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        故障樹(shù)分析法在乳化炸藥生產(chǎn)中的應(yīng)用概述*

        2010-09-27 00:49:36王越勝
        爆破器材 2010年3期
        關(guān)鍵詞:油相水相炸藥

        王 軍 王越勝

        杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化研究所(浙江杭州,310018)

        引言

        乳化炸藥是一種新崛起的防水型工業(yè)炸藥,具有抗水、無(wú)毒、爆炸性能好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于交通、城建、采礦、石油勘探等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)行業(yè)。隨著乳化炸藥生產(chǎn)線的各種設(shè)備日趨復(fù)雜和自動(dòng)化,影響乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量的因素越來(lái)越多。為了保證乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程的安全性,進(jìn)一步提高乳化炸藥產(chǎn)品的質(zhì)量,本文引入了故障樹(shù)分析法,對(duì)該生產(chǎn)流程存在的潛在故障進(jìn)行定位,以便采取及時(shí)有效的措施[1]。

        故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis, 簡(jiǎn)稱(chēng) FTA),就是把最不希望發(fā)生的系統(tǒng)故障作為故障分析的目標(biāo),把已經(jīng)選定的產(chǎn)品故障狀態(tài)稱(chēng)作頂事件,然后將造成系統(tǒng)故障的原因逐級(jí)分解為中間事件,最后找出引起頂事件的底層因素。該方法是美國(guó)貝爾電報(bào)公司的電話實(shí)驗(yàn)室于1962年開(kāi)發(fā)的,1974年美國(guó)原子能委員會(huì)發(fā)表了關(guān)于核電站危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)報(bào)告,即“拉姆森報(bào)告”,大量、有效地應(yīng)用了FTA,從而迅速推動(dòng)了它的發(fā)展。

        1 乳化炸藥產(chǎn)品故障樹(shù)的建立

        1.1 乳化炸藥生產(chǎn)線的工藝流程

        乳化炸藥是由硝酸銨水溶液和復(fù)合油相熔化后在高速攪拌設(shè)備里進(jìn)行乳化,形成一種油包水的物質(zhì),再在冷卻過(guò)程中通過(guò)化學(xué)或物理方式在物料中均勻生成穩(wěn)定的微小氣泡,使物料具有爆轟感度,在雷管的引爆下可發(fā)生爆炸的一種民用炸藥。其生產(chǎn)過(guò)程由原料制備、油水相計(jì)量及輸送、連續(xù)乳化、連續(xù)冷卻、連續(xù)敏化、裝藥和包裝等工序組成。主要工藝流程如圖1所示。

        圖1 乳化炸藥生產(chǎn)流程示意圖

        1.2 乳化炸藥產(chǎn)品故障樹(shù)的建立

        (1) 頂事件的選取。頂事件是最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)。針對(duì)乳化炸藥的生產(chǎn)工藝流程,最不希望發(fā)生的是“乳化炸藥產(chǎn)品不合格”,故將乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量不合格作為頂端事件T。

        (2) 故障樹(shù)的建立。故障樹(shù)是一種表示系統(tǒng)故障間因果關(guān)系的模型,它以最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為頂事件,繼而找出導(dǎo)致這一故障狀態(tài)發(fā)生的所有中間事件,再進(jìn)一步查找,直到把不能或不需要分解的基本事件作為底事件為止。在選取“乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量不合格”作為頂事件之后,根據(jù)乳化炸藥生產(chǎn)的流程,在生產(chǎn)過(guò)程中導(dǎo)致質(zhì)量不合格的直接原因是乳化工藝失敗、冷卻工藝失敗、敏化工藝失敗,然后以這3種工藝失敗的原因?yàn)轫斒录?,采用?lèi)似的方向深入分析,直到找到代表各種故障事件的底事件為止。比如,乳化工藝失敗是由于水相流量超調(diào)過(guò)大、油相流量超調(diào)過(guò)大和乳膠基質(zhì)溫度過(guò)高造成的,而乳膠基質(zhì)溫度過(guò)高又是由于水相溫度過(guò)高、油相溫度過(guò)高以及乳化器溫度過(guò)高引起的。油相溫度過(guò)高、水相溫度過(guò)高為底事件,而乳化器溫度過(guò)高繼續(xù)作為下一層的頂事件深入分析后再尋找其底事件[2-3]。圖2為乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量故障樹(shù)示意圖,表1為該故障樹(shù)的事件列表。

        圖2 乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量故障樹(shù)

        表1 乳化炸藥產(chǎn)品故障樹(shù)事件

        2 故障樹(shù)的定性分析

        定性分析的主要任務(wù)是求出導(dǎo)致乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量不合格的全部最小割集。最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的數(shù)目最少而又最必要的底事件的組合形式,它能描述系統(tǒng)故障時(shí)必須要修理的基本故障[4],代表了系統(tǒng)某個(gè)環(huán)節(jié)的危險(xiǎn)性。最小割集的常見(jiàn)求法有布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法、行列法和結(jié)構(gòu)法3種[5]。

        采用布爾代數(shù)的方法對(duì)圖2的故障樹(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化可以得到如下結(jié)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個(gè),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}。

        上述的每一個(gè)最小割集都代表頂端事件故障發(fā)生的一種可能,經(jīng)過(guò)分析可知有21種可能會(huì)導(dǎo)致乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

