金屬3D打印工藝火災爆炸危險性分析與評價

葛雙優

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

增材制造（俗稱3D打印）技術是一種快速成型技術，又稱RP技術，是通過利用計算機模擬切片的技術，逐步利用熱源或者粘結劑來固化材料，如金屬、陶瓷、塑料、砂等，從而逐步堆積成一定形狀的零件和部件。目前在航空航天、汽車制造、機械制造等領域已得到一定應用。3D打印技術具有前沿性、先導性，改變了傳統生產方式和設計、生產理念。但同時3D打印技術存在一定的安全風險，如在金屬3D打印技術中使用到的重要原材料之一——鈦粉，屬于甲類危險化學品，具有易燃易爆性，使用過程須充分辨識危險源并加以控制，防止火災爆炸事故發生。本文采用了一種危險源辨識方法（故障數分析法）和一種定量的安全評價方法（火災爆炸指數法），對3D打印工藝過程中發生鈦粉火災爆炸的危險性進行定性和定量的評估。

圖1 3D打印設備工作簡圖

圖2 3D打印工藝流程圖

1 3D打印工藝原理及過程危險性分析

1.1 工作原理

利用軟件設計出零件的三維模型，并對三維模型進行切片得出截面輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，然后按照填充掃描線控制激光束選區，熔化各層金屬粉末，逐步堆疊成三維金屬零件。

1.2 工藝流程

將金屬粉末平鋪到成形過程形缸基板上，再按當前層的填充輪廓選區熔化基板上的金屬粉末，完成當前層的加工后成形缸下降1個層厚，粉末料缸上升一定距離，鋪粉裝置在已加工好的當前層上鋪好金屬粉末。設備自動調到下一層的輪廓數據進行加工，如此反復直到整個零件完成加工。整個加工過程都在充滿惰性氣體的環境下進行，避免粉體在高溫下與其他氣體發生反應。

根據3D打印工作原理及設備操作規程，以及粉塵爆炸三要素：粉塵云、火源、空氣，分析存在鈦粉火災爆炸可能性的幾個階段分別為：鈦粉存儲、篩粉、加料、取件、反吹、清理濾芯、廢料處理。

（1）鈦粉儲存

鈦粉儲存間嚴格意義上為危險化學品庫，是鈦粉存量最大的地方，一旦發生火災爆炸事故，后果最為嚴重，所以須按照火災爆炸場所進行防爆設計，電氣設備設施符合《爆炸危險環境電力裝置設計規范》等規范要求，房間設計泄爆面，面積符合《建筑物防火設計規范》要求。

（2）篩粉

加料前需對鈦粉進行篩粉，篩粉過程中，鈦粉在篩粉機內一直處于云狀態，振動篩可提供點火能量，如果在空氣中進行，滿足粉塵爆炸的3個條件，可能造成粉塵爆炸，所以篩粉必須全程在惰性氣體氬氣的保護下完成，篩粉機也須為防爆型。

（3）加料

加料過程應采用不銹鋼（或其他不易打火的材質）料鏟將粉末材料加至料缸中，該過程可能產生揚塵，達到粉塵爆炸極限，所以須小心操作，并同時將防爆吸塵器置于料缸上方，改善揚塵現象。

（4）取出零件

零件加工完成后，掃描系統、電機、照明燈、氣路會自動關閉，打開照明燈，手動關閉煙塵過濾系統，開啟艙門后操作者離開現場30min，使保護氣、粉塵、加工余熱擴散；用毛刷、物料鏟將成形缸和收料缸中的粉末移出，期間用防爆吸塵器配合清理揚塵和吸風口附近受污染的粉末。該過程，艙內鈦粉量較大，在取件或清理過程操作不當，撞擊鈦粉或遇靜電，可能引燃鈦粉，所以整個過程操作人員需配帶防靜電手環，小心操作。

