葛雙優(yōu)

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015）

增材制造（俗稱3D打印）技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，又稱RP技術(shù)，是通過利用計(jì)算機(jī)模擬切片的技術(shù)，逐步利用熱源或者粘結(jié)劑來固化材料，如金屬、陶瓷、塑料、砂等，從而逐步堆積成一定形狀的零件和部件。目前在航空航天、汽車制造、機(jī)械制造等領(lǐng)域已得到一定應(yīng)用。3D打印技術(shù)具有前沿性、先導(dǎo)性，改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和設(shè)計(jì)、生產(chǎn)理念。但同時(shí)3D打印技術(shù)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，如在金屬3D打印技術(shù)中使用到的重要原材料之一——鈦粉，屬于甲類危險(xiǎn)化學(xué)品，具有易燃易爆性，使用過程須充分辨識危險(xiǎn)源并加以控制，防止火災(zāi)爆炸事故發(fā)生。本文采用了一種危險(xiǎn)源辨識方法（故障數(shù)分析法）和一種定量的安全評價(jià)方法（火災(zāi)爆炸指數(shù)法），對3D打印工藝過程中發(fā)生鈦粉火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性進(jìn)行定性和定量的評估。

圖1 3D打印設(shè)備工作簡圖

圖2 3D打印工藝流程圖

1 3D打印工藝原理及過程危險(xiǎn)性分析

1.1 工作原理

利用軟件設(shè)計(jì)出零件的三維模型，并對三維模型進(jìn)行切片得出截面輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，然后按照填充掃描線控制激光束選區(qū)，熔化各層金屬粉末，逐步堆疊成三維金屬零件。

1.2 工藝流程

將金屬粉末平鋪到成形過程形缸基板上，再按當(dāng)前層的填充輪廓選區(qū)熔化基板上的金屬粉末，完成當(dāng)前層的加工后成形缸下降1個層厚，粉末料缸上升一定距離，鋪粉裝置在已加工好的當(dāng)前層上鋪好金屬粉末。設(shè)備自動調(diào)到下一層的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，如此反復(fù)直到整個零件完成加工。整個加工過程都在充滿惰性氣體的環(huán)境下進(jìn)行，避免粉體在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。

根據(jù)3D打印工作原理及設(shè)備操作規(guī)程，以及粉塵爆炸三要素：粉塵云、火源、空氣，分析存在鈦粉火災(zāi)爆炸可能性的幾個階段分別為：鈦粉存儲、篩粉、加料、取件、反吹、清理濾芯、廢料處理。

（1）鈦粉儲存

鈦粉儲存間嚴(yán)格意義上為危險(xiǎn)化學(xué)品庫，是鈦粉存量最大的地方，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，后果最為嚴(yán)重，所以須按照火災(zāi)爆炸場所進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，電氣設(shè)備設(shè)施符合《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范要求，房間設(shè)計(jì)泄爆面，面積符合《建筑物防火設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

（2）篩粉

加料前需對鈦粉進(jìn)行篩粉，篩粉過程中，鈦粉在篩粉機(jī)內(nèi)一直處于云狀態(tài)，振動篩可提供點(diǎn)火能量，如果在空氣中進(jìn)行，滿足粉塵爆炸的3個條件，可能造成粉塵爆炸，所以篩粉必須全程在惰性氣體氬氣的保護(hù)下完成，篩粉機(jī)也須為防爆型。

（3）加料

加料過程應(yīng)采用不銹鋼（或其他不易打火的材質(zhì)）料鏟將粉末材料加至料缸中，該過程可能產(chǎn)生揚(yáng)塵，達(dá)到粉塵爆炸極限，所以須小心操作，并同時(shí)將防爆吸塵器置于料缸上方，改善揚(yáng)塵現(xiàn)象。

（4）取出零件

零件加工完成后，掃描系統(tǒng)、電機(jī)、照明燈、氣路會自動關(guān)閉，打開照明燈，手動關(guān)閉煙塵過濾系統(tǒng)，開啟艙門后操作者離開現(xiàn)場30min，使保護(hù)氣、粉塵、加工余熱擴(kuò)散；用毛刷、物料鏟將成形缸和收料缸中的粉末移出，期間用防爆吸塵器配合清理揚(yáng)塵和吸風(fēng)口附近受污染的粉末。該過程，艙內(nèi)鈦粉量較大，在取件或清理過程操作不當(dāng)，撞擊鈦粉或遇靜電，可能引燃鈦粉，所以整個過程操作人員需配帶防靜電手環(huán)，小心操作。

（5）反吹

在確保材料全部移出機(jī)器后，關(guān)閉艙門，并開啟反吹系統(tǒng)。大約持續(xù)20min，隨后關(guān)閉反吹，進(jìn)行清理。該過程危險(xiǎn)性最大，設(shè)備內(nèi)粉塵濃度滿足爆炸極限，氣體的沖擊力可提供點(diǎn)燃能量，如在空氣中進(jìn)行，可引發(fā)爆炸，所以該過程須在惰性氣體氬氣環(huán)境下進(jìn)行，即用氬氣作為反吹氣體。