        3 故障樹(shù)的定量分析

        為進(jìn)一步區(qū)分這些底事件,還需進(jìn)行定量分析,即計(jì)算頂端事件發(fā)生概率和各底事件的重要度——結(jié)構(gòu)重要度和概率重要度。它們分別從不同角度反映了底事件對(duì)頂事件的影響程度。

        3.1 頂端事件發(fā)生概率

        假設(shè)事件x1,x2,…,xn發(fā)生概率分別為p1,p2,…,pn,且p1=p2=…=pn=0.001,則由式(7)可求出頂端事件發(fā)生概率為:

        ≈0.020922

        (8)

        式中p(T)——頂端事件發(fā)生概率。

        3.2 結(jié)構(gòu)重要度

        結(jié)構(gòu)重要度就是從結(jié)構(gòu)上分析基本事件的重要程度,假設(shè)各個(gè)基本事件發(fā)生概率相同,由于故障樹(shù)中絕大部分是和事件,結(jié)構(gòu)重要度從最小割集中很容易看出來(lái)。判斷的基本原則如下:

        (1)單事件最小割集結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大。

        (2)僅在同一最小割集出現(xiàn)的所有基本事件結(jié)構(gòu)重要度相同。

        (3)若兩基本事件僅出現(xiàn)在基本事件個(gè)數(shù)相等的若干個(gè)最小割集中,在不同最小割集中出現(xiàn)次數(shù)相等的基本事件結(jié)構(gòu)重要度相同,出現(xiàn)次數(shù)多的基本事件,其結(jié)構(gòu)重要度大。

        根據(jù)上述原則,可知x1~x21的結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)椋?/p>

        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對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響程度,用頂事件的發(fā)生概率對(duì)某個(gè)底事件發(fā)生概率的偏導(dǎo)數(shù)來(lái)表示,即:

        (9)

        式中Ii——底事件xi的概率重要度。

        根據(jù)式(9)計(jì)算各個(gè)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決定了頂事件發(fā)生概率的大小,為降低頂事件發(fā)生的概率,必須降低概率重要度大的基本事件的發(fā)生概率。通過(guò)對(duì)各基本事件在系統(tǒng)中所處的位置及其重要度進(jìn)行分析,可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)故障定位并及時(shí)排除。

        3.4 改善措施

        為了保證乳化炸藥產(chǎn)品的質(zhì)量,使炸藥密度基本上控制在1.10~1.15 g/cm3范圍內(nèi),在生產(chǎn)過(guò)程中可以采取以下措施來(lái)減少故障發(fā)生的可能性。

        (1)為了確保油水相配比的精度(油水相的體積比為1∶8),采用進(jìn)口的流量計(jì)分別控制油相、水相的流量。同時(shí),為了保證裝置的穩(wěn)定操作和設(shè)備運(yùn)行安全,在油水相貯罐的放料閥門(mén)后分別設(shè)置了過(guò)濾器。

        (2)在乳化工段工作時(shí),先將油相原料送入乳化器,待流量穩(wěn)定后開(kāi)啟乳化器,再送入水相原料,這樣在乳化器的高速攪拌下,可以形成一種均勻穩(wěn)定的油包水型物質(zhì)。

        (3)乳化器是乳化炸藥生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,故要對(duì)乳化器實(shí)施在線實(shí)時(shí)超溫、超壓、超電流的自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)停止。在實(shí)際生產(chǎn)中乳化器采用特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造工藝,讓動(dòng)葉輪和定葉輪之間間距不小于2.5 mm,這樣可以保證它們之間不會(huì)發(fā)生摩擦或撞擊,即可避免物料經(jīng)高速摩擦分解產(chǎn)生微氣泡。

        (4)實(shí)時(shí)檢測(cè)冷卻水進(jìn)水和出水溫度,控制冷卻機(jī)冷卻水量的大小和乳膠基質(zhì)在冷卻管中的冷卻速度,使乳膠基質(zhì)的溫度從90~115℃降低到敏化所要求的溫度45~60℃。

        (5)調(diào)節(jié)加入的敏化劑和促進(jìn)劑的量的大小,控制化學(xué)敏化時(shí)的反應(yīng)時(shí)間。

        4 結(jié)論

        采用故障樹(shù)分析法對(duì)乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析,提高了故障排查的效率和可信性。利用故障樹(shù)的最小割集進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算,可以對(duì)系統(tǒng)存在的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,并采取及時(shí)有效的防護(hù)措施,從而保證了乳化炸藥產(chǎn)品的質(zhì)量。與其它的分析方法相比,該方法能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)進(jìn)行故障定位,從而可以提高乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程的安全性和預(yù)防事故的發(fā)生。

        [1] 乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)考察組.我國(guó)乳化炸藥現(xiàn)狀與發(fā)展建議[G]//中國(guó)爆破器材行業(yè)協(xié)會(huì). 全國(guó)乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)交流研討會(huì)資料匯編.北京:[出版者不詳],1999:2-7.

        [2] 李學(xué)偉,鄒慧君.故障樹(shù)分析法在氣體渦輪流量計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003,20(2):67-68.

        [3] 呂德衍,王越勝.故障樹(shù)分析法在乳化器爆炸故障診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程,2009,26(3):24-27.

        [4] 劉娜,高文勝,談克雄,等.大型變壓器故障樹(shù)的構(gòu)建及分析[J].中國(guó)電力,2003,36(11):33-36.

        [5] 孫雙,呂建新.基于故障樹(shù)的變速器故障診斷系統(tǒng)研究[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù),2009(2):57-60.

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