3D打印行業(yè)火災(zāi)爆炸事故及安全措施研究

摘要：

3D打印技術(shù)作為制造業(yè)的新興力量，在金屬加工、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印生產(chǎn)中的安全問題也日益凸顯，尤其是火災(zāi)和爆炸事故。本文通過分析3D打印生產(chǎn)過程中存在的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)因素，并提出相應(yīng)的安全措施，旨在為3D打印行業(yè)在投產(chǎn)及生產(chǎn)過程中的安全提供參考。

關(guān)鍵詞：3D打??；火災(zāi)和爆炸；安全措施

引言

我國3D打印技術(shù)的研究工作開始于20世紀(jì)90年代。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)升溫，3D打印新建項(xiàng)目在我國陸續(xù)投產(chǎn)[1]。由于是新興行業(yè)，企業(yè)在新建過程中忽略了前期對(duì)于防火、防爆方面的安全設(shè)計(jì)，盲目投資上新。一方面，項(xiàng)目本身存在設(shè)計(jì)缺陷影響企業(yè)生產(chǎn)安全；另一方面，對(duì)后期安全生產(chǎn)改造帶來了許多人力物力上的浪費(fèi)，不利于企業(yè)發(fā)展。比較典型的3D打印行業(yè)火災(zāi)、爆炸事故是2023年9月14日發(fā)生在上海的某公司粉塵爆燃事故。事故調(diào)查表明，作業(yè)人員在更換濾筒除塵器濾芯過程中，未按規(guī)定操作，對(duì)濾芯進(jìn)行了濕化處理，導(dǎo)致水與鋁合金粉塵接觸產(chǎn)生氫氣，進(jìn)而引發(fā)爆燃，導(dǎo)致多人傷亡。本文從現(xiàn)有3D打印生產(chǎn)工藝特點(diǎn)入手，分析3D打印生產(chǎn)過程中存在的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)、有害因素，并提出相應(yīng)的措施，以指導(dǎo)后續(xù)3D打印企業(yè)的投產(chǎn)和安全生產(chǎn)。

一、3D打印生產(chǎn)過程中的危險(xiǎn)因素分析

3D打印一般包括上料、打印、清洗、回收、噴砂、調(diào)漆、噴漆、烘干等工藝過程，下面分別以樹脂打印件及金屬打印件工藝為例，流程圖如圖1、圖2。

在以上兩個(gè)不同的3D打印過程中，清洗、溶劑蒸餾回收、噴底（面）漆、上料燒結(jié)、清粉、打磨等過程中均涉及易燃易爆物質(zhì)，存在火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

（一）活潑金屬粉塵

在金屬粉末激光燒結(jié)3D打印技術(shù)中，通過吸料機(jī)將鋁粉或者鈦粉送入SLA設(shè)備中，在輸送過程中存在金屬粉末[2]。此外，清粉、打磨工藝同樣存在這些金屬粉末，并且這些工藝過程中產(chǎn)生的金屬粉塵需要除塵裝置收集。這些金屬粉塵粒徑通常為幾十微米，極易拋灑在空氣中，當(dāng)具備粉塵爆炸五要素時(shí)即可發(fā)生粉塵爆炸事故，粉塵爆炸五要素如圖3。此外，鋁粉屬于易制爆危險(xiǎn)化學(xué)品。鋁本身不屬于爆炸品，但是可以作為原料或輔料制成爆炸品。

（二）其他可燃爆粉塵

塑粉等燃爆粉塵雖沒有活潑金屬粉末的火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)性強(qiáng)，但同活潑金屬一樣，燃爆性符合粉塵爆炸五要素原理。

（三）易燃易爆液體

3D打印在后期處理中涉及到清洗劑、油漆、稀料、固化劑等危險(xiǎn)化學(xué)品的使用。這些危險(xiǎn)化學(xué)品均為易燃易爆液體物質(zhì)。易燃液體大多數(shù)是有機(jī)化合物，分子組成中含有碳原子和氫原子，易和氧反應(yīng)而燃燒。大多數(shù)有機(jī)物的導(dǎo)電率極小，在流動(dòng)、晃動(dòng)時(shí)容易積聚靜電，靜電放電產(chǎn)生的電火花極易引起燃燒。

