故障樹分析法在乳化炸藥生產中的應用概述*

王 軍 王越勝

杭州電子科技大學自動化研究所(浙江杭州，310018)

引言

乳化炸藥是一種新崛起的防水型工業炸藥，具有抗水、無毒、爆炸性能好等優點，被廣泛應用于交通、城建、采礦、石油勘探等國民經濟建設的各個行業。隨著乳化炸藥生產線的各種設備日趨復雜和自動化，影響乳化炸藥產品質量的因素越來越多。為了保證乳化炸藥生產過程的安全性，進一步提高乳化炸藥產品的質量，本文引入了故障樹分析法，對該生產流程存在的潛在故障進行定位，以便采取及時有效的措施[1]。

故障樹分析法(Fault Tree Analysis, 簡稱 FTA)，就是把最不希望發生的系統故障作為故障分析的目標，把已經選定的產品故障狀態稱作頂事件，然后將造成系統故障的原因逐級分解為中間事件，最后找出引起頂事件的底層因素。該方法是美國貝爾電報公司的電話實驗室于1962年開發的，1974年美國原子能委員會發表了關于核電站危險性評價報告，即“拉姆森報告”，大量、有效地應用了FTA，從而迅速推動了它的發展。

1 乳化炸藥產品故障樹的建立

1.1 乳化炸藥生產線的工藝流程

乳化炸藥是由硝酸銨水溶液和復合油相熔化后在高速攪拌設備里進行乳化，形成一種油包水的物質，再在冷卻過程中通過化學或物理方式在物料中均勻生成穩定的微小氣泡，使物料具有爆轟感度，在雷管的引爆下可發生爆炸的一種民用炸藥。其生產過程由原料制備、油水相計量及輸送、連續乳化、連續冷卻、連續敏化、裝藥和包裝等工序組成。主要工藝流程如圖1所示。

圖1 乳化炸藥生產流程示意圖

1.2 乳化炸藥產品故障樹的建立

(1) 頂事件的選取。頂事件是最不希望發生的故障狀態。針對乳化炸藥的生產工藝流程，最不希望發生的是“乳化炸藥產品不合格”，故將乳化炸藥產品質量不合格作為頂端事件T。

(2) 故障樹的建立。故障樹是一種表示系統故障間因果關系的模型，它以最不希望發生的故障狀態作為頂事件，繼而找出導致這一故障狀態發生的所有中間事件，再進一步查找，直到把不能或不需要分解的基本事件作為底事件為止。在選取“乳化炸藥產品質量不合格”作為頂事件之后，根據乳化炸藥生產的流程，在生產過程中導致質量不合格的直接原因是乳化工藝失敗、冷卻工藝失敗、敏化工藝失敗，然后以這3種工藝失敗的原因為頂事件，采用類似的方向深入分析，直到找到代表各種故障事件的底事件為止。比如，乳化工藝失敗是由于水相流量超調過大、油相流量超調過大和乳膠基質溫度過高造成的，而乳膠基質溫度過高又是由于水相溫度過高、油相溫度過高以及乳化器溫度過高引起的。油相溫度過高、水相溫度過高為底事件，而乳化器溫度過高繼續作為下一層的頂事件深入分析后再尋找其底事件[2-3]。圖2為乳化炸藥產品質量故障樹示意圖，表1為該故障樹的事件列表。

圖2 乳化炸藥產品質量故障樹

表1 乳化炸藥產品故障樹事件

2 故障樹的定性分析

定性分析的主要任務是求出導致乳化炸藥產品質量不合格的全部最小割集。最小割集是導致頂事件發生的數目最少而又最必要的底事件的組合形式，它能描述系統故障時必須要修理的基本故障[4]，代表了系統某個環節的危險性。最小割集的常見求法有布爾代數化簡法、行列法和結構法3種[5]。

采用布爾代數的方法對圖2的故障樹進行簡化可以得到如下結果：

T=A1+A2+A3

(1)

A1=B1+B2+B3=x1+x2+x3+x4+x5+x6+C1

(2)

C1=D1+D2+x11=x7+x8+x9+x10+x11

(3)

所以

A1=x1+x2+…+x11

(4)

A2=x12+x13

(5)

A3=B4B5=(x14+x15)(x16+x17+x18+x19)

=x14x16+x14x17+x14x18+x14x19+x15x16+

x15x17+x15x18+x15x19

(6)

由式(1)～(6)得出：

T=x1+x2+…x13+x14x16+x14x17+x14x18+x14x19+x15x16+x15x17+x15x18+x15x19

(7)

由式(7)可知最小割集有21個，即k1={x1}，k2={x2}，k3={x3}，k4={x4}，k5={x5}，k6={x6}，k7={x7}，k8={x8}，k9={x9}，k10={x10}，k11={x11}，k12={x12}，k13={x13}，k14={x14x16}，k15={x14x17}，k16={x14x18}，k17={x14x19}，k18={x15x16}，k19={x15x17}，k20={x15x18}，k21={x15x19}。

