淺析起爆具自動化生產(chǎn)工藝設備安全風險及對策措施

郭建瑞

(山西壺化集團金星化工有限公司,山西 長治 047300)

0 引言

起爆具作為一種工業(yè)炸藥制品類爆破器材,一般采用梯黑(或梯太)熔注工藝生產(chǎn)而成,具有感度適中、起爆性能好、使用安全可靠等特點,廣泛應用于各類中深孔礦山爆破工程,尤其適用于無雷管感度的現(xiàn)場混裝炸藥爆破作業(yè),有利于提高爆破效果[1]。

近年來,在國家民爆行業(yè)產(chǎn)業(yè)政策的推動下,爆破現(xiàn)場低感度混裝炸藥的使用比例逐年增加,起爆具作為一種現(xiàn)場混裝無雷管感度炸藥的重要起爆源,市場需求也越來越大。 為滿足起爆具市場需求,各生產(chǎn)企業(yè)投入大量資金,研究自動化生產(chǎn)工藝技術設備,使起爆具自動化生產(chǎn)工藝技術、關鍵設備、產(chǎn)品的質(zhì)量性能得到快速提升。 由于起爆具生產(chǎn)的主要原材料為單質(zhì)猛炸藥,且生產(chǎn)工房計算藥量以噸級計算,其危險感度和爆炸當量明顯高于普通工業(yè)炸藥,因此,起爆具自動化生產(chǎn)工藝技術及設備的安全性更加被關注和重視[2]。 筆者針對起爆具自動化生產(chǎn)工藝技術設備的安全風險進行分析,并就提高起爆具安全性的對策措施進行探討。

1 起爆具生產(chǎn)安全風險分析

1.1 炸藥爆炸機理

炸藥根據(jù)微觀結(jié)構形態(tài)分為均質(zhì)炸藥和非均質(zhì)炸藥。 均質(zhì)炸藥的起爆過程用熱爆炸理論解釋為:外界能量作用于炸藥后,首先受到能量激發(fā)作用的一層炸藥整體被加熱,發(fā)生爆轟化學反應,爆轟化學反應產(chǎn)生的能量推動未被激發(fā)的炸藥以爆轟化學反應波的形式向前傳播,直至形成穩(wěn)定的爆轟過程[3]。

非均質(zhì)炸藥和均質(zhì)炸藥的起爆過程有很大區(qū)別。 一般認為,非均質(zhì)炸藥在外界能量作用(撞擊、摩擦、擠壓等)下,機械能轉(zhuǎn)化為熱能,熱能并不是在均勻作用下平均加熱,只是在炸藥局部區(qū)域(空穴、空隙、雜質(zhì)等)加熱,該部分溫度大大高于平均溫度,從而局部形成熱點,首先在熱點部分燃燒,從而激發(fā)熱點附近的炸藥晶粒發(fā)生化學反應,反應所釋放的能量以熱點為中心迅速擴展,使更多的炸藥卷入化學反應,更多的能量放出,最后演變?yōu)榉€(wěn)定爆轟反應。 筆者所述起爆具的主要成分為梯黑混合藥,是由兩種不同性質(zhì)的單質(zhì)炸藥經(jīng)熔混工藝制成,屬于一種非均質(zhì)炸藥。

1.2 起爆具自動化生產(chǎn)工藝及設備

1.2.1 生產(chǎn)工藝流程

原料經(jīng)篩檢計量后,通過加料輸送系統(tǒng)加入指定物料罐,其中,梯恩梯在熔化罐熔化后自動流入混合罐內(nèi),黑索金或太安通過振動裝置加入混合罐內(nèi)混藥。 混合好的藥液流入注藥機內(nèi),注藥工位信號開關檢測到組裝好的模具板到位后,開始注藥,藥液液位達到程序設定數(shù)值,關閉注藥閥完成注藥。 完成注藥的起爆具半成品通過振動、常溫、冷風護理后輸送到退模工位進行卸冒口、退模、貼標,再輸送至包裝工序進行檢測包裝。 具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 起爆具自動化生產(chǎn)工藝流程

1.2.2 主要生產(chǎn)設備及自動控制系統(tǒng)

熔化、混合、注藥系統(tǒng)生產(chǎn)設備為起爆具生產(chǎn)線的關鍵設備,一般分為3 層布置:頂層布置有梯恩梯熔化罐、黑索金料倉,用于TNT 熔化及黑索金加料暫存;中層布置混合罐,用于TNT 與固相組分的混合;底層布置注藥系統(tǒng),用于藥液的定量澆注。 倍速鏈自動輸送、護理、退模及輔助系統(tǒng)等全部布置于地面,用于起爆具的輸送、護理和退模等。

