力,要保证应急救援的资金保障力度,配置应急物资,并做好定期维护检查。