壓縮空氣系統(tǒng)事故影響因素分析

步 彬，盧黨悅

1 前言

壓縮空氣由于清潔、易輸送，被廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，成為僅次于電力的動力源。相對于電、燃?xì)夂驼羝饶茉矗捎诳諝獍踩阅芎?，人們在生產(chǎn)使用中隱患意識不強(qiáng)，從而導(dǎo)致近年來壓氣系統(tǒng)安全事故頻發(fā)。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，利用安全工程理論，從辨識空氣系統(tǒng)事故為起點(diǎn)，運(yùn)用事故樹和層次分析法，逐步剖析空氣系統(tǒng)事故，從而制定相應(yīng)預(yù)防措施，以期降低空氣使用過程中的危害程度，有利于我國壓縮空氣產(chǎn)業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展。

2 研究背景

隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新，壓縮空氣應(yīng)用日益廣泛，在企業(yè)生產(chǎn)中壓縮空氣的能耗占全部電力消耗的10%～40%，目前已是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的動力源之一[1]。例如，以空壓機(jī)組耗電占工廠總耗電百分比為指標(biāo)，糧食存儲中轉(zhuǎn)企業(yè)為15%[2]，橡膠制造業(yè)為30%[3]，而紡織廠則占總電耗的40%以上。根據(jù)壓縮機(jī)協(xié)會統(tǒng)計，壓縮機(jī)耗電占全國總發(fā)電量的8.9%，而歐洲及日本等主要發(fā)達(dá)國家約為10%。

3 壓縮空氣系統(tǒng)事故因素辨識

3.1 壓縮空氣系統(tǒng)事故種類

壓縮空氣系統(tǒng)出現(xiàn)的事故，主要可分為積碳燃爆、分離器蝕穿和加熱器爆裂事故等。

1）積碳燃爆事故

空氣在壓縮過程中會滲入一部分潤滑油，在高溫下會氧化形成碳化物，然后隨氣流附著在壓縮機(jī)腔、管道等內(nèi)部，形成積碳。積碳主要是由固態(tài)含氧物、碳?xì)浠衔锛敖饘俜勰┙M成，其含油量高達(dá)30%，一旦遇到靜電或火花，積碳中的油迅速汽化產(chǎn)生碳化氫為主的混合物，當(dāng)濃度達(dá)到30 mg/kg干空氣時就有爆炸危險。積碳的原因有多種，主要包含以下幾個方面：

（1）潤滑油質(zhì)不合格；

（2）設(shè)備油氣密封不良；

（3）設(shè)備內(nèi)部積碳層未不及時清理；

對空氣壓縮機(jī)組，應(yīng)定期清理空氣溫度大于80℃的管道，其中積碳層厚度不許超過表1的規(guī)定值。

表1 最大允許積碳厚度

根據(jù)相關(guān)研究，若積碳厚度增加，也會降低積碳自燃溫度界限。如積碳層厚度為1 mm時，極限自燃溫度為160℃，當(dāng)3 mm時其溫度僅為115℃。

（4）局部空氣流速較低；

為了防止形成油與空氣混合物的爆炸濃度，空氣流速應(yīng)在12～18 m/s。因為，當(dāng)空氣流速減慢時，不足以帶走積碳層孔隙內(nèi)油氧化的熱量，就會使其積聚從而引起自燃。

（5）防靜電設(shè)施失效；

2）分離器蝕穿事故

分離器是根據(jù)氣、液的離心力不同而進(jìn)行相分離的設(shè)備，當(dāng)旋轉(zhuǎn)下降的氣流攜帶雜質(zhì)到達(dá)底部轉(zhuǎn)而向上時，其切向速度最大。因此，椎體底部紊流最強(qiáng)，顆粒和壁面總在不斷摩擦，雜質(zhì)侵蝕最嚴(yán)重。另一方面，碳鋼內(nèi)部存在著空穴和夾雜物，當(dāng)原子在內(nèi)部逐漸擴(kuò)散時，就會匯集在空穴中合成氫分子，使鋼材受分子間力作用變形，發(fā)生層狀裂紋或鼓泡現(xiàn)象。另外，鋼材中Mn類雜質(zhì)物含量多時，也易減弱鋼材抗應(yīng)力腐蝕能力，從而加劇氫致開裂。

3）加熱器鼓包事故

干燥器在吸附劑飽和后，需要加熱空氣進(jìn)行再生。但是由于加熱器程序、電氣開關(guān)故障等因素，常會發(fā)生電加熱元件持續(xù)加熱，引起容器材質(zhì)蠕變形成鼓起，從而導(dǎo)致加熱器發(fā)生爆裂事故。