控制系統(tǒng)采用大容量可編程控制器為主導控制器件,具有檢測、顯示、記錄工藝參數(shù),現(xiàn)場和遠距離調(diào)控,超限安全連鎖等功能。 控制操作臺顯示溫度、轉(zhuǎn)速、液位等關鍵工藝參數(shù)[4]。

1.3 起爆具生產(chǎn)線安全風險分析

起爆具生產(chǎn)工藝技術相對其他民爆產(chǎn)品而言,具有工藝流程短、設備相對簡單等特點,結(jié)合連續(xù)自動化熔注藥生產(chǎn)工藝和民爆行業(yè)對安全生產(chǎn)的要求,起爆具生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的安全風險主要表現(xiàn)為以下3 個方面。

1.3.1 原材料安全風險

該環(huán)節(jié)安全風險包括以下因素:

1)入廠檢驗控制不嚴,導致固體物料細度不達標。 原料梯恩梯鱗片狀大小對熔化過程安全性影響不大,而固體黑索金粉末細度指標控制不好會對物料混合過程產(chǎn)生影響:粒度太細,在混合罐微負壓的環(huán)境中,會有一定量的黑索金粉末被吸入排風除塵管道而沉積在管道內(nèi)壁,既造成藥粉浪費,又造成新的安全隱患;粒度太粗,注藥后護理過程固體物料容易產(chǎn)生沉淀分層,導致起爆具藥體上下層密度不均勻,影響起爆具爆炸性能,在爆破工程中可能發(fā)生起爆具爆燃事故,增加現(xiàn)場處理盲炮的風險。

2)上料過程篩檢剔除工作不細致,導致雜質(zhì)混入原料后流入熔化罐。 生產(chǎn)起爆具時主要危險性原材料為鱗片狀梯恩梯和粉末狀黑索金(或太安)。 梯恩梯包裝形式一般為內(nèi)襯牛皮紙袋、聚乙烯塑料袋、外套編織袋用棉線繩封口。 黑索金包裝形式主要有木箱和人造木纖維圓桶,內(nèi)襯牛皮紙袋、聚乙烯塑料袋用棉布條扎口,外包裝用直徑為0.5 mm 鋼絲鉛封。 若在上料過程篩檢剔除環(huán)節(jié)出現(xiàn)工作疏忽,原材料在上料過程中可能混入金屬或棱角狀雜質(zhì),或?qū)b鉛封及鋼絲混入熔化罐和混合罐,在物料混合過程中,外來雜質(zhì)與攪拌葉片發(fā)生碰撞、摩擦,嚴重時產(chǎn)生火花和熱積累,可誘發(fā)物料燃燒、爆炸。

1.3.2 主要生產(chǎn)設備安全風險

1)熔化罐、混合罐及工藝管路

當熔化罐采用盤管式熱水加熱時,熔化效率低,且易造成梯恩梯局部堆積,存在重復加熱的安全隱患。

過熱水供熱系統(tǒng)控制措施不完善或運行中出現(xiàn)故障,熔化罐內(nèi)熔化后梯恩梯物料存在超溫及混合罐混合的梯黑藥液物料存在低溫、超溫失控的安全風險。

物料混合過程中,沒有嚴格按照操作規(guī)程規(guī)定的加料速度和混合時間加入固體物料,導致部分固體粉末無法被TNT 液體充分包覆;注藥過程注藥閥開關動作對固體粉末顆粒產(chǎn)生摩擦擠壓;藥液溫度降低至接近或低于凝固點,藥液處于似凝非凝黏稠狀態(tài),攪拌葉片轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生較大黏滯力和摩擦作用,在攪拌過載聯(lián)鎖失效情況下,存在超溫、摩擦,易引發(fā)燃燒、爆炸風險[5]。

設備維護保養(yǎng)不到位,運行期間攪拌葉片超過疲勞和極限強度,葉片損傷變形或脫落,與罐體底部或側(cè)壁間隙縮小,葉片攪拌時與物料摩擦擠壓發(fā)生危險。 罐體之間物料輸送工藝管路上設有放料閥門,當管路保溫措施失效,梯恩梯易結(jié)晶,導致放料閥門開關時,閥片對閥體內(nèi)壁黏附的凝固危險物料擠壓摩擦,存在燃燒、爆炸風險。 罐體設備排風除塵管路呈樹狀網(wǎng)絡布置,沉積在網(wǎng)絡管路內(nèi)壁的藥塵在外界能量激發(fā)下發(fā)生局部燃燒后,存在管路間燃燒反應互相串通導致危險擴大風險。