（5）反吹

在確保材料全部移出機器后，關閉艙門，并開啟反吹系統。大約持續20min，隨后關閉反吹，進行清理。該過程危險性最大，設備內粉塵濃度滿足爆炸極限，氣體的沖擊力可提供點燃能量，如在空氣中進行，可引發爆炸，所以該過程須在惰性氣體氬氣環境下進行，即用氬氣作為反吹氣體。

（6）清理濾芯

在每加工完一種材料后，需要對循環系統中的濾芯中的殘粉進行清理。濾芯需拿出來單獨清理，濾芯中的粉體粒徑較細、活性高，清理過程稍有不當便會燃燒，已發生過很多類似事件，所以濾芯清理須在水中完成。

（7）廢料處理

加工完成后剩余的鈦粉不能閑置，在空氣中長時間堆積可能自燃，應回收利用或水封處理后按危險廢物進行合規處置。

2 故障樹分析

故障樹分析法（FTA）是采用邏輯方法進行危險分析，將事故因果分析形象地描述為一種有方向的“樹”。以系統可能或已發生的事故作為分析的起點，將導致事故的原因事件按照因果關系逐層列出，用樹形圖表現出來，然后定性、定量地分析事故發生的可能途徑和概率，找到避免事故的各種方案并選出最佳安全防范措施。

按照FTA分析法，繪制3D打印火災爆炸故障樹如圖3所示。

圖3 3D打印工藝火災爆炸故障樹

布爾表達式：

T=X1（X2+X3）+X4+X5（X6 +X7）+（X8 +X9）（X10+X11）+X12X13

最小割集合：

（X1 X2）、（X1 X3）、X4、（X5 X6）、（X5 X7）、（X8 X10）、（X8 X11）、（X9 X10）（X9 X11）、（X12X13）

最小割集合是能引起頂事件發生的最小的組成元素集合。

結構重要度：

IΦ（4）＞IΦ（1）=IΦ（5）=IΦ（8）=IΦ（9）=IΦ（10）=IΦ（11）＞ IΦ（2）=IΦ（3）=IΦ（6）=IΦ（7）=IΦ（12）=IΦ（13）

通過故障樹分析，得出可能導致3D打印過程發生火災爆炸事故的13個基本事件，主要包括誤操作、設備靜電、人體靜電、工具碰撞火花、氬氣泄漏、反吹后未充分沉降、報警失效等，并計算得出各基本事件的結構重要度，以及最小割集合，進而可以針對性地采取管控措施。

3 火災爆炸指數法分析

火災爆炸指數評價法是一種對工藝過程火災爆炸危險性進行評估并采取相應安全防護措施的方法，以物質潛在能量和現行安全防護措施為依據，對物料以及工藝過程潛在的火災爆炸危險性進行定量分析評價。

該方法以物質系數為基礎，加上一般工藝和特定工藝的危險修正系數，求出火災爆炸指數。再根據指數值分級，按等級要求采取相應安全防護措施。

3.1 評價程序

（1）確定單元，求出單元內的物質系數MF。

（2）根據單元工藝，選用適當的一般工藝和特殊工藝危險系數相乘得出工藝單元危險系數。

（3）用物質系數乘以工藝單元危險系數，得出火災爆炸危險指數（F&EI）。

（4）由火災爆炸危險指數查得單元暴露區域半徑，并計算出暴露面積。

3.2 評價過程

（1）選擇工藝單元

為計算火災爆炸指數，首先要確定裝置中哪些單元需要研究。工藝設備的任一主要單元可被定義為工藝單元。生產單元往往包括很多工藝單元，但在計算火災爆炸指數時，只評價對工藝有影響的主要單元。

