0 引言
近年来,随着火炸药领域对安全性的迫切需求与重视,钝感炸药成为炸药的热点研究方向[1]。三氨基三硝基苯(TATB)作为一种典型的钝感炸药,因具备低感度、高能量特性,被广泛应用于武器、推进剂及民用爆破等领域[2]。在应用TATB炸药时,一般是指应用TATB基的高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive,PBX),其常利用TATB粉末晶体经水悬浮法造粒,再经压装形成[3]。虽然TATB对于各种外界刺激较为钝感,但在其药柱成型的过程中,造型粉经受传热、挤压、流动、变形、晶体颗粒破碎等一系列复杂作用后,也会导致物质的某些性能发生变化[4]。因此,若TATB的工艺参数等出现偏差,则有可能激发炸药的不稳定性,从而引发燃爆等安全事故。
从统计结果看,炸药压装爆炸事故在炸药生产工艺中高居首位[5]。但关于TATB等钝感炸药的自动化压装成型工艺鲜有系统的风险分析与评估研究。因此,笔者将危险与可操作性分析(hazard and operability study,HAZOP)定性评估方法与偏离度定量方法应用于TATB自动化压装成型工艺,对工艺进行系统的安全风险评估,识别工艺过程中的各种风险,改善工艺的安全生产状况。
在HAZOP与偏离度相结合的安全风险分析研究中,一般是先进行HAZOP分析,然后对HAZOP分析中“偏差”的偏离程度应用偏离度进行定量表达。周帅等[6]较早地将HAZOP与偏离度结合,研究建立了单一参数和多参数的偏离度计算模型,并对铁路运营过程中的技术偏差进行分析,进而开发了HAZOP辅助系统。刘辉等[7]建立了单一参数和节点偏离度计算模型,对某瓦斯隧道出口施工通风阶段进行了偏离度等级划分;邱泽阳等[8]利用HAZOP筛选有效指标,通过AHP计算指标权重,建立了离心压缩机组风险评估指标体系,对某压气站离心式压缩机组的即时运行情况进行评估;孙艺博等[9]采用节点跨越和节点功能偏离等2种引导词确定偏差,运用节点功能、偏离措施偏离度计算模型计算偏离度,对输气站降压排污作业过程进行风险评估。
笔者在对以往的HAZOP-偏离度研究分析总结的基础上,进行改进拓展,建立适用于分析炸药自动化压装工艺的风险评估模型,将其应用于TATB自动化压装成型领域。
1 TATB自动化压装成型工艺概述
本文中所分析的TATB自动化压装成型生产线采用等静压成型工艺,其工艺流程如图1所示。等静压工艺是炸药成型工艺领域的先进技术,原理是利用液体介质不可压缩和均匀传递压力的性质,对高压容器中的试样从各个方向进行均匀加压,从而将药粉压制成具有固定形状的密实炸药元件[10]。该工艺提高了药品的密度及均匀性,改善了药品的力学性能,从而提高武器弹药的毁伤效应和发射安全性[11]。且有研究表明同批 TATB 造型颗粒等静压压制成型样品的力学性能明显优于钢模压制成型样品[12-13]。
图1 TATB压装成型自动化工艺流程图
Fig.1 Automatic process flow chart of TATB pressing
在等静压压装工艺中,炸药受到持续的高压作用,而炸药是一种亚稳态材料,在外界压力作用下可能发生分解、燃烧甚至爆轰,因此压装过程的安全性问题是TATB自动化压装成型工艺的关键问题[10]。
2 压装工艺风险评估模型
2.1 HAZOP方法
HAZOP是1974年英国帝国化学工业公司针对化工装置开发的一种系统风险评估方法,主要被用于分析生产过程中工艺状态参数的变动对系统的影响。其基本过程是从实际工艺节点的状态参数出发,运用引导词分析工艺过程中温度、流量、压力等状态参数的偏差,并分析造成偏差的原因、后果及防止偏差产生的已有措施和建议措施[14-15]。HAZOP分析的主要步骤为:① 划分节点;② 确定偏差;③ 找出原因、后果并确定风险等级;④ 提出建议措施。
2.2 偏离度
偏离度表示实际测量参数值偏离标准参数值的偏差程度[6]。针对TATB自动化压装成型工艺,各偏离度的计算模型如下。