（6）清理濾芯

在每加工完一種材料后，需要對循環(huán)系統(tǒng)中的濾芯中的殘粉進(jìn)行清理。濾芯需拿出來單獨(dú)清理，濾芯中的粉體粒徑較細(xì)、活性高，清理過程稍有不當(dāng)便會燃燒，已發(fā)生過很多類似事件，所以濾芯清理須在水中完成。

（7）廢料處理

加工完成后剩余的鈦粉不能閑置，在空氣中長時(shí)間堆積可能自燃，應(yīng)回收利用或水封處理后按危險(xiǎn)廢物進(jìn)行合規(guī)處置。

2 故障樹分析

故障樹分析法（FTA）是采用邏輯方法進(jìn)行危險(xiǎn)分析，將事故因果分析形象地描述為一種有方向的“樹”。以系統(tǒng)可能或已發(fā)生的事故作為分析的起點(diǎn)，將導(dǎo)致事故的原因事件按照因果關(guān)系逐層列出，用樹形圖表現(xiàn)出來，然后定性、定量地分析事故發(fā)生的可能途徑和概率，找到避免事故的各種方案并選出最佳安全防范措施。

按照FTA分析法，繪制3D打印火災(zāi)爆炸故障樹如圖3所示。

圖3 3D打印工藝火災(zāi)爆炸故障樹

布爾表達(dá)式：

T=X1（X2+X3）+X4+X5（X6 +X7）+（X8 +X9）（X10+X11）+X12X13

最小割集合：

（X1 X2）、（X1 X3）、X4、（X5 X6）、（X5 X7）、（X8 X10）、（X8 X11）、（X9 X10）（X9 X11）、（X12X13）

最小割集合是能引起頂事件發(fā)生的最小的組成元素集合。

結(jié)構(gòu)重要度：

IΦ（4）＞IΦ（1）=IΦ（5）=IΦ（8）=IΦ（9）=IΦ（10）=IΦ（11）＞ IΦ（2）=IΦ（3）=IΦ（6）=IΦ（7）=IΦ（12）=IΦ（13）

通過故障樹分析，得出可能導(dǎo)致3D打印過程發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的13個基本事件，主要包括誤操作、設(shè)備靜電、人體靜電、工具碰撞火花、氬氣泄漏、反吹后未充分沉降、報(bào)警失效等，并計(jì)算得出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，以及最小割集合，進(jìn)而可以針對性地采取管控措施。

3 火災(zāi)爆炸指數(shù)法分析

火災(zāi)爆炸指數(shù)評價(jià)法是一種對工藝過程火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行評估并采取相應(yīng)安全防護(hù)措施的方法，以物質(zhì)潛在能量和現(xiàn)行安全防護(hù)措施為依據(jù)，對物料以及工藝過程潛在的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行定量分析評價(jià)。

該方法以物質(zhì)系數(shù)為基礎(chǔ)，加上一般工藝和特定工藝的危險(xiǎn)修正系數(shù)，求出火災(zāi)爆炸指數(shù)。再根據(jù)指數(shù)值分級，按等級要求采取相應(yīng)安全防護(hù)措施。

3.1 評價(jià)程序

（1）確定單元，求出單元內(nèi)的物質(zhì)系數(shù)MF。

（2）根據(jù)單元工藝，選用適當(dāng)?shù)囊话愎に嚭吞厥夤に囄ｋU(xiǎn)系數(shù)相乘得出工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)。

（3）用物質(zhì)系數(shù)乘以工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)，得出火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)（F&EI）。

（4）由火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)查得單元暴露區(qū)域半徑，并計(jì)算出暴露面積。

3.2 評價(jià)過程

（1）選擇工藝單元

為計(jì)算火災(zāi)爆炸指數(shù)，首先要確定裝置中哪些單元需要研究。工藝設(shè)備的任一主要單元可被定義為工藝單元。生產(chǎn)單元往往包括很多工藝單元，但在計(jì)算火災(zāi)爆炸指數(shù)時(shí)，只評價(jià)對工藝有影響的主要單元。

（2）確定物質(zhì)系數(shù)

物質(zhì)系數(shù)（MF）是最基礎(chǔ)的數(shù)值，是表達(dá)物質(zhì)引起火災(zāi)爆炸中釋放能量大小的特性。大部分危險(xiǎn)物質(zhì)其物質(zhì)系數(shù)可通過查閱資料獲得。經(jīng)查金屬鈦粉MF值取10。

（3）確定工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)

一般工藝危險(xiǎn)性系數(shù)（F1）主要影響因素包括：泄漏控制，通道以及排放，物料處理與輸送，密閉式或室內(nèi)工藝單元，放熱、吸熱反應(yīng)。

