基于HAZOP-偏離度的TATB自動(dòng)化壓裝成型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

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(diǎn)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(jìn)劑及民用爆破等領(lǐng)域[2]。在應(yīng)用TATB炸藥時(shí),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(duì)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(dòng)、變形、晶體顆粒破碎等一系列復(fù)雜作用后,也會(huì)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(jì)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(dòng)化壓裝成型工藝鮮有系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估研究。因此,筆者將危險(xiǎn)與可操作性分析(hazard and operability study,HAZOP)定性評(píng)估方法與偏離度定量方法應(yīng)用于TATB自動(dòng)化壓裝成型工藝,對(duì)工藝進(jìn)行系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,識(shí)別工藝過程中的各種風(fēng)險(xiǎn),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(xiǎn)分析研究中,一般是先進(jìn)行HAZOP分析,然后對(duì)HAZOP分析中“偏差”的偏離程度應(yīng)用偏離度進(jìn)行定量表達(dá)。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(jì)算模型,并對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)過程中的技術(shù)偏差進(jìn)行分析,進(jìn)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(diǎn)偏離度計(jì)算模型,對(duì)某瓦斯隧道出口施工通風(fēng)階段進(jìn)行了偏離度等級(jí)劃分;邱澤陽等[8]利用HAZOP篩選有效指標(biāo),通過AHP計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,建立了離心壓縮機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)某壓氣站離心式壓縮機(jī)組的即時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估;孫藝博等[9]采用節(jié)點(diǎn)跨越和節(jié)點(diǎn)功能偏離等2種引導(dǎo)詞確定偏差,運(yùn)用節(jié)點(diǎn)功能、偏離措施偏離度計(jì)算模型計(jì)算偏離度,對(duì)輸氣站降壓排污作業(yè)過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

筆者在對(duì)以往的HAZOP-偏離度研究分析總結(jié)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行改進(jìn)拓展,建立適用于分析炸藥自動(dòng)化壓裝工藝的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,將其應(yīng)用于TATB自動(dòng)化壓裝成型領(lǐng)域。

1 TATB自動(dòng)化壓裝成型工藝概述

本文中所分析的TATB自動(dòng)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(jìn)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(duì)高壓容器中的試樣從各個(gè)方向進(jìn)行均勻加壓,從而將藥粉壓制成具有固定形狀的密實(shí)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(dòng)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(dòng)化壓裝成型工藝的關(guān)鍵問題[10]。

2 壓裝工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1 HAZOP方法

HAZOP是1974年英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司針對(duì)化工裝置開發(fā)的一種系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。其基本過程是從實(shí)際工藝節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)出發(fā),運(yùn)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(diǎn);② 確定偏差;③ 找出原因、后果并確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);④ 提出建議措施。

2.2 偏離度

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

2.2.1參數(shù)偏離度r1

在計(jì)算偏離度時(shí),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(jì)算模型為

(1)

式(1)中:A為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值;X為實(shí)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(jí)設(shè)置為低(v1)、較低(v2)、中等(v3)、較高(v4)、高(v5)等5級(jí),即建立評(píng)價(jià)集為:V=(v1,v2,v3,v4,v5),其中參數(shù)對(duì)應(yīng)各等級(jí)的隸屬度由專家評(píng)價(jià)法確定。

評(píng)價(jià)集滿足:

(2)

步驟2評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)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(píng)價(jià)集具有一定的模糊性,把各等級(jí)以百分制分為5個(gè)區(qū)間,分值越高偏離度等級(jí)越大,如表1所示。

表1 偏離度等級(jí)分值分布

設(shè)等級(jí)評(píng)價(jià)集中各等級(jí)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(duì)策措施偏離度r2

在壓裝過程中,壓裝系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高,具有高效率高精度等優(yōu)勢(shì),但機(jī)器具備有限的可靠性、柔性與邏輯推理能力,往往也會(huì)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(shí),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(shí)采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策措施,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(xiǎn)水平[9],有必要對(duì)對(duì)策措施進(jìn)行偏離度分析。

