鄧紫意,何中其

(南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

近年來,隨著火炸藥領(lǐng)域?qū)Π踩缘钠惹行枨笈c重視,鈍感炸藥成為炸藥的熱點研究方向[1]。三氨基三硝基苯(TATB)作為一種典型的鈍感炸藥,因具備低感度、高能量特性,被廣泛應(yīng)用于武器、推進劑及民用爆破等領(lǐng)域[2]。在應(yīng)用TATB炸藥時,一般是指應(yīng)用TATB基的高聚物粘結(jié)炸藥(polymer bonded explosive,PBX),其常利用TATB粉末晶體經(jīng)水懸浮法造粒,再經(jīng)壓裝形成[3]。雖然TATB對于各種外界刺激較為鈍感,但在其藥柱成型的過程中,造型粉經(jīng)受傳熱、擠壓、流動、變形、晶體顆粒破碎等一系列復(fù)雜作用后,也會導(dǎo)致物質(zhì)的某些性能發(fā)生變化[4]。因此,若TATB的工藝參數(shù)等出現(xiàn)偏差,則有可能激發(fā)炸藥的不穩(wěn)定性,從而引發(fā)燃爆等安全事故。

從統(tǒng)計結(jié)果看,炸藥壓裝爆炸事故在炸藥生產(chǎn)工藝中高居首位[5]。但關(guān)于TATB等鈍感炸藥的自動化壓裝成型工藝鮮有系統(tǒng)的風(fēng)險分析與評估研究。因此,筆者將危險與可操作性分析(hazard and operability study,HAZOP)定性評估方法與偏離度定量方法應(yīng)用于TATB自動化壓裝成型工藝,對工藝進行系統(tǒng)的安全風(fēng)險評估,識別工藝過程中的各種風(fēng)險,改善工藝的安全生產(chǎn)狀況。

在HAZOP與偏離度相結(jié)合的安全風(fēng)險分析研究中,一般是先進行HAZOP分析,然后對HAZOP分析中“偏差”的偏離程度應(yīng)用偏離度進行定量表達。周帥等[6]較早地將HAZOP與偏離度結(jié)合,研究建立了單一參數(shù)和多參數(shù)的偏離度計算模型,并對鐵路運營過程中的技術(shù)偏差進行分析,進而開發(fā)了HAZOP輔助系統(tǒng)。劉輝等[7]建立了單一參數(shù)和節(jié)點偏離度計算模型,對某瓦斯隧道出口施工通風(fēng)階段進行了偏離度等級劃分;邱澤陽等[8]利用HAZOP篩選有效指標(biāo),通過AHP計算指標(biāo)權(quán)重,建立了離心壓縮機組風(fēng)險評估指標(biāo)體系,對某壓氣站離心式壓縮機組的即時運行情況進行評估;孫藝博等[9]采用節(jié)點跨越和節(jié)點功能偏離等2種引導(dǎo)詞確定偏差,運用節(jié)點功能、偏離措施偏離度計算模型計算偏離度,對輸氣站降壓排污作業(yè)過程進行風(fēng)險評估。

筆者在對以往的HAZOP-偏離度研究分析總結(jié)的基礎(chǔ)上,進行改進拓展,建立適用于分析炸藥自動化壓裝工藝的風(fēng)險評估模型,將其應(yīng)用于TATB自動化壓裝成型領(lǐng)域。

1 TATB自動化壓裝成型工藝概述

本文中所分析的TATB自動化壓裝成型生產(chǎn)線采用等靜壓成型工藝,其工藝流程如圖1所示。等靜壓工藝是炸藥成型工藝領(lǐng)域的先進技術(shù),原理是利用液體介質(zhì)不可壓縮和均勻傳遞壓力的性質(zhì),對高壓容器中的試樣從各個方向進行均勻加壓,從而將藥粉壓制成具有固定形狀的密實炸藥元件[10]。該工藝提高了藥品的密度及均勻性,改善了藥品的力學(xué)性能,從而提高武器彈藥的毀傷效應(yīng)和發(fā)射安全性[11]。且有研究表明同批 TATB 造型顆粒等靜壓壓制成型樣品的力學(xué)性能明顯優(yōu)于鋼模壓制成型樣品[12-13]。

圖1 TATB壓裝成型自動化工藝流程圖

在等靜壓壓裝工藝中,炸藥受到持續(xù)的高壓作用,而炸藥是一種亞穩(wěn)態(tài)材料,在外界壓力作用下可能發(fā)生分解、燃燒甚至爆轟,因此壓裝過程的安全性問題是TATB自動化壓裝成型工藝的關(guān)鍵問題[10]。

