VEBW技術(shù)生產(chǎn)特厚板的事故風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施

張新法，龔 偉，曹瀧福

（1.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)110004；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004；3.鞍鋼股份鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司安全環(huán)保部，遼寧營(yíng)口115000）

VEBW技術(shù)生產(chǎn)特厚板的事故風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施

張新法1，2，龔 偉2，曹瀧福3

（1.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)110004；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004；3.鞍鋼股份鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司安全環(huán)保部，遼寧營(yíng)口115000）

特厚板廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，真空電子束焊接技術(shù)生產(chǎn)特厚板優(yōu)勢(shì)明顯。真空電子束焊接生產(chǎn)特厚板的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，安全問(wèn)題不容忽視。對(duì)特厚板的真空電子束焊生產(chǎn)系統(tǒng)的事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析結(jié)果表明，機(jī)械傷害、電離輻射、起重傷害、觸電、火災(zāi)及噪聲是主要事故風(fēng)險(xiǎn)類型，對(duì)主要的事故風(fēng)險(xiǎn)類型進(jìn)行預(yù)先危險(xiǎn)性分析。將安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出的原則具體化、不斷提高設(shè)備本質(zhì)生產(chǎn)水平等是特厚板真空電子束事故風(fēng)險(xiǎn)控制和事故預(yù)防的有效措施。

特厚板坯；真空電子束焊接；事故風(fēng)險(xiǎn)；安全措施

0 前言

高壓鍋爐、高強(qiáng)船板、核電、海洋石油平臺(tái)、大型橋梁建設(shè)等工程領(lǐng)域?qū)μ睾癜迮鳎ê穸却笥?00mm）有著大量需求。作為目前最高性能的焊接水平的代表，真空電子束焊接（VEBW）在大厚件焊接復(fù)合方面一直具有優(yōu)勢(shì)[1]，日本JFE鋼鐵公司利用真空電子束焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)特厚板坯的新工藝[2]。電子束焊接的最大特點(diǎn)是能量密度高度集中和局部高溫，與傳統(tǒng)模鑄工藝和新興電渣重熔技術(shù)相比[3]，特厚板真空電子束焊接技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、成材率高的優(yōu)勢(shì)。但是，真空電子束焊接技術(shù)作為新興的焊接技術(shù)手段，仍處于工業(yè)化應(yīng)用階段，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也主要集中在工藝技術(shù)研究本身，安全生產(chǎn)技術(shù)方面的研究報(bào)道較少。因此，研究特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)過(guò)程中的事故風(fēng)險(xiǎn)及其安全對(duì)策措施，清晰認(rèn)識(shí)和預(yù)防、控制主要事故風(fēng)險(xiǎn)，既是不可回避的重要問(wèn)題，也有利于推動(dòng)特厚板VEBW技術(shù)的更好應(yīng)用。

1 特厚板VEBW生產(chǎn)技術(shù)

特厚板真空電子束焊接系統(tǒng)的主要生產(chǎn)設(shè)備由焊前機(jī)械加工設(shè)備、真空電子束焊機(jī)和物料運(yùn)輸設(shè)備三部分組成。其中，機(jī)械加工設(shè)備主要包括銑床、翻坯機(jī)、對(duì)齊裝置以及表面清掃裝置；電子束焊機(jī)主要由真空室、電子束焊槍、工作臺(tái)車、高壓電源、控制系統(tǒng)以及真空室和電子束焊槍的抽真空系統(tǒng)組成；物料運(yùn)輸設(shè)備主要是起重機(jī)械和過(guò)跨車。此外，真空電子束焊機(jī)還有一些輔助設(shè)備，如電子槍冷卻水系統(tǒng)和儀表供氣系統(tǒng)。

特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)的基本工藝流程如圖1所示。鋼鐵企業(yè)或機(jī)械加工企業(yè)的特厚板生產(chǎn)一般以連鑄坯為原料，在進(jìn)行真空焊接前，需要對(duì)原料的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工處理，真空焊接復(fù)合生產(chǎn)出的毛坯還需進(jìn)入后續(xù)的加熱和軋制工藝。近幾年，我國(guó)多家鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了真空焊接生產(chǎn)特厚板實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，圖2為國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)采用真空電子束焊接技術(shù)生產(chǎn)的特厚板毛坯。