2)注藥罐

采用上展型注藥閥,閥墊發(fā)生老化破損,開關時閥芯與閥體產(chǎn)生金屬摩擦,作用于殘留凝固藥體,存在燃燒爆炸風險。

采用稱重注藥模式計量,電子稱重裝置需要舉升脫離模具板后,方可讀取稱量數(shù)據(jù),由于舉升裝置和產(chǎn)品模具底部接觸面積過小,加上注藥稱重裝置舉升過程對模具板剮蹭作用,產(chǎn)品容易傾倒,藥液外灑,污染現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境,增加殘藥清掃難度和危險性,同時降低生產(chǎn)效率。

1.3.3 生產(chǎn)工藝過程風險

起爆具自動化二次熔注工藝遵循傳統(tǒng)手工澆注工藝特點設計,通過自動二次補注的作業(yè)方式既保證產(chǎn)品質(zhì)量,又不產(chǎn)生冒口等工藝余料,但需增設一套獨立式熔注設備,使得工藝設備布置較為復雜,同時增加了在線藥量、管理難度和危險性。

生產(chǎn)過程控制不嚴格,關鍵工序溫度、轉(zhuǎn)速、加料速度、護理時間等工藝參數(shù)失控,影響生產(chǎn)工藝過程安全;塊狀工藝余料直接投入混合罐內(nèi),存在攪拌葉片與固體物料摩擦撞擊的風險。

2 安全對策措施

起爆具生產(chǎn)過程中的風險和安全隱患來自原材料、生產(chǎn)設備及工藝控制過程的各個環(huán)節(jié),因此,必須高度重視和加強全方位、全過程的安全控制與保障措施,強化全員風險意識,做到安全關口前移,從安全技術和組織管理等多角度提升本質(zhì)安全生產(chǎn)水平。

2.1 原材料控制措施

嚴格原材料進貨質(zhì)量控制和入廠檢驗,加強固體粉末物料細度指標的抽查檢驗,避免細度超標給生產(chǎn)和使用造成隱患,并兼顧生產(chǎn)安全與產(chǎn)品質(zhì)量的平衡。 加強原料中的雜質(zhì)處置工作,借助人工篩檢、磁吸附、熔化、注藥過濾裝置等方式和技術手段保證原材料的質(zhì)量,防止雜質(zhì)混入。

2.2 主要生產(chǎn)設備控制措施

2.2.1 熔化罐、混合罐及工藝管路

目前,熔化罐多采用V 字形格柵式加熱結(jié)構,格柵懸空在熔化罐的中下部位置,增加了換熱面積,避免采用罐體周邊盤管加熱式熔化設備,消除重復加熱,提高熔化效率,減少梯恩梯蒸氣蒸發(fā),實現(xiàn)了物料即熔即流。

完善熔混設備安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng),實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實時報警與故障自診斷功能。 當熔化罐熱水上水溫度超過工藝溫度上限,系統(tǒng)發(fā)出聲光報警;超過極限溫度,系統(tǒng)自動停止熱水泵,并啟動設備內(nèi)置消防水。 當混合罐物料溫度超過工藝溫度上限,系統(tǒng)發(fā)出聲光報警;超過極限溫度,系統(tǒng)自動停止熱水泵,并啟動設備內(nèi)置消防水;物料溫度低于工藝溫度一定梯度,固體物料停止振動加料,當物料溫度升至工藝溫度范圍內(nèi),固體物料重新啟動開始加料;當物料溫度降至凝固點以上一定梯度,停止攪拌。 通過設定加料裝置振動頻率,控制固體物料加料速度,嚴禁快速大量添加固體物料,造成藥液混合不均勻從而出現(xiàn)“干球”現(xiàn)象。 設備出現(xiàn)故障,人機界面窗口會彈出故障報警信息和故障特性,為技術人員處置故障提供參考。

在保證藥液混合均勻前提下,盡量降低攪拌轉(zhuǎn)速;在混合罐攪拌主軸安設振動測試儀,隨時監(jiān)測主軸運行情況,發(fā)生葉片損傷變形或脫落,攪拌運行失衡超限,系統(tǒng)發(fā)出聲光報警;設置攪拌電機過載報警,實現(xiàn)攪拌出現(xiàn)異常的雙重保護。

罐體之間工藝管路上進行無閥設計,實現(xiàn)熔化物料無障礙輸送,工藝管路無死角、無積料,徹底消除管路閥門開關時,閥片對閥體內(nèi)壁黏附的凝固危險物料的擠壓摩擦作用,物料輸送環(huán)節(jié)的安全性得到保障。 在單臺罐體設備排風除塵管道上設置獨立管道隔爆器,有效降低通風管道之間藥塵殉爆風險。