3.2 壓縮空氣積碳燃爆事故分析

1）構(gòu)建積碳燃爆事故樹

首先，根據(jù)空氣積碳燃爆事故分析，繪制出積碳燃爆事故樹見圖1。

圖1 積碳燃爆事故樹

為了便于進(jìn)行邏輯分析，可對事故樹進(jìn)行簡化處理，見圖2。

圖2 燃爆簡化事故樹

2）求最小割集和徑集

最小割集，就是指能夠引起頂層事件發(fā)生的最低限度的基本事件集合。最小割集就多，就說明系統(tǒng)處于危險狀態(tài)，可利用布爾代數(shù)法求最小割集。

最小徑集，即不引發(fā)頂層事件所需的最低限度的基本事件的集合。

T′=A1+A2+X16

得出該事故系統(tǒng)的最小徑集9個，分別為：

通過事故樹分析，該系統(tǒng)發(fā)生積碳燃爆的可能方法達(dá)60種，其中或門邏輯4個，占總邏輯單元的44.4%。另外，從最小徑集數(shù)目來看，該系統(tǒng)可控制事故發(fā)生的方案僅為9種，相對于發(fā)生積碳燃爆事故的60種可能性途徑，該系統(tǒng)的事故發(fā)生危險率相對較高，需引起企業(yè)管理層的高度重視。

3）構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)

利用情景教學(xué)法開展教學(xué)的方式多種多樣，應(yīng)在能力范圍內(nèi)結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的設(shè)計的運(yùn)用，為學(xué)生創(chuàng)造出合適的、富有情感特色的教學(xué)情境，讓學(xué)生在情境的交融中體驗科學(xué)的魅力，積極的進(jìn)行探索理解科學(xué)知識。例如在教學(xué)《陽光下的影子》時，教師可以用猴子撈月的故事進(jìn)行導(dǎo)入，向?qū)W生提問：在生活中怎樣可以產(chǎn)生影子，產(chǎn)生的影子有什么區(qū)別？請同學(xué)畫一畫自己心目中的影子，帶領(lǐng)同學(xué)操場上驗證看看自己畫的影子是否準(zhǔn)確，請學(xué)生尋找還有哪些物體有影子，使學(xué)生認(rèn)識到只有在有光線的地方才能產(chǎn)生影子。生活中處處都有科學(xué)，從實(shí)際生活入手創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，改變原來沉悶的課堂氛圍，提高學(xué)生實(shí)際運(yùn)用科學(xué)理論的能力。

根據(jù)前面采用的事故樹結(jié)構(gòu)，除去無法避免的助燃物（壓縮空氣）基本事件后，將積碳燃爆事故樹其余的基本事件按設(shè)備質(zhì)量、原料供應(yīng)和維護(hù)操作問題劃分，形成以目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層等三個層次框架的結(jié)構(gòu)模型,見圖3。

圖3 積碳燃爆事故層次分析結(jié)構(gòu)模型

首先，通過建立層次分析結(jié)構(gòu)模型，將積碳燃爆事故的基本事件進(jìn)行歸納，形成層次分析基本事件表，見表2。

表2 積碳燃爆事故層次結(jié)構(gòu)基本事件表

利用事故層次分析結(jié)構(gòu)模型，形成調(diào)查問詢表由專家評估，根據(jù)比例標(biāo)度構(gòu)建成對比較矩陣，見表3所示。

表3 B層對目標(biāo)A判斷矩陣

其次，再通過問詢專家對該事故各個準(zhǔn)則的下一層指標(biāo)對該準(zhǔn)則間的重要關(guān)系，得到各指標(biāo)對相應(yīng)準(zhǔn)則的成對比較判斷矩陣。然后，將構(gòu)造出的成對比較矩陣進(jìn)行歸一化處理，先求出最大特征值λmax和特征向量ω，然后對成對比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗，以證明該矩陣邏輯的合理性，最后進(jìn)行結(jié)果分析。

（1）矩陣一致性指標(biāo)（CI）

其中n--矩陣的階數(shù)；λmax--矩陣的最大特征值。

（2）隨機(jī)一致性指標(biāo)（RI）

可根據(jù)表4查詢對應(yīng)成對比較矩陣階數(shù)的隨機(jī)一致性指標(biāo)（RI）。

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

（3）一致性比率（CR）

（4）計算該事故權(quán)重及一致性指標(biāo)