圖1 特厚板真空電子束焊接基本工藝流程Fig.1 Basic process route of vacuum electron beam welding for heavy-gauge plate production

圖2 真空電子束焊接生產(chǎn)的特厚板毛坯Fig.2 Heavy-gauge steel plate blank produced by electron beam welding technology

2 特厚板VEBW生產(chǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析

2.1 事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法和依據(jù)

事故風(fēng)險(xiǎn)是指在現(xiàn)有生產(chǎn)和安全管理?xiàng)l件下，事故發(fā)生的可能性、后果及影響范圍的組合。目前，事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中主要依靠類比法和經(jīng)驗(yàn)法[4]。特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)系統(tǒng)事故的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)活動(dòng)，以生產(chǎn)系統(tǒng)所涉及的物料、技術(shù)設(shè)備以及生產(chǎn)過(guò)程的固有特點(diǎn)為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)家和行業(yè)相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)主要的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)和有害因素分類與代碼》（GB/T13861-2009）和《企業(yè)職工傷亡分類》（GB6441-1986）以及主要生產(chǎn)設(shè)備如機(jī)械設(shè)備、真空泵、電熱裝置等的相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。GB/T13861將生產(chǎn)過(guò)程中的危險(xiǎn)與有害因素分為四大類，即人的因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素。GB6441綜合考慮起因物、事故誘導(dǎo)因素、致害物及傷害方式等，將企業(yè)職工的傷亡事故分為物體打擊、車輛傷害、機(jī)械傷害、起重傷害、觸電、淹溺、灼燙、火災(zāi)、高處墜落、爆炸、中毒和窒息等，共二十大類。

2.2 事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析結(jié)果

機(jī)械傷害無(wú)疑是機(jī)械加工工序最主要的事故類型。人、機(jī)、物、法、環(huán)任何一個(gè)環(huán)節(jié)的缺陷都可能導(dǎo)致機(jī)械傷害事故?；馂?zāi)事故主要是由于為翻坯機(jī)和對(duì)齊裝置提供動(dòng)力源的液壓裝置使用丙類火災(zāi)危險(xiǎn)性（閃點(diǎn)約170℃~180℃）物質(zhì)——礦物液壓油。液壓裝置若采用已在主體冶金設(shè)備液壓裝置上成功應(yīng)用的水-乙二醇抗燃液壓油，可以有效避免火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)[5]。

真空電子束焊接的電離輻射危害源于電子束焊接過(guò)程中產(chǎn)生的X射線。電子束焊機(jī)工作時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的電子束與焊件撞擊使1%的能量轉(zhuǎn)換為X射線；此外，還可能由于電子束聚焦不全，散射電子轟擊真空室壁而產(chǎn)生X射線[6-7]。電子束焊槍電壓越高，產(chǎn)生的X射線穿透力越大。電子焊槍工作時(shí)因冷卻水供水不足、大量泄漏或管路堵塞，冷卻水會(huì)迅速汽化升壓引起物理爆炸[8]。由于電子束焊接作業(yè)在嚴(yán)密隔離的真空室中進(jìn)行，有效地改善了勞動(dòng)條件[9]，大大降低了灼燙傷害的可能性，焊接作業(yè)產(chǎn)生的粉塵危害也基本可以忽略。然而，配套的真空泵若旋轉(zhuǎn)部位缺乏有效的安全防護(hù)可能誘發(fā)機(jī)械傷害；抽真空作業(yè)也會(huì)帶來(lái)持續(xù)性的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，其中最大的噪聲危害來(lái)自于破真空作業(yè)；而未充分破真空和通風(fēng)換氣就進(jìn)入有限空間的真空室中則會(huì)導(dǎo)致缺氧窒息。