2 壓裝工藝風(fēng)險評估模型

2.1 HAZOP方法

HAZOP是1974年英國帝國化學(xué)工業(yè)公司針對化工裝置開發(fā)的一種系統(tǒng)風(fēng)險評估方法,主要被用于分析生產(chǎn)過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動對系統(tǒng)的影響。其基本過程是從實際工藝節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)出發(fā),運用引導(dǎo)詞分析工藝過程中溫度、流量、壓力等狀態(tài)參數(shù)的偏差,并分析造成偏差的原因、后果及防止偏差產(chǎn)生的已有措施和建議措施[14-15]。HAZOP分析的主要步驟為:① 劃分節(jié)點;② 確定偏差;③ 找出原因、后果并確定風(fēng)險等級;④ 提出建議措施。

2.2 偏離度

偏離度表示實際測量參數(shù)值偏離標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值的偏差程度[6]。針對TATB自動化壓裝成型工藝,各偏離度的計算模型如下。

2.2.1參數(shù)偏離度r1

在計算偏離度時,參數(shù)包括定性參數(shù)和定量參數(shù):

1) 定量參數(shù)偏離度r11。

計算模型為

(1)

式(1)中:A為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值;X為實際參數(shù)值。

2) 定性參數(shù)偏離度r12。

定性參數(shù)偏離度由模糊數(shù)學(xué)隸屬度來判定[7],具體步驟如下:

步驟1確定偏離度等級設(shè)置為低(v1)、較低(v2)、中等(v3)、較高(v4)、高(v5)等5級,即建立評價集為:V=(v1,v2,v3,v4,v5),其中參數(shù)對應(yīng)各等級的隸屬度由專家評價法確定。

評價集滿足:

(2)

步驟2評價結(jié)果等級采用百分制,得分越高偏離度越大,綜合得分記為S。

步驟3按照最大隸屬度原則,評價集具有一定的模糊性,把各等級以百分制分為5個區(qū)間,分值越高偏離度等級越大,如表1所示。

表1 偏離度等級分值分布

設(shè)等級評價集中各等級的參數(shù)列矢量為:

綜合得分C= (c1,c2,c3,c4,c5)= (10,30,50,70,90)

(3)

步驟4最后將綜合得分轉(zhuǎn)化為[0,1]范圍的定性參數(shù)偏離度,公式為:

(4)

2.2.2對策措施偏離度r2

在壓裝過程中,壓裝系統(tǒng)自動化程度較高,具有高效率高精度等優(yōu)勢,但機器具備有限的可靠性、柔性與邏輯推理能力,往往也會發(fā)生失誤或失效行為[16],導(dǎo)致偏差出現(xiàn)。當(dāng)偏差出現(xiàn)時,負(fù)責(zé)監(jiān)管生產(chǎn)狀況的工作人員,由于具有更高柔性和綜合判斷能力,如能及時采取適當(dāng)?shù)膶Σ叽胧?便可有效地控制偏差的偏離程度。因此,單純依靠參數(shù)偏離度并不能完全反映生產(chǎn)工藝的風(fēng)險水平[9],有必要對對策措施進行偏離度分析。

安全對策措施主要包括安全技術(shù)對策措施、安全管理對策措施和事故應(yīng)急預(yù)案[17]。計算各項對策措施的偏離度時,通過綜合考量,可采取措施的多樣性、措施及時控制偏差的有效度、措施的實施難易程度來確定最終的偏離度。最終形成的對策措施偏離度計算體系如圖2所示。

圖2 對策措施偏離度計算指標(biāo)體系

計算體系中U1～U3指標(biāo)的權(quán)重通過專家評價法與G1法(序關(guān)系分析法)確定,G1法[18]是由東北大學(xué)郭亞軍教授提出的一種AHP法的改進方法,該方法克服了在遇到因素眾多、規(guī)模較大的問題時容易出現(xiàn)判斷矩陣難以滿足一致性要求的問題,且計算過程較為簡捷,已被應(yīng)用于諸多相關(guān)研究[19-20]。各指標(biāo)的具體偏離度值參考表2和專家評價意見確定。

表2 控制措施偏離度對應(yīng)值

最終的措施偏離度為各指標(biāo)偏離度與權(quán)重耦合得到的結(jié)果,計算模型為

(5)

式(5)中:ui為指標(biāo)的權(quán)重;ai為指標(biāo)的偏離度。

2.2.3總偏離度rz

總偏離度rz是將參數(shù)偏離度r1和對策措施偏離度r2進行耦合,其計算模型為

(6)

式(6)中:r1為參數(shù)偏離度;r2為對策措施偏離度;φ為修正因子,其值根據(jù)工藝的危險性進行確定,本文中采用改進的日本六階段安全評價法中的工藝危險性定量評價方法——十六分法[21]與半定量法確定φ值,即先依據(jù)十六分法確定工藝風(fēng)險等級,再對照表3并結(jié)合專家意見確定φ值。