根據(jù)公式（2）和公式（3）及成對矩陣，經(jīng)計算得到表5。由表5可得，準(zhǔn)則B層對目標(biāo)A層的判斷矩陣的一致性比率為0.0372，指標(biāo)C層對準(zhǔn)則B1、B2、B3層的判斷矩陣的一致性比率分別為0.0882、0.0372和0.0683，而總排序的一致性比率為0.0636，以上各值均小于0.1，即通過一致性檢驗。然后根據(jù)各指標(biāo)的總權(quán)重分析，指標(biāo)C9的總權(quán)重最高為0.4011，即油質(zhì)不合格指標(biāo)尤為重要；接著是指標(biāo)C7和C2，即空氣質(zhì)量差和油水分離器失效等指標(biāo)為；其余指標(biāo)所占比率較為接近，可作為一般控制措施。

表5 成對比較矩陣指標(biāo)權(quán)重分析計算表

4）控制及預(yù)防措施

通過事故樹分析，可以看出空氣系統(tǒng)發(fā)生積碳燃爆事故的可能性有60種，而預(yù)防措施只有9種方案，故此該系統(tǒng)危險性較大。另外，通過層次法分析可以得知，油質(zhì)不合格在積碳燃爆事故中占有重要地位，故在進(jìn)行壓縮空氣系統(tǒng)積碳燃爆事故決策時，以控制潤滑油品質(zhì)作為首要控制手段。

綜上所述，制定出如下的壓縮空氣系統(tǒng)積碳事故預(yù)防及控制措施：

（1）根據(jù)《空氣壓縮機(jī)油》（GB12961-90）要求，選用空壓機(jī)專用潤滑油，尤其注意潤滑油與其他油品不得混裝、混用。當(dāng)機(jī)用潤滑油使用超過4000 h后，應(yīng)及時更換。

（2）定時檢查油水分離器的排污情況，對分離效果不好的設(shè)施及時處理，同時檢查分離器壓差值。

（3）定期更換進(jìn)氣過濾器芯，確保吸入空氣的清潔。

（4）做好空壓機(jī)組油氣密封件和級間填料層的保養(yǎng)維護(hù)工作，定期檢查油封間隙，應(yīng)通過建立潤滑油耗臺賬加以統(tǒng)計分析，以此及時發(fā)現(xiàn)潤滑油跑入空氣系統(tǒng)中預(yù)兆。另外，也可以通過定期化驗?zāi)┘壚鋮s器前空氣中含油量，進(jìn)行化驗數(shù)據(jù)跟蹤比對。

（5）定期對空壓機(jī)組級間管道進(jìn)行除銹噴砂，在條件允許的情況下，可在管道內(nèi)壁涂刷一層耐磨防銹涂層，以免管壁腐蝕后形成的鐵屑等雜質(zhì)與氣油混合物夾雜后更易形成積碳。

（6）做好空壓機(jī)組靜電接地工作，在關(guān)鍵的非金屬接觸件之間做好跨接線，如油水分離器、級間轉(zhuǎn)向管道等，使其電阻小于10Ω。

4 結(jié)論

事故樹分析法有助于對事故產(chǎn)生原理進(jìn)行邏輯分析，組織出導(dǎo)致事故發(fā)生因素間的邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)，但進(jìn)一步分析時需依據(jù)基本事件的概率統(tǒng)計，然而由于空氣系統(tǒng)安全研究起步較晚，關(guān)于空氣系統(tǒng)積碳燃爆事故的基礎(chǔ)統(tǒng)計較為匱乏，不足以支持事故樹分析法的深入研究，因此引入了層次分析法對事故樹分析出的基本事件進(jìn)行權(quán)重計算，從而形成系統(tǒng)的計量分析，有助于發(fā)現(xiàn)壓縮空氣積碳燃爆事故各致因間的關(guān)聯(lián)和權(quán)重，對企業(yè)的安全管理提供客觀、理性的決策依據(jù)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]周佃民.壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述[J].上海節(jié)能，2010(10).

[2]于永勝，王自良.空氣壓縮機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].糧食流通技術(shù)，2010(3).

[3]蔡茂林.輪胎制造業(yè)的壓縮空氣系統(tǒng)整體節(jié)能技術(shù)[J].現(xiàn)代制造，2010(1).

[4]蔣其昂.壓縮空系燒爆任分析[J].裝備維修技術(shù)，2002(2).

[5]張琪;湯衛(wèi)華;張龍.膜除濕技術(shù)在氣體干燥中的應(yīng)用[J].艦船防化，2011(3).