剃刀邊緣的角逐一一火炸藥工藝安全風險控制難點分析

丁 黎

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

時至二十一世紀,俄烏風云未定、中東硝煙再起,璀璨星河中的藍色星球并非看似的寧靜、美麗。為捍衛國家主權,火炸藥作為一種強有力的話語權還將伴隨人類文明的進程存續、發展,這是一個不愿而又不得不面對的現實。火炸藥制造工藝安全也面臨與高能化伴生的高風險控制的迫切需求。因此,在產品追求功能、效率的同時應重視致爆隱患與機理研究,系統風險控制理念、方法的更新也應同步匹配新材料、新工藝以及量產能力的提升,避免認知誤區、盲區超出工藝安全容忍的范圍,以致付出昂貴的代價。結合近年承擔的項目和事故調查工作,談一點安全工作的個人感悟,供大家參考。

分析國外流程工業安全技術的構架和發展歷程,安全技術進步支撐著安全管理方式由事后經驗型逐漸向了解機理規律認知的技術型轉變。安全技術方面,采取試驗與仿真相結合、定性與定量方法相互補充,持續發展危險刺激表征與響應規律、失效概率分析與后果評價等方法,通過系統、科學的危險辨識與風險評估優化工藝設計及預警、管控措施,加強工藝流程中包括物料、工藝、設備、儀器儀表、操作規程等各生產要素和環節的安全管控,事故抑制手段不斷前移至制造流程的源頭階段,針對設計、制造、測試、運行和維護等各階段提出詳細的指南標準、技術規范和管理措施,形成了較為系統的流程工業風險控制途徑和方法,并不斷發展更新。國內煤礦、石油化工等行業在事故高發階段加強立法、嚴格管理的同時,安全技術快速響應,自研的同時借鑒美國、挪威等國家的先進理念、指南及標準,逐步構建了與自身行業相適應的安全風險控制體系,有效遏制重特大事故頻發勢頭。

火炸藥行業過程物料的高能、高敏感性區別于石化、煤礦行業,工藝安全可靠性要求更高,需要根據火炸藥工藝安全風險控制特點,尋求風險控制途徑和方法,前置發展安全技術,支撐保障安全生產。

1 火炸藥工藝安全風險控制特點

與普通危險化學品不同,火炸藥不僅自身能夠發生強烈的氧化還原反應、燃燒爆炸威力巨大,而且對熱、機械、靜電等刺激敏感,工藝過程物料組成結構多樣且不均勻,致燃致爆機理復雜。這些危險物料在工藝過程中取樣分析危險性高且穩定存在時間短,加工流場、溫場、力場、電場等場狀態難以測試模擬,物料安全參數獲取困難。由于火炸藥物料燃爆破壞后果嚴重,工藝安全可靠性要求更高,先進技術的應用極具挑戰性。分析火炸藥工藝安全風險控制,具有以下特點:

(1)構成安全風險雙要素的量化表征難度大

事故發生可能性與嚴重度的組合構成事故風險,通常轉化為事故的概率及其后果進行描述。事件具有隨機性多是由于影響因素多且規律不明確,無法用確定的模型進行描述和控制,例如,影響機械感度的因素不僅有物料的化學結構,還涉及粒度、晶型、黏度、堆積方式等,各因素的影響規律不易量化,因此摩擦和撞擊發火現象通常以概率的形式表征,即使采用能量表征也是一定概率下的能量。火炸藥工藝過程發生事故的概率因工藝條件、設備、環境、人員操作及物料的復雜性而不易計算獲得,采用統計方法獲取時又因非標設備、非標工藝等狀態使統計數據缺乏規律性,所以獲取事故發生概率比較困難。關于事故破壞后果評定,目前建立了火炸藥產品爆轟特性參數測試和模擬方法,但是由于含能物料敏感性高、多種相態導致相結構穩定性差、并且隨工藝過程動態變化,產品爆轟特性參數表征方法還不能直接用于物料爆炸后果表征,因此,工藝過程安全定量風險評估還缺乏概率和后果的數據支撐。

(2)感度的標準測試條件與物料實際工況條件存在不一致

采用火炸藥感度的標準測試條件確定的量值與工況物料具有一定的相關性,但未必相等。感度數據可用于物料之間的相對比較,還不能直接用于工況環境特別是工藝放大過程安全閾值的確定。因此,對于尚未建立標準條件與工況環境等效關系的場景,需要嚴格對比工況與標準測試條件的差異,在不降低可靠度的前提下正確使用測試結果。例如,工藝中物料熱爆炸臨界溫度取決于炸藥化學分解放熱量與壓力、形狀、系統傳熱等特性,是一個具有系統特性的參數,采用差示掃描量熱法測定的炸藥起始分解溫度可用于評定炸藥的熱穩定性,但該測試溫度因不具備系統性總是大大高于臨界溫度。臨界溫度需要根據熱爆炸理論方程及工況條件計算,單以差示掃描量熱法給出的分解溫度確定安全加熱極限并不可靠。