表3 工藝風(fēng)險等級φ值對應(yīng)關(guān)系

在計算總偏離度后,對于總偏離度rz大于1的,認(rèn)定為偏離度超限,應(yīng)立即進行安全整改,確保工藝的危險性降低到可接受水平。

3 應(yīng)用與結(jié)果

對TATB壓裝工藝的HAZOP分析中,根據(jù)壓裝工藝的實際情況,按操作步驟劃分節(jié)點,將其分為“粉料準(zhǔn)備”、“模具準(zhǔn)備”、“振動上料”、 “預(yù)熱”、“真空封口”、“壓制”、“退?！薄ⅰ袄鋮s”等8個節(jié)點。

在TATB的自動化壓裝成型動態(tài)過程中,如果任取一個時間節(jié)點,對工藝的工作參數(shù)進行HAZOP-偏離度分析,則系統(tǒng)節(jié)點大部分時間都處于偏離度較小狀態(tài),即正常運行狀態(tài)。為了分析系統(tǒng)各節(jié)點出現(xiàn)突發(fā)事故時的后果及嚴(yán)重程度,以下定量分析主要針對系統(tǒng)各節(jié)點出現(xiàn)偏差時的風(fēng)險水平,以風(fēng)險分析的角度去考量節(jié)點的偏離度水平。

以“含有雜質(zhì)”該偏差為例進行偏離度分析計算: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,即該偏差的參數(shù)偏離度r1為0.52;措施偏離度為: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,則該偏差的措施偏離度r2為0.23。

按照《聯(lián)合國關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書》及相關(guān)測試結(jié)果,TATB屬于1.5類“非常不敏感的爆炸物質(zhì)”,即物質(zhì)(危險程度最大的物質(zhì))得分等級為B級;介質(zhì)毒性、溫度等級皆為D級;壓力300 MPa,為A級;操作屬于C級中的間歇操作,但開始使用機械等手段進行程序操作,則上述5個項目的總評分為17分,危險程度屬于Ⅰ等級,根據(jù)表3與專家評價建議,壓裝工藝的φ值確定為0.7。

綜上,該偏差的總偏離度為:rz=r1-r1(1-r2)(1-φ)=0.52-0.52×(1-0.23)×(1-0.7)=0.39,將其余偏差按式(1)—(6)計算得到如表4所示。

表4 TATB壓裝成型的HAZOP-偏離度分析

將分析得到的偏離度值繪制成折線圖,如圖3所示。橫坐標(biāo)表示表4中所列的 13種偏差,各節(jié)點偏差按表格順序編號為1～13,縱坐標(biāo)表示相應(yīng)的偏離度值。偏離度越大,風(fēng)險越高,圖3直觀地反映了各節(jié)點偏差的風(fēng)險水平。

圖3 節(jié)點偏離度值分布情況

由以上分析可知,工藝偏差參數(shù)偏離度值大于0.5的偏差有6項,參數(shù)偏離度水平整體偏高;措施偏離度水平整體適中;總偏離度水平整體較低,偏離度值大部分在0.4以下。說明在現(xiàn)有控制措施的加持下,大多數(shù)偏差都能得到有效控制,使得總偏離度降到可接受范圍內(nèi),即TATB壓裝工藝系統(tǒng)的整體偏離度較小,安全程度相對來說較高。

圖3曲線中,在編號5處出現(xiàn)極端凸起,表明偏差5“規(guī)定時間內(nèi)真空度未達標(biāo)”各偏離度水平較高。且該偏差在參數(shù)偏離度較高的基礎(chǔ)上,由于現(xiàn)有控制措施還不夠完善,偏差不能被及時控制,在一定條件的觸發(fā)下很有可能發(fā)展為事故,從而導(dǎo)致措施偏離度與總偏離度較高。對于此類偏差,企業(yè)須繼續(xù)完善安全控制措施,將偏離度水平降到0.4以下。此外,在該工藝各節(jié)點中,“壓制”節(jié)點的偏差種類最多且總體偏離度較高,是整個工藝的事故多發(fā)區(qū),應(yīng)加強安全監(jiān)控與管理。

4 結(jié)論

1) 本文將HAZOP-偏離度法運用于TATB自動化壓裝成型系統(tǒng)的安全評估研究中,根據(jù)壓裝工藝的實際情況劃分了8個節(jié)點,確定了13個偏差。對各偏差進行原因、后果、控制措施的HAZOP定性分析及偏差定量化的參數(shù)、措施偏離度分析,形成了完整有結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)安全評估。

2) 根據(jù)壓裝自動化工藝特征,建立了參數(shù)偏離度計算模型與對策措施偏離度計算指標(biāo)體系,在對策措施偏離度計算指標(biāo)體系中,權(quán)重的確定引入相比AHP法更科學(xué)、計算更簡捷的G1法。

3) 由于工藝系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)化程度較高,工作參數(shù)較為直觀,利用HAZOP-偏離度方法有助于企業(yè)對系統(tǒng)的安全狀態(tài)進行動態(tài)評估跟蹤,實時掌握各生產(chǎn)參數(shù)的偏離狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)偏差過大的參數(shù),從而做出相應(yīng)調(diào)整,預(yù)防事故發(fā)生。