2.2.1 参数偏离度r1
在计算偏离度时,参数包括定性参数和定量参数:
1) 定量参数偏离度r11。
计算模型为
(1)
式(1)中:A为标准参数值;X为实际参数值。
2) 定性参数偏离度r12。
定性参数偏离度由模糊数学隶属度来判定[7],具体步骤如下:
步骤1 确定偏离度等级设置为低(v1)、较低(v2)、中等(v3)、较高(v4)、高(v5)等5级,即建立评价集为:V=(v1,v2,v3,v4,v5),其中参数对应各等级的隶属度由专家评价法确定。
评价集满足:
(2)
步骤2 评价结果等级采用百分制,得分越高偏离度越大,综合得分记为 S。
步骤3 按照最大隶属度原则,评价集具有一定的模糊性,把各等级以百分制分为5个区间,分值越高偏离度等级越大,如表1所示。
表1 偏离度等级分值分布
Table 1 Deviation degree grade score distribution
等级低较低中等较高高得分S0～2021～4041～6061～8081～100
设等级评价集中各等级的参数列矢量为:
综合得分C= (c1,c2,c3,c4,c5 )= (10,30,50,70,90)
(3)
步骤4 最后将综合得分转化为[0,1]范围的定性参数偏离度,公式为:
(4)
2.2.2 对策措施偏离度r2
在压装过程中,压装系统自动化程度较高,具有高效率高精度等优势,但机器具备有限的可靠性、柔性与逻辑推理能力,往往也会发生失误或失效行为[16],导致偏差出现。当偏差出现时,负责监管生产状况的工作人员,由于具有更高柔性和综合判断能力,如能及时采取适当的对策措施,便可有效地控制偏差的偏离程度。因此,单纯依靠参数偏离度并不能完全反映生产工艺的风险水平[9],有必要对对策措施进行偏离度分析。
安全对策措施主要包括安全技术对策措施、安全管理对策措施和事故应急预案[17]。计算各项对策措施的偏离度时,通过综合考量,可采取措施的多样性、措施及时控制偏差的有效度、措施的实施难易程度来确定最终的偏离度。最终形成的对策措施偏离度计算体系如图2所示。
图2 对策措施偏离度计算指标体系
Fig.2 Index system for calculating deviation degree of countermeasures
计算体系中U1～U3指标的权重通过专家评价法与G1法(序关系分析法)确定,G1法[18]是由东北大学郭亚军教授提出的一种AHP法的改进方法,该方法克服了在遇到因素众多、规模较大的问题时容易出现判断矩阵难以满足一致性要求的问题,且计算过程较为简捷,已被应用于诸多相关研究[19-20]。各指标的具体偏离度值参考表2和专家评价意见确定。
表2 控制措施偏离度对应值
Table 2 Corresponding value of deviation degree of countermeasures
偏离度值类别可采取措施的多样性A1措施控制偏差的有效度A2措施实施的难易程度A30～0.3≥2项较大容易0.3～0.61项中等中等0.6～10项较小困难
最终的措施偏离度为各指标偏离度与权重耦合得到的结果,计算模型为
(5)
式(5)中:ui为指标的权重;ai为指标的偏离度。
2.2.3 总偏离度rz
总偏离度rz是将参数偏离度r1和对策措施偏离度r2进行耦合,其计算模型为
(6)
式(6)中: r1为参数偏离度;r2为对策措施偏离度;φ为修正因子,其值根据工艺的危险性进行确定,本文中采用改进的日本六阶段安全评价法中的工艺危险性定量评价方法——十六分法[21]与半定量法确定φ值,即先依据十六分法确定工艺风险等级,再对照表3并结合专家意见确定φ值。
表3 工艺风险等级φ值对应关系
Table 3 Corresponding relation between level of process risk and φvalue
风险程度ⅠⅡⅢ风险分数>1611～151～10风险等级高中等低φ值0.7～10.4～0.70～0.4