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

圖2 對(duì)策措施偏離度計(jì)算指標(biāo)體系

計(jì)算體系中U1～U3指標(biāo)的權(quán)重通過專家評(píng)價(jià)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(jìn)方法,該方法克服了在遇到因素眾多、規(guī)模較大的問題時(shí)容易出現(xiàn)判斷矩陣難以滿足一致性要求的問題,且計(jì)算過程較為簡(jiǎn)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(píng)價(jià)意見確定。

表2 控制措施偏離度對(duì)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(jì)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(duì)策措施偏離度r2進(jìn)行耦合,其計(jì)算模型為

(6)

式(6)中:r1為參數(shù)偏離度;r2為對(duì)策措施偏離度;φ為修正因子,其值根據(jù)工藝的危險(xiǎn)性進(jìn)行確定,本文中采用改進(jìn)的日本六階段安全評(píng)價(jià)法中的工藝危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)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(xiǎn)等級(jí),再對(duì)照表3并結(jié)合專家意見確定φ值。

表3 工藝風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)φ值對(duì)應(yīng)關(guān)系

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

3 應(yīng)用與結(jié)果

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

在TATB的自動(dòng)化壓裝成型動(dòng)態(tài)過程中,如果任取一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),對(duì)工藝的工作參數(shù)進(jìn)行HAZOP-偏離度分析,則系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于偏離度較小狀態(tài),即正常運(yùn)行狀態(tài)。為了分析系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)突發(fā)事故時(shí)的后果及嚴(yán)重程度,以下定量分析主要針對(duì)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)偏差時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)水平,以風(fēng)險(xiǎn)分析的角度去考量節(jié)點(diǎn)的偏離度水平。

以“含有雜質(zhì)”該偏差為例進(jìn)行偏離度分析計(jì)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(guó)關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書》及相關(guān)測(cè)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(xiǎn)程度最大的物質(zhì))得分等級(jí)為B級(jí);介質(zhì)毒性、溫度等級(jí)皆為D級(jí);壓力300 MPa,為A級(jí);操作屬于C級(jí)中的間歇操作,但開始使用機(jī)械等手段進(jìn)行程序操作,則上述5個(gè)項(xiàng)目的總評(píng)分為17分,危險(xiǎn)程度屬于Ⅰ等級(jí),根據(jù)表3與專家評(píng)價(jià)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(jì)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(diǎn)偏差按表格順序編號(hào)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(xiǎn)越高,圖3直觀地反映了各節(jié)點(diǎn)偏差的風(fēng)險(xiǎn)水平。

圖3 節(jié)點(diǎn)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(xiàng),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(duì)來說較高。

圖3曲線中,在編號(hào)5處出現(xiàn)極端凸起,表明偏差5“規(guī)定時(shí)間內(nèi)真空度未達(dá)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(shí)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(duì)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(diǎn)中,“壓制”節(jié)點(diǎn)的偏差種類最多且總體偏離度較高,是整個(gè)工藝的事故多發(fā)區(qū),應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)控與管理。

4 結(jié)論

1) 本文將HAZOP-偏離度法運(yùn)用于TATB自動(dòng)化壓裝成型系統(tǒng)的安全評(píng)估研究中,根據(jù)壓裝工藝的實(shí)際情況劃分了8個(gè)節(jié)點(diǎn),確定了13個(gè)偏差。對(duì)各偏差進(jìn)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(píng)估。

2) 根據(jù)壓裝自動(dòng)化工藝特征,建立了參數(shù)偏離度計(jì)算模型與對(duì)策措施偏離度計(jì)算指標(biāo)體系,在對(duì)策措施偏離度計(jì)算指標(biāo)體系中,權(quán)重的確定引入相比AHP法更科學(xué)、計(jì)算更簡(jiǎn)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(duì)系統(tǒng)的安全狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估跟蹤,實(shí)時(shí)掌握各生產(chǎn)參數(shù)的偏離狀態(tài),及時(shí)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。