(3)工程經驗的合理借鑒與理論指導聯系不緊密

火炸藥工藝過程中獲取、保存、轉運物料時危險性高,以往有限的科研手段和試驗數據不足以充分了解物料的危險性,實際工藝設計和安全管控多依靠工程經驗,對機理和規律的認識有限,這種局限既有時間、經費等歷史原因,也受到技術瓶頸的制約。把控安全風險一方面需要突破技術瓶頸、深化理論認知,另一方面需要把已有的理論認知與工程實踐緊密結合,探究工程經驗的理論依據,把已經成熟的工程實踐作為理論模型的典型應用案例,檢驗修正理論模型;以可靠的理論模型指導工程經驗的合理借鑒,二者相輔相成,確定工藝安全條件及操作規程,降低安全風險。

(4)材料個性特征與共性方法發展不平衡

化學能的有益釋放與有害失穩均與物料的化學結構和各尺度粒子聚集狀態密切相關,對物料、工藝通過共性方法進行聚類識別有助于了解、預測性能規律與趨勢,但不能替代具體物料個體的全部特征。火炸藥工藝過程的安全需要在共性規律的啟示下研究個性化的點火機制與釋能規律,掌握具體加工對象的個性特征,在共性方法疏通了關鍵技術的基礎上,針對具體工藝匹配個性物料特點進行工藝適應性調整和應用驗證,以支撐個性化設計,更好地發揮前期建立的表征與工藝共性方法的指導作用,實現新技術的高效迭代,支撐行業高質量安全發展。

2 風險控制途徑與風險評價方法

(1)風險控制途徑及特點

火炸藥工藝分為兩類:一類是合成及后處理工藝,以化學變化為主;另一類是火炸藥成型工藝,除交聯固化反應以外,其他多以物理變化為主。參照國內國外的指南及標準與安全技術的發展,形成的火炸藥風險控制途徑如圖1所示:

總的風險控制途徑是針對全流程各工藝場景(工序/節點)逐一進行危險辨識,定性評估風險程度,明確需要進一步定量風險評估的場景,并提出降低風險等級的建議措施;完成充分危險辨識后,對危險場景進行量化風險評估,判定殘余風險。當殘余風險高于行業風險基準時,則工藝安全風險高,需要重新設計路線或重大修改工藝路線以及預警、管控措施,當殘余風險低于行業風險基準即為可接受風險時,則判定為安全工藝。

火炸藥風險控制途徑具有3個特點:1)貫穿工藝全生命周期。全生命周期階段涵蓋產品工藝路線設計、工程放大設計、運行調試、批產、存儲等全壽命過程。進行全周期風險辨識與評估的意義在于最大限度降低風險,設計階段選用潛在風險低、本質安全的工藝;對已確定的設計或工藝辨識出的風險隱患采用預警、連鎖控制、自動化等多種控制手段提早消減風險,源頭遏制,確保風險不向后續工序轉移,防止風險擴大;2)針對工藝全流程。針對每條工藝線開展工藝全流程辨識與風險分析,包括清理、清掃環節,不留死角,不遺漏;3)覆蓋工藝場景所有要素。對全流程各工藝場景(工序/節點)的多維度影響因素進行偏離分析,全面考慮人、機、料、法、環等因素的完備性。

(2)風險評價方法的運用

開展風險評價時,需要定性、半定量、定量方法的配合使用,一般分為3個步驟:

1)采用定性方法進行全系統危險辨識。常用的辨識方法有基于各單位及行業經驗的定性分析、檢查表方法、故障樹分析、故障假設法、危險與可操作性分析方法(HAZOP)等。其中,HAZOP方法因其科學性、系統性和全面性在各行業得到廣泛的認可與應用。方法針對全流程各工藝場景(工序/節點)逐一進行危險辨識,歷遍工藝場景的各操作過程及裝置等工藝元素,采用雙向偏離的思想分析發生危險的原因及導致的后果,識別現有的風險削減措施,結合行業風險矩陣和評價指數定性評估風險程度,并提出降低風險等級的建議措施,確定需要進一步風險評估的場景。 HAZOP分析時做應到三全:一是分析要素全,包括與物料時間、空間上接觸的所有動態、靜態要素;二是辨識專業全,包括工藝、安全、設備儀表及控制、一線執行操作等,其中安全包括物料可能發生的化學、物理變化相關的熱/機械/靜電/粉塵及設備可靠性等專業;三是辨識流程全,從物料入廠到產品包裝的各個環節,包括清理清掃及轉運等過程。同時應做到三不放過:疑問不解不放過、數據不準不放過、邏輯不通不放過。