易燃液體揮發(fā)性大，揮發(fā)出來的易燃蒸氣與空氣混合，濃度達(dá)到一定范圍，遇明火或火花即可引起爆炸。另外，易燃液體的黏度一般都很小，不僅本身極易流動(dòng)，還因浸潤、毛細(xì)現(xiàn)象等作用，即使容器有極細(xì)微的裂紋，易燃液體也能滲出容器[3]，擴(kuò)大表面積，并源源不斷揮發(fā)，使空氣中易燃蒸氣濃度增大，從而增加了火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

（四）其他可燃物質(zhì)

水性漆、潤滑油、液壓油等均為可燃物，遇明火等可能引起火災(zāi)。

二、3D打印生產(chǎn)安全措施

生產(chǎn)安全措施一般分為安全技術(shù)措施和安全管理措施[4]。其中，防火防爆技術(shù)措施通過三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：防止可燃可爆系統(tǒng)形成；可燃可爆系統(tǒng)不可避免形成后，消除點(diǎn)火源；一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸，阻止、限制事故蔓延，減少事故帶來的損失。

（一）防止易燃易爆系統(tǒng)形成

在3D打印的燒結(jié)、清理、打磨等過程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)行定期清掃。除塵系統(tǒng)采用負(fù)壓除塵方式，卸灰裝置采取鎖氣卸灰裝置，從而避免粉塵云的產(chǎn)生。除塵系統(tǒng)的輸送管道采用圓形，禁止采用巷道式除塵風(fēng)道，避免燃爆粉塵在輸送系統(tǒng)的聚集和粉塵云的產(chǎn)生。在3D打印調(diào)漆、噴涂、清洗、溶劑回收等涉及到易燃易爆液體使用的相關(guān)工段，通?？紤]采用可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警裝置與通風(fēng)裝置之間的聯(lián)鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限的1/5及以上，即發(fā)出聲光報(bào)警并聯(lián)動(dòng)通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行通風(fēng)，通過降低可燃?xì)怏w濃度來防止可燃可爆系統(tǒng)的形成。

（二）消除點(diǎn)火源

根據(jù)3D打印的特點(diǎn)，主要點(diǎn)火源有明火、摩擦和撞擊、電氣設(shè)備及線路、靜電、高溫和雷電放電等。這些點(diǎn)火源一旦遇到已經(jīng)形成的易燃易爆系統(tǒng)，立即成為引燃/爆源，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。明火主要來自生產(chǎn)過程中加熱用火、維修焊接用火及其他火源（如燃油車火花、作業(yè)人員吸煙等）。維修焊接用火過程中應(yīng)采用清洗置換，控制現(xiàn)場(chǎng)易燃?xì)怏w濃度，杜絕易燃易爆系統(tǒng)形成。摩擦和撞擊產(chǎn)生的火源可以通過使用銅制品、木制品代替鐵制品。禁止作業(yè)人員穿釘鞋，禁止在搬運(yùn)金屬容器時(shí)在地面上滾動(dòng)、拖拉或拋擲等。普通電氣設(shè)備和線路在使用過程中會(huì)產(chǎn)生引燃源的火花、電弧或危險(xiǎn)溫度。因此，在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域（0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)及20區(qū)）應(yīng)采用防爆電氣設(shè)備和線路。同時(shí)，要根據(jù)爆炸環(huán)境特點(diǎn)選擇合適的防爆設(shè)備類型及線路敷設(shè)的方式、導(dǎo)線材料選擇等[5]。防雷主要通過防雷裝置實(shí)現(xiàn)直接雷、二次放電、感應(yīng)雷、雷電沖擊波、電涌等的防護(hù)[6]。生產(chǎn)場(chǎng)所靜電主要通過靜電釋放裝置、流速控制、濕度控制及靜電接地實(shí)現(xiàn)。金屬粉塵輸送管道（包括除塵系統(tǒng)管道）在輸送過程中必然會(huì)產(chǎn)生靜電，這些靜電不斷聚集會(huì)發(fā)生靜電放電。因此，管道連接處應(yīng)跨接，管道應(yīng)接地以去靜電。