（2）確定物質系數

物質系數（MF）是最基礎的數值，是表達物質引起火災爆炸中釋放能量大小的特性。大部分危險物質其物質系數可通過查閱資料獲得。經查金屬鈦粉MF值取10。

（3）確定工藝單元危險系數

一般工藝危險性系數（F1）主要影響因素包括：泄漏控制，通道以及排放，物料處理與輸送，密閉式或室內工藝單元，放熱、吸熱反應。

特殊工藝危險性系數（F2）主要影響因素包括：壓力，泄漏，低溫，毒性物質，負壓，粉塵爆炸，易燃及不穩定物質的重量（工藝中和貯存中的液體、氣體、可燃固體/粉塵），轉動設備，易燃范圍內或其附近的操作，腐蝕與磨蝕，使用明火設備，熱油熱交換系統。

F1和F2相乘得到單元危險系數（F3）。F3的值一般不超過8.0。

3D打印實驗室中主要使用以及貯存的金屬材料為鈦粉，經查資料物質系數MF為10。

一般工藝危險系數選取了基本系數、物料處理與輸送、放熱反應、排放和泄漏控制，危險系數取值分別為1.00、0.50、1.00和0.25，一般工藝危險系數F1=2.75。

特殊工藝危險系數選取了基本系數、過程失常和吹掃故障、一直在燃燒范圍內、壓力、粉塵爆炸、貯存中的可燃固體及工藝中的粉塵、泄漏，危險系數取值分別為1.00、0.30、0.50、0.50、2.00、1.00和0.50，特殊工藝危險系數F2=5.80。

工藝單元危險系數F3＝F1*F2=15.95。

（4）火災爆炸危險指數

火災爆炸指數F&EI=F3*MF=159.5。

火災爆炸危險指數用來估計生產過程中事故可能造成的破壞程度。可劃分為5個等級，具體情況如表1。

表1 F&EI及危險等級

表2 單元危險性等級表

表3 火災爆炸分析結果危險指數表

（5）安全措施補償系數

安全措施主要分為工藝控制措施（C1）、物質隔離措施（C2）和防火措施（C3）。單元安全措施補償系數C＝C1×C2×C3。

工藝控制安全補償系統選取了應急電源、抑爆裝置、惰性氣體保護、計算機控制、緊急切斷裝置、其它工藝危險分析、化學活潑性物質檢查、操作規程/程序，補償系數分別為0.98、0.95、0.96、0.96、0.96、0.95、0.92和0.95，工藝控制安全補償系數C1=0.6839。

物質隔離安全補償系數選取了遙控閥、卸料/排空裝置、排放系統，補償系數分別為0.98、0.98和0.95，物質隔離安全補償系數C2=0.9124。

防火設施安全補償系數選取了泄漏檢測裝置、特殊滅火系統、電纜防護、手提式滅火器/噴水槍，補償系數分別為：0.98、0.91、0.98和0.98，防火設施安全補償系數C3=0.8565。

安全措施補償系數C＝C1×C2×C3＝0.5344。

（6）安全措施補償后火災爆炸危險指數（F&EI）＝F&EI×C＝85.24。

（7）暴露半徑：R=0.256×F&EI=21.82。

（8）暴露面積：S=π×R2=1495。

（9）危害系數：DF=0.6。

4 結語

通過故障樹分析法，全面辨識3D打印工藝火災爆炸危險源，主要包括誤操作、設備靜電、人體靜電、氬氣泄漏、加料工具碰撞、清理過程操作不當、反吹后未充分沉降、報警失效等。并計算出最小割集合和基本事件的結構重要度，得到引起鈦粉爆炸的充分必要條件，以及重點控制元素，針對性地制定了管控措施。

通過火災爆炸指數法對金屬3D打印工藝火災爆炸危險性分析與評價，表明在安全系數補償前的3D打印工藝危險爆炸系數為159.5，屬于“嚴重”危險程度，危險等級為Ⅴ。經過一定的安全措施補償后，火災危險爆炸系數降低為85.24，屬于“較輕”危險程度，危險等級為Ⅱ。表明采取的安全措施可行，可有效降低金屬3D打印工藝火災爆炸危險性。