2)針對危險辨識出的較高危險要素和風險場景采用半定量方法評價風險等級。常用的方法有可能性分析(PA)法、事件樹分析(ETA)法、故障樹分析(FTA)法、保護層半定量分析(LOPA)法等。LOPA使用相對保守的規則對事故發生的可能性、后果嚴重性進行數量級評估,因其高效性常被推薦使用。降低工藝過程事故概率的保護層有效性由高到低依次包括本質安全工藝設計、基本過程控制系統、報警裝置與人員干預、安全儀器儀表系統(SIS系統)、物理保護層(泄放裝置、圍堰等)、工廠/社會應急響應等多個層級。事故的發生是由于層層保護措施相繼失效所造成。LOPA分析通過識別初始事件發生頻率及后果確定初始風險,然后通過判斷現有安全措施對風險消減的有效性,評估出消減后的殘余風險。初始事件頻率通常來源于行業統計數據、企業歷史統計數據、基于失效模式及影響分析(FMEA)和FTA等的數據,及其他可用數據等。可對初始事件頻率經過條件修正,以反映人員暴露于危險中的頻率、點火頻率、發生爆炸后人員受傷或死亡頻率等因素。LOPA分析的效果取決于這些數據的全面、可靠,火炸藥行業需要系統建立自己的數據庫和初始事件概率及后果的表征方法,便于量化安全風險。

3)針對半定量評價指出的高風險危害因素或場景進行定量風險評價。常用的方法有事件樹分析、故障樹分析、定量風險分析(QRA)等,是以大量的數據統計資料經科學計算準確給出風險大小。QRA分析法結合系統或裝置的布局、人員/設備分布等信息,基于發生事故的頻率分析模型和后果分析模型計算得到關注區域內各位置點人員設備損傷概率(個體風險),以及整體區域人員設備損傷的社會風險,并與行業風險基準比較確定風險是否可接受,從而為工廠選址、場內布局規劃、工程審批等提供直接的指導依據。這個方法需要投入大量的時間、資源以及專業知識,因其復雜性在某些情況下開展難度大,火炸藥行業需要對于高危工序逐步構建定量風險分析方法,提升風險預測與控制能力。

3 工藝安全風險控制的幾點建議

在辨識與風險評估過程中需要安全技術支撐,充分研究工況物料、工藝與設備等要素安全性能,掌握物料工況刺激條件下的安全參數變化規律、致爆機理、爆炸后果等相關參數與性能,基于此進行定性、半定量或定量的風險辨識與評估,提高評估結果的可靠性,指導工藝設計及管控措施的優化。幾點思考建議如下:

(1)建立完善安全性能測試新標準。開展材料多維感度(熱/機械/靜電/電磁/激光等刺激單因素及其耦合刺激)、粉塵濃度爆炸、毒性等安全參數測試及計量技術研究,并逐漸固化為標準。

(2)研究工藝刺激量值表征技術。基于設備及工藝參數,研究多維刺激特征量表征技術,掌握物料與設備的耦合規律,構建模型和測試方法,獲得工況刺激量值。

(3)結合具體工藝開展物料安全邊界研究。運用測試標準,結合工藝條件研究物料爆炸閾值及致爆機理,掌握物料對工藝條件波動的響應規律,確定工藝安全邊界,根據機理、安全參數變化規律優化工藝設計。結合物料安全邊界和工藝刺激量值,評判物料處于靜態、動態加工過程的危險度,進而調整工藝條件/設備設計,確定預警參量指標,制定防控措施。

(4)危險辨識與風險評估方法應用與研究。加快消化吸收國內外先進的辨識和風險評估方法,工藝研發和生產單位在已有技術基礎上以典型示范結合逐線跟進的方式開展應用,研究工況條件下具體物料的安全特性,進行高質量辨識及風險評估,并且隨著新的測試、辨識與風險評估技術的更新不斷深化,持續提高辨識質量,根據風險程度優化本質工藝安全設計及防控措施,特別是對風險較高的新建產線和工藝,力爭增加安全儀表系統(SIS),提高風險控制能力,滿足行業風險基準要求;仲裁單位應用評估方法評價新工藝風險是否符合火炸藥行業風險基準要求,服務于各級決策。行業內梳理收集火炸藥歷史事故發生頻率,結合火炸藥工藝物料的安全感度與威力等特征,構建基礎數據、試驗結果、理論預測、行業經驗等模塊的知識庫和專家系統(人工智能),研究建立從定性轉向半定量及定量的火炸藥風險評估新方法,提升辨識與風險評估水平。

(5)研究建立行業風險基準。在風險評價時需要對比行業風險基準,這個基準是一種確定安全到何種程度才是足夠安全的標尺,即風險可接受準則。英、澳、加等國提出了本國可接受的國家和行業標準,我國于2018年發布了GB 36894-2018 ,確定危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準,規定了個人和社會風險可接受的風險基準值,火炸藥行業目前未確定行業風險基準,建議在國家標準的基礎上,結合火炸藥行業 特點及以往事故風險和安全治理目標提出行業風險基準,用以對比衡量采取了安全控制措施后的殘余風險是否可接受,確定控制措施的有效性。

安全事故是以概率的形式出現,產線低負荷運行時的確存在著僥幸的安全,但在高負荷運行中必然以既定的概率發生,降低安全風險沒有捷徑,只有扎實推進安全技術進步,促進管理水平提升,才能防患于未然,繼之以泰然。

丁黎

二〇二三年十月