在计算总偏离度后,对于总偏离度rz大于1的,认定为偏离度超限,应立即进行安全整改,确保工艺的危险性降低到可接受水平。
3 应用与结果
对TATB压装工艺的HAZOP分析中,根据压装工艺的实际情况,按操作步骤划分节点,将其分为“粉料准备”、“模具准备”、“振动上料”、 “预热”、“真空封口”、“压制”、“退模”、“冷却”等8个节点。
在TATB的自动化压装成型动态过程中,如果任取一个时间节点,对工艺的工作参数进行HAZOP-偏离度分析,则系统节点大部分时间都处于偏离度较小状态,即正常运行状态。为了分析系统各节点出现突发事故时的后果及严重程度,以下定量分析主要针对系统各节点出现偏差时的风险水平,以风险分析的角度去考量节点的偏离度水平。
以“含有杂质”该偏差为例进行偏离度分析计算:V=(0 0.2 0.5 0.3 0),S=0.2×30+0.5×50+0.3×70=52,r1=52/100=0.52,即该偏差的参数偏离度r1为0.52;措施偏离度为:由G1法得U1=0.483,U2=0.302,U3=0.215,由表2得a1=0.2,a2=0.3,a3=0.2,则该偏差的措施偏离度r2为0.23。
按照《联合国关于危险货物运输的建议书》及相关测试结果,TATB属于1.5类“非常不敏感的爆炸物质”,即物质(危险程度最大的物质)得分等级为B级;介质毒性、温度等级皆为D级;压力300 MPa,为A级;操作属于C级中的间歇操作,但开始使用机械等手段进行程序操作,则上述5个项目的总评分为17分,危险程度属于Ⅰ等级,根据表3与专家评价建议,压装工艺的φ值确定为0.7。
综上,该偏差的总偏离度为:rz=r1-r1(1-r2)(1-φ)=0.52-0.52×(1-0.23)×(1-0.7)=0.39,将其余偏差按式(1)—(6)计算得到如表4所示。
表4 TATB压装成型的HAZOP-偏离度分析
Table 4 Analysis results of HAZOP-deviation degreefor the TATB pressing
节点偏差r1原因后果措施r2rz粉料准备1.含有杂质0.52未对TATB造型粉中的杂质进行清理或清理不完全药柱不合格;杂质导致造型粉产生摩擦或受力不均匀,在挤压过程中增加事故发生可能性设有工业CT等检测系统;设有火灾报警系统、消防雨淋系统0.230.39模具准备2.模具装配不到位0.54机械手转运时未将金属罩与软膜对接成功;模具已变形装药后模具不能完全封闭,导致粉料泄漏、压药不成功设有零点定位系统;在模具装配平台设有X射线检测系统检测粉末泄漏情况;装配前对软膜进行人工整形 0.270.42振动上料3.粉料泄漏0.40粉料桶上料时振动频率或下行速度过高导致粉料泄漏;粉料桶损坏;模具未完全封闭洒落在外面的造型粉遇到点火源可能引发燃烧爆炸事故工作人员上料前对设备参数进行确认;设有火灾报警系统、消防雨淋系统;人工定时清理平台及设备防护0.380.33
续表(表4)
节点偏差r1原因后果措施r2rz预热4.规定时间内未达到规定温度0.32预热烘箱升温速率或最高温度设置错误;烘箱密闭性较差;烘箱设备故障预热不完全导致压制的样品不合格,影响产品质量工作人员对设备参数进行确认;设有温度检测系统;定期对烘箱密闭性及加热功能进行防护与检修0.430.27真空封口5.规定时间内真空度未达标0.52压机未完全密闭或密闭性较差;真空度检测设备故障;抽真空设备故障压制时空气或压油进入模具导致压药失败,并且增加燃爆事故发生可能性设有真空度显示仪表及监测装置,超出范围设备锁定并报警;定期对抽真空、压机设备防护与检修0.600.73压制6.压制时压力异常0.60升压速率或最高压力设置错误;增压系统出现故障压力过大容易引起炸药产生裂纹或发生燃爆事故;压力过小导致药柱相对密度不符合工艺要求设有压力实时监测警示仪表;设有紧急卸压阀;定期对增压设备防护与检修0.440.507.