（三）減小或消除事故危害

為防止火災(zāi)爆炸的發(fā)生，阻止其擴(kuò)大和減小破壞，通常采用防火分區(qū)的形式來實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為3D打印企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域多為丙類火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)。噴漆（油性漆）、調(diào)漆等工段屬于甲乙類火災(zāi)危險(xiǎn)性工段。因此，為保證整體生產(chǎn)區(qū)域丙類火災(zāi)危險(xiǎn)性，在設(shè)置防火分區(qū)時(shí)應(yīng)考慮危險(xiǎn)工段區(qū)域面積的大小。應(yīng)保證火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的防火分區(qū)總面積小于所在樓層面積的5%。同時(shí)，噴漆間、調(diào)漆間、清洗間、?；分虚g倉庫等防火分區(qū)分隔采用防火墻和耐火極限不低于1.50h的不燃性樓板與其他生產(chǎn)部位分隔，而防火門應(yīng)采用可向外開啟的防火門。

在干式除塵系統(tǒng)中，每一個(gè)防火分區(qū)的設(shè)施都是獨(dú)立的，不允許不同防火分區(qū)共用一套除塵設(shè)施。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置火花探測(cè)器及消除火花設(shè)施。此外，為減少粉塵爆炸傳播至生產(chǎn)區(qū)域，除塵系統(tǒng)采用泄爆、惰化或者抑爆，在生產(chǎn)區(qū)域與除塵系統(tǒng)之間的輸送管道安裝隔爆閥，以減少對(duì)生產(chǎn)區(qū)域的影響、考慮3D打印生產(chǎn)過程的火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙類，建議占地面積大于1500㎡或總建筑面積大于3000m2的單、多層廠房，考慮設(shè)置自動(dòng)噴水系統(tǒng)[7]。活潑金屬粉塵屬于D類火災(zāi)，一般的干粉滅火器并不能將其熄滅。因此，在生產(chǎn)過程中涉及到金屬粉塵火災(zāi)的區(qū)域應(yīng)設(shè)置D類干粉滅火器。

（四）安全管理

防火防爆技術(shù)固然重要，安全管理應(yīng)貫穿于安全技術(shù)的方方面面。在企業(yè)投入初期，企業(yè)應(yīng)按照安全設(shè)施“三同時(shí)”的要求，做好前期規(guī)劃，與技術(shù)相關(guān)方充分交流，辨識(shí)出未來投產(chǎn)后可能存在的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，根據(jù)辨識(shí)結(jié)果采取相應(yīng)措施。切不可盲目投產(chǎn)，使項(xiàng)目存在諸多隱患，影響后期企業(yè)發(fā)展。

各級(jí)人員的安全生產(chǎn)責(zé)任制應(yīng)包括危險(xiǎn)化學(xué)品安全責(zé)任制；在企業(yè)安全生產(chǎn)資金投入中，應(yīng)有對(duì)各類安全附件檢測(cè)的費(fèi)用、各類安全設(shè)施的檢維修費(fèi)用等；在安全生產(chǎn)規(guī)章制度中，應(yīng)制定單位粉塵清掃制度、危險(xiǎn)化學(xué)品管理制度及防火防爆制度等。在教育培訓(xùn)中，應(yīng)體現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品及粉塵爆炸相關(guān)的安全培訓(xùn)內(nèi)容，強(qiáng)化作業(yè)人員的防火防爆意識(shí)。應(yīng)急預(yù)案及演練應(yīng)體現(xiàn)在不同火災(zāi)、爆炸情況下逃生及處置的要點(diǎn)等。

結(jié)語

3D打印企業(yè)在生產(chǎn)過程中存在火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)。3D打印企業(yè)應(yīng)在項(xiàng)目初期以“預(yù)防為主”的方針為指導(dǎo)進(jìn)行投產(chǎn)。通過建立健全責(zé)任制、制定規(guī)章制度、開展安全教育和培訓(xùn)、建立雙重預(yù)防工作機(jī)制、開展應(yīng)急演練等一系列安全管理措施，從技術(shù)與管理層面雙管齊下，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國計(jì)劃出版社，GB50057-2010.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑防火通用規(guī)范[S].中國計(jì)劃出版社GB55037-2022.

作者簡(jiǎn)介：

邵芳芳（1984- ），女，漢族，河南安陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：安全工程。