起重傷害事故主要發(fā)生在板坯的吊運(yùn)作業(yè)中，起重司機(jī)和指揮工是最易受到傷害的崗位。起重傷害的直接原因包括吊物墜落、擠壓碰撞、觸電和機(jī)體傾翻等方面；間接原因包括作業(yè)人員安全素養(yǎng)差、安全技術(shù)培訓(xùn)不到位、起重機(jī)械維修保養(yǎng)與檢驗(yàn)不及時(shí)、起重設(shè)備本身有缺陷、設(shè)備安裝留下的隱患等[10]。

供電設(shè)施火災(zāi)包括變壓器火災(zāi)、線纜火災(zāi)以及電氣設(shè)備火災(zāi)；觸電傷害則包括電擊和電傷。具有大功率電子槍的裝置常使用絕緣油的變壓器，變壓器油火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙類（閃點(diǎn)約135℃~140℃），高溫、電火花和電弧都會(huì)引燃變壓器以至形成火災(zāi)[11]。電子槍高壓電源是引起高壓電擊的第一類危險(xiǎn)源；高壓電擊的原因包括接地不良、未進(jìn)行安全聯(lián)鎖和等電位連接等。

各工藝功能區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果見(jiàn)表1。其中，特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的主要事故風(fēng)險(xiǎn)為機(jī)械傷害、電離輻射、起重傷害、觸電、火災(zāi)及噪聲。

表1 特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果Table 1 Analysis results of VEBW production system of heavy-gauge plate

2.3 主要事故風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)先危險(xiǎn)性分析

預(yù)先危險(xiǎn)性分析法（Preliminary Hazard Analysis，PHA）主要用于分析、確定生產(chǎn)系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)因素導(dǎo)致事故的觸發(fā)條件、可能性、危險(xiǎn)指數(shù)大小、可接受程度和采取的措施。其目的是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的潛在危險(xiǎn)因素，確定其危險(xiǎn)等級(jí)，提出相應(yīng)的防范措施，防止這些危害因素發(fā)展成為事故。預(yù)先危險(xiǎn)性分析法評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示[12]。根據(jù)事故風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析結(jié)果，特厚板VEBW生產(chǎn)系統(tǒng)主要事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)先危險(xiǎn)性分析的具體內(nèi)容如表3所示，工程項(xiàng)目中常見(jiàn)的起重傷害和觸電傷害在此不做分析。

表2 危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 2 Classification of risk degree

3 事故風(fēng)險(xiǎn)控制的安全技術(shù)措施

3.1 主要的相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

在我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系中，真空電子束焊接最具針對(duì)性的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是《電熱裝置的安全第7部分：對(duì)具有電子槍的裝置的特殊要求》（GB5959.7-2008）和《真空泵安全要求》（GB22360-2008）；機(jī)械加工最具針對(duì)性的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是《機(jī)械工業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)范》（JBJ18-2000）。與特厚板坯電子束焊接相關(guān)的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還包括：GB5959.1《電熱裝置的安全第1部分：通用要求》、GB18871《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》、GB50414《鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》以及GB6067.1、《起重機(jī)械安全規(guī)程第1部分：總則》等。

表3 特厚板VEBW主要事故風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)先危險(xiǎn)性分析Table 3 Result of PHA analysis for main risk types of VEBW production system of heavy-gauge steel plate

3.2 將安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出的原則具體化

目前，項(xiàng)目建設(shè)領(lǐng)域在設(shè)計(jì)、施工時(shí)普遍存在重工藝、輕安全的現(xiàn)象，這與國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)工作的重視日益提高形勢(shì)相悖。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工階段，特別是編寫(xiě)建設(shè)項(xiàng)目初步專篇安全設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將相關(guān)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出的原則落實(shí)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)中，并提出針對(duì)性、具體化的措施，如電子束焊機(jī)冷卻水系統(tǒng)水溫、水箱水位的監(jiān)控；電子槍室被打開(kāi)并接近帶電部件或高壓電纜被斷開(kāi)或被錯(cuò)誤連接或高壓電源外殼打開(kāi)時(shí)電子槍電源應(yīng)被安全聯(lián)鎖切斷等措施以及PHA分析時(shí)提出的主要安全措施。