2.2.2 注藥罐

放料閥和注藥閥采用保溫夾管閥,通過氣動元件控制夾管閥內(nèi)氟橡膠雙曲線閥管的開關,實現(xiàn)注藥過程無金屬擠壓剪切作用,并設計為易于更換的快接結(jié)構,便于維修;注藥閥外加集中熱水保溫夾套防止注藥過程中物料結(jié)晶堵料。 該注藥結(jié)構消除了上展注藥閥在開關時金屬閥芯上下移動時對物料產(chǎn)生擠壓摩擦的安全隱患,提高了注藥過程的安全性。

注藥計量部分采用超聲波液位檢測計量模式,通過精準控制冒口液位實現(xiàn)定量注藥。 注藥時產(chǎn)品模具底座被嵌套在輸送板定位坑內(nèi),產(chǎn)品在注藥及輸送過程中非常穩(wěn)定,注藥計量精度高,克服了稱重注藥模式產(chǎn)品在舉升過程容易傾倒和藥液四處飛濺的缺陷,減少了清理殘藥的頻次,消除了安全隱患。

健全關鍵設備維護保養(yǎng)管理制度,強化日常維護保養(yǎng),并重點關注閥門及傳動部件的運行狀況,對存在漏藥、聯(lián)鎖控制失效、設備及管道內(nèi)藥料結(jié)晶等問題必須定期及時逐項排查,做到工藝設備生產(chǎn)運行穩(wěn)定、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)有效可靠、設備及管道內(nèi)外始終處于清潔狀態(tài)。

2.3 工藝過程控制措施

通過優(yōu)化工藝設計,采用一次自動澆注工藝,配套專用保溫冒口,可有效避免產(chǎn)生縮孔、裂紋等產(chǎn)品質(zhì)量問題,簡化生產(chǎn)工藝,減少危險因素和潛在危險點,提高生產(chǎn)工藝安全可控性,實現(xiàn)安全、質(zhì)量與效率平衡統(tǒng)一。

生產(chǎn)工藝過程控制不放松,嚴格監(jiān)控關鍵工序的溫度、轉(zhuǎn)速、加料速度、護理時間等工藝參數(shù),使其始終處于合理范圍之內(nèi),一旦超限,立即采取糾偏措施予以糾正;塊狀工藝余料嚴禁直接投入混合罐內(nèi),必須通過專用熔化設備熔化后再放入混合罐內(nèi)使用。

3 結(jié)語

通過分析,起爆具自動化生產(chǎn)工藝設備安全風險有以下幾方面:原料入廠檢驗把關不嚴導致固體物料細度超標;物料篩檢操作不仔細導致雜質(zhì)混入混合罐;熔化罐盤管式加熱結(jié)構使物料重復加熱;加料速度過快導致藥液混合不均勻;混合罐攪拌結(jié)構設計和制作加工質(zhì)量問題使攪拌葉片過早疲勞變形;罐體之間工藝管路閥門和上展注藥閥開關對物料結(jié)晶摩擦;稱重模式計量增加工藝控制和殘藥清理難度;排風網(wǎng)絡管路內(nèi)藥塵集聚互相串通風險;工藝設計缺陷和過程控制不嚴格;安全聯(lián)鎖參數(shù)設置不合理或出現(xiàn)故障導致工藝參數(shù)失控等。

針對此安全風險,可通過采取以下幾方面對策措施,將起爆具生產(chǎn)過程存在的安全性風險降低,使生產(chǎn)安全始終處于可控狀態(tài),從而實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的。

1)嚴格控制原材料入廠檢驗,確保每批原材料特性符合工藝規(guī)定的技術指標要求;完善安全操作規(guī)程和生產(chǎn)過程控制規(guī)范,做到現(xiàn)場操作有章可依,規(guī)范操作,避免操作隨意性引發(fā)的安全風險。

2)應重點關注熔注系統(tǒng)關鍵生產(chǎn)設備的安全特性,包括:定期檢查固體物料添加裝置運行可靠性,攪拌裝置軸承密封和葉片的耐用性,強制對注藥閥和液位檢測傳感器維護更換,低溫、超溫及過載安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)定期驗證,定期清掃排風管路藥塵等。

3)生產(chǎn)線選用的工藝技術路線應簡單有效,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全與效率的有機統(tǒng)一,既提高安全性,又能帶來經(jīng)濟和社會效益。