压油流量异常0.50通气孔回油装置故障,无法正常运转;通气孔回油装置堵塞回收槽内液压泄漏,遇点火源易引发燃烧爆炸事故设有压油流量监测仪表与报警装置;定期对通气孔回油设备进行清洗与检修0.430.418.软膜与物料间摩擦力过大0.42软膜使用时间过长,坑洼较多,磨损较为严重;软膜未清理干净,缝隙中含有杂质软膜与造型粉摩擦,在挤压过程中增加事故发生可能性设有火灾报警系统、消防雨淋系统;软膜定期更换并在每次压制完成进行充分清洗0.330.34.9.保压异常0.26保压时间设置过短;设备出现故障药柱相对密度均匀性不符合工艺要求,影响药柱品质严格遵守操作规程,确保保压时间达到规定范围,不压缩保压时间;定期对设备防护与维修0.380.21冷却10.冷却温度异常0.28烘箱降温速率、最终稳定温度设置错误;烘箱自动门未完全关闭在后续退膜时由于药柱温度过高,遇撞击或静电火花容易引发燃爆事故工作人员对设备参数进行确认;设有温度检测系统;定期对烘箱密闭性及冷却系统进行防护与检修0.330.22退模11.破真空刀具操作失误0.38破真空刀具切割软模进行褪模时,与药品发生撞击行为药品掉落地面引起泄漏或受到冲击引起燃烧爆炸事故检测压制后软模圆周方向的高点作为渐进式切削入刀点,控制入刀行程,避免发生撞击;设有火灾报警系统、消防雨淋系统0.350.31其他12.抓手在机动轨道上抓取物料异常0.46机械抓手程序设置错误;抓手发生故障带有粉料的模具在输送过程中掉落,发生碰撞造成爆炸事故抓手具备多维度安全冗余保护,与桁架动作流程联锁控制;抓手有监测粉料位置的视觉检测功能0.310.3613.产生静电0.48粉料与设备间摩擦产生静电积累;设备静电接地不良/失效摩擦等原因产生静电火花引起粉料燃烧,导致火灾甚至爆炸所有设备均接地;定期检查接地线端;在粉料接触设备上涂防静电涂层;设火警报警、消防雨淋系统0.280.38
将分析得到的偏离度值绘制成折线图,如图3所示。横坐标表示表4中所列的 13种偏差,各节点偏差按表格顺序编号为1～13,纵坐标表示相应的偏离度值。偏离度越大,风险越高,图3直观地反映了各节点偏差的风险水平。
图3 节点偏离度值分布情况
Fig.3 Distribution of deviation degree of process nodes
由以上分析可知,工艺偏差参数偏离度值大于0.5的偏差有6项,参数偏离度水平整体偏高;措施偏离度水平整体适中;总偏离度水平整体较低,偏离度值大部分在0.4以下。说明在现有控制措施的加持下,大多数偏差都能得到有效控制,使得总偏离度降到可接受范围内,即TATB压装工艺系统的整体偏离度较小,安全程度相对来说较高。
图3曲线中,在编号5处出现极端凸起,表明偏差5“规定时间内真空度未达标”各偏离度水平较高。且该偏差在参数偏离度较高的基础上,由于现有控制措施还不够完善,偏差不能被及时控制,在一定条件的触发下很有可能发展为事故,从而导致措施偏离度与总偏离度较高。对于此类偏差,企业须继续完善安全控制措施,将偏离度水平降到0.4以下。此外,在该工艺各节点中,“压制”节点的偏差种类最多且总体偏离度较高,是整个工艺的事故多发区,应加强安全监控与管理。
4 结论
1) 本文将HAZOP-偏离度法运用于TATB自动化压装成型系统的安全评估研究中,根据压装工艺的实际情况划分了8个节点,确定了13个偏差。对各偏差进行原因、后果、控制措施的HAZOP定性分析及偏差定量化的参数、措施偏离度分析,形成了完整有结构的系统安全评估。
2) 根据压装自动化工艺特征,建立了参数偏离度计算模型与对策措施偏离度计算指标体系,在对策措施偏离度计算指标体系中,权重的确定引入相比AHP法更科学、计算更简捷的G1法。
3) 由于工艺系统物联网化程度较高,工作参数较为直观,利用HAZOP-偏离度方法有助于企业对系统的安全状态进行动态评估跟踪,实时掌握各生产参数的偏离状态,及时发现偏差过大的参数,从而做出相应调整,预防事故发生。
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