應(yīng)注意的是，我國(guó)工業(yè)應(yīng)用的真空電子束焊機(jī)多引自電子束技術(shù)研究發(fā)達(dá)的國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)和烏克蘭。技術(shù)引進(jìn)項(xiàng)目同樣應(yīng)符合我國(guó)的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；若相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)缺乏，應(yīng)通過(guò)專家論證，提出必要的防范措施。

3.3 不斷提高關(guān)鍵設(shè)備的本質(zhì)安全水平

真空電子束焊機(jī)無(wú)疑是特厚板真空電子束焊接的關(guān)鍵設(shè)備。目前，真空電子束焊機(jī)安全技術(shù)研究集中在以下方面：高壓電源系統(tǒng)（主要是高壓油箱和電纜）火災(zāi)和高壓觸電防范技術(shù)[16-17]，電子束流的穩(wěn)定控制技術(shù)[18-19]，電離輻射的屏蔽與監(jiān)測(cè)技術(shù)[20-22]，以及抽真空系統(tǒng)的噪聲控制技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇先進(jìn)材料、工程防護(hù)等工作不斷提高真空電子束焊機(jī)系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平，是實(shí)現(xiàn)特厚板真空電子束焊接安全的最有效手段。

4 結(jié)論

特厚板真空電子束焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的主要事故風(fēng)險(xiǎn)為機(jī)械傷害、電離輻射、起重傷害、觸電、火災(zāi)及噪聲，事故產(chǎn)生的原因包括布局不合理、缺乏有效的安全聯(lián)鎖和監(jiān)控措施、安全防護(hù)不到位等。在項(xiàng)目建設(shè)和技術(shù)引進(jìn)時(shí)，將安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出的防范原則具體化是特厚板電子束焊接安全生產(chǎn)的基本保障；不斷提高關(guān)鍵設(shè)備的本質(zhì)安全水平是特厚板電子束焊接安全的最有效手段。同時(shí)，重視安全技術(shù)培訓(xùn)、提高操作人員事故現(xiàn)場(chǎng)處置能力也是實(shí)現(xiàn)特厚板電子束焊接安全生產(chǎn)的重要方面。

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圖8 斷口形貌

（2）標(biāo)準(zhǔn)焊縫的缺口張開(kāi)位移遠(yuǎn)大于含類裂紋缺陷焊縫，前者形成的斷口表面更粗糙。

（3）標(biāo)準(zhǔn)焊縫的尺寸敏感斷裂抗力δm（8）均值為0.127 mm，含類裂紋焊縫的尺寸敏感斷裂抗力δm（8）均值為0.061 mm，且前者數(shù)據(jù)波動(dòng)小。大量殘留銅絲是導(dǎo)致后者斷裂韌度小的主要原因。

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Accident risk and the countermeasures for special thick steel plate production using vacuum electron beam welding

ZHANG Xinfa1，2，GONG Wei1，CAO Shuangfu3
（1.Liaoning Academy of Safety Science，Shenyang 110004，China；2.School of Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China；3.Safety and Environmental Protection Department of Ansteel Bayuquan Steel division，Yingkou 115000，China）

The technology of vacuum electron beam welding(VEBW)shows great advantage in producing special thick steel plate that is a type of promising material in some engineering fields.To ensure safety in pilot and industrial production is of significant importance in application of VEBW for heavy-gauge steel plate production.The accident risk identification and analysis is carried out and the result indicates that main accident risk of heavy-gauge steel plate production system are machinery injury，ionizing radiation，fire，crane injury accident，electric shock and noise hazard.Also，the main accident risk of this production system is analyzed using PHA.Concretizing and specializing principles of the relevant safety codes，and continuously enhancing intrinsic safety level of the production equipment are effective means for preventing and controlling accident risk in heavy-gauge steel plate production using VEBW.

special thick steel plate；VEBW；risk；precautions

TG456.3

B

1001－2303（2017）02－0113-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.23

2016-04-21；

2017-01-23

張新法（1982—），男，山東曹縣人，工程師，在讀博士，主要從事冶金安全生產(chǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及安全培訓(xùn)工作。

獻(xiàn)

張新法，龔偉，曹瀧福.VEBW技術(shù)生產(chǎn)特厚板的事故風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：113-118.