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)量的因素越來越多。為了保證乳化炸藥生產(chǎn)過程的安全性，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]。

故障樹分析法(Fault Tree Analysis, 簡(jiǎn)稱 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)，再在冷卻過程中通過化學(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) 故障樹的建立。故障樹是一種表示系統(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捎妙愃频姆较蛏钊敕治?，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)過大、油相流量超調(diào)過大和乳膠基質(zhì)溫度過高造成的，而乳膠基質(zhì)溫度過高又是由于水相溫度過高、油相溫度過高以及乳化器溫度過高引起的。油相溫度過高、水相溫度過高為底事件，而乳化器溫度過高繼續(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)量故障樹示意圖，表1為該故障樹的事件列表。

圖2 乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量故障樹

表1 乳化炸藥產(chǎn)品故障樹事件

2 故障樹的定性分析

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。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)過程中可以采取以下措施來減少故障發(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后分別設(shè)置了過濾器。

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