上述的每一個最小割集都代表頂端事件故障發生的一種可能，經過分析可知有21種可能會導致乳化炸藥產品質量不合格。

3 故障樹的定量分析

為進一步區分這些底事件，還需進行定量分析，即計算頂端事件發生概率和各底事件的重要度——結構重要度和概率重要度。它們分別從不同角度反映了底事件對頂事件的影響程度。

3.1 頂端事件發生概率

假設事件x1,x2,…,xn發生概率分別為p1,p2,…,pn，且p1=p2=…=pn=0.001，則由式(7)可求出頂端事件發生概率為：

≈0.020922

(8)

式中p(T)——頂端事件發生概率。

3.2 結構重要度

結構重要度就是從結構上分析基本事件的重要程度，假設各個基本事件發生概率相同，由于故障樹中絕大部分是和事件，結構重要度從最小割集中很容易看出來。判斷的基本原則如下：

(1)單事件最小割集結構重要度系數最大。

(2)僅在同一最小割集出現的所有基本事件結構重要度相同。

(3)若兩基本事件僅出現在基本事件個數相等的若干個最小割集中，在不同最小割集中出現次數相等的基本事件結構重要度相同，出現次數多的基本事件，其結構重要度大。

根據上述原則，可知x1～x21的結構重要度順序為：

x1=x2=…=x13>x14=x15>x16=x17=x18=x19

3.3 概率重要度

概率重要度是指底事件對頂事件發生概率的影響程度，用頂事件的發生概率對某個底事件發生概率的偏導數來表示，即：

(9)

式中Ii——底事件xi的概率重要度。

根據式(9)計算各個事件的概率重要度：

I1=I2=…=I13=0.99912

I14=I15=0.004

I16=I17=I18=x19=0.001

基本事件概率重要度的大小決定了頂事件發生概率的大小，為降低頂事件發生的概率，必須降低概率重要度大的基本事件的發生概率。通過對各基本事件在系統中所處的位置及其重要度進行分析，可以快速、準確地對故障定位并及時排除。

3.4 改善措施

為了保證乳化炸藥產品的質量，使炸藥密度基本上控制在1.10～1.15 g/cm3范圍內，在生產過程中可以采取以下措施來減少故障發生的可能性。

(1)為了確保油水相配比的精度(油水相的體積比為1∶8)，采用進口的流量計分別控制油相、水相的流量。同時，為了保證裝置的穩定操作和設備運行安全，在油水相貯罐的放料閥門后分別設置了過濾器。

(2)在乳化工段工作時，先將油相原料送入乳化器，待流量穩定后開啟乳化器，再送入水相原料，這樣在乳化器的高速攪拌下，可以形成一種均勻穩定的油包水型物質。

(3)乳化器是乳化炸藥生產中的關鍵設備，故要對乳化器實施在線實時超溫、超壓、超電流的自動報警和自動停止。在實際生產中乳化器采用特殊的設計結構和制造工藝，讓動葉輪和定葉輪之間間距不小于2.5 mm,這樣可以保證它們之間不會發生摩擦或撞擊，即可避免物料經高速摩擦分解產生微氣泡。

(4)實時檢測冷卻水進水和出水溫度，控制冷卻機冷卻水量的大小和乳膠基質在冷卻管中的冷卻速度，使乳膠基質的溫度從90～115℃降低到敏化所要求的溫度45～60℃。

(5)調節加入的敏化劑和促進劑的量的大小，控制化學敏化時的反應時間。

4 結論

采用故障樹分析法對乳化炸藥產品質量進行分析，提高了故障排查的效率和可信性。利用故障樹的最小割集進行定性分析和定量計算，可以對系統存在的故障進行準確的定位，并采取及時有效的防護措施，從而保證了乳化炸藥產品的質量。與其它的分析方法相比，該方法能夠準確實時進行故障定位，從而可以提高乳化炸藥生產過程的安全性和預防事故的發生。

[1] 乳化炸藥生產技術考察組.我國乳化炸藥現狀與發展建議[G]//中國爆破器材行業協會. 全國乳化炸藥生產技術交流研討會資料匯編.北京：[出版者不詳],1999：2-7.

[2] 李學偉,鄒慧君.故障樹分析法在氣體渦輪流量計生產中的應用[J].機械設計與研究,2003,20(2):67-68.

[3] 呂德衍,王越勝.故障樹分析法在乳化器爆炸故障診斷中的應用[J].機電工程,2009,26(3):24-27.

[4] 劉娜,高文勝,談克雄,等.大型變壓器故障樹的構建及分析[J].中國電力,2003,36(11):33-36.

[5] 孫雙，呂建新.基于故障樹的變速器故障診斷系統研究[J].車輛與動力技術,2009(2):57-60.