特殊工藝危險(xiǎn)性系數(shù)（F2）主要影響因素包括：壓力，泄漏，低溫，毒性物質(zhì)，負(fù)壓，粉塵爆炸，易燃及不穩(wěn)定物質(zhì)的重量（工藝中和貯存中的液體、氣體、可燃固體/粉塵），轉(zhuǎn)動設(shè)備，易燃范圍內(nèi)或其附近的操作，腐蝕與磨蝕，使用明火設(shè)備，熱油熱交換系統(tǒng)。

F1和F2相乘得到單元危險(xiǎn)系數(shù)（F3）。F3的值一般不超過8.0。

3D打印實(shí)驗(yàn)室中主要使用以及貯存的金屬材料為鈦粉，經(jīng)查資料物質(zhì)系數(shù)MF為10。

一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)選取了基本系數(shù)、物料處理與輸送、放熱反應(yīng)、排放和泄漏控制，危險(xiǎn)系數(shù)取值分別為1.00、0.50、1.00和0.25，一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)F1=2.75。

特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)選取了基本系數(shù)、過程失常和吹掃故障、一直在燃燒范圍內(nèi)、壓力、粉塵爆炸、貯存中的可燃固體及工藝中的粉塵、泄漏，危險(xiǎn)系數(shù)取值分別為1.00、0.30、0.50、0.50、2.00、1.00和0.50，特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)F2=5.80。

工藝單元危險(xiǎn)系數(shù)F3＝F1*F2=15.95。

（4）火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)

火災(zāi)爆炸指數(shù)F&EI=F3*MF=159.5。

火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)用來估計(jì)生產(chǎn)過程中事故可能造成的破壞程度?？蓜澐譃?個等級，具體情況如表1。

表1 F&EI及危險(xiǎn)等級

表2 單元危險(xiǎn)性等級表

表3 火災(zāi)爆炸分析結(jié)果危險(xiǎn)指數(shù)表

（5）安全措施補(bǔ)償系數(shù)

安全措施主要分為工藝控制措施（C1）、物質(zhì)隔離措施（C2）和防火措施（C3）。單元安全措施補(bǔ)償系數(shù)C＝C1×C2×C3。

工藝控制安全補(bǔ)償系統(tǒng)選取了應(yīng)急電源、抑爆裝置、惰性氣體保護(hù)、計(jì)算機(jī)控制、緊急切斷裝置、其它工藝危險(xiǎn)分析、化學(xué)活潑性物質(zhì)檢查、操作規(guī)程/程序，補(bǔ)償系數(shù)分別為0.98、0.95、0.96、0.96、0.96、0.95、0.92和0.95，工藝控制安全補(bǔ)償系數(shù)C1=0.6839。

物質(zhì)隔離安全補(bǔ)償系數(shù)選取了遙控閥、卸料/排空裝置、排放系統(tǒng)，補(bǔ)償系數(shù)分別為0.98、0.98和0.95，物質(zhì)隔離安全補(bǔ)償系數(shù)C2=0.9124。

防火設(shè)施安全補(bǔ)償系數(shù)選取了泄漏檢測裝置、特殊滅火系統(tǒng)、電纜防護(hù)、手提式滅火器/噴水槍，補(bǔ)償系數(shù)分別為：0.98、0.91、0.98和0.98，防火設(shè)施安全補(bǔ)償系數(shù)C3=0.8565。

安全措施補(bǔ)償系數(shù)C＝C1×C2×C3＝0.5344。

（6）安全措施補(bǔ)償后火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)指數(shù)（F&EI）＝F&EI×C＝85.24。

（7）暴露半徑：R=0.256×F&EI=21.82。

（8）暴露面積：S=π×R2=1495。

（9）危害系數(shù)：DF=0.6。

4 結(jié)語

通過故障樹分析法，全面辨識3D打印工藝火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)源，主要包括誤操作、設(shè)備靜電、人體靜電、氬氣泄漏、加料工具碰撞、清理過程操作不當(dāng)、反吹后未充分沉降、報(bào)警失效等。并計(jì)算出最小割集合和基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，得到引起鈦粉爆炸的充分必要條件，以及重點(diǎn)控制元素，針對性地制定了管控措施。

通過火災(zāi)爆炸指數(shù)法對金屬3D打印工藝火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性分析與評價(jià)，表明在安全系數(shù)補(bǔ)償前的3D打印工藝危險(xiǎn)爆炸系數(shù)為159.5，屬于“嚴(yán)重”危險(xiǎn)程度，危險(xiǎn)等級為Ⅴ。經(jīng)過一定的安全措施補(bǔ)償后，火災(zāi)危險(xiǎn)爆炸系數(shù)降低為85.24，屬于“較輕”危險(xiǎn)程度，危險(xiǎn)等級為Ⅱ。表明采取的安全措施可行，可有效降低金屬3D打印工藝火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性。