基于復(fù)合模型的干式除塵系統(tǒng)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析*

高娟 苑藝笑 薛少謙 苑春苗

(1.東北大學(xué)安全工程研究所 沈陽(yáng) 110819; 2. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院 重慶 400039)

0 引言

近年來(lái)，粉塵爆炸事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著企業(yè)的生產(chǎn)安全，干式除塵系統(tǒng)由于其工作特點(diǎn)，粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)較高[1]。在所有粉塵爆炸事故中，木粉塵燃爆事故占比高達(dá)17%[2]。對(duì)企業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而采取相應(yīng)的安全管理措施，能有效防控粉塵爆炸事故。本文提出一種基于粉塵爆炸特性參數(shù)的融合FMEA及DOW分析于一體的半定量復(fù)合模型風(fēng)險(xiǎn)分析方法，并以某一木制品加工廠的干式除塵系統(tǒng)為例，對(duì)此方法在干式除塵系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。

1 復(fù)合模型風(fēng)險(xiǎn)分析理論

1.1 故障模式及影響分析

故障模式及影響分析是為分析設(shè)備故障而開發(fā)的一種定性分析方法，具體過(guò)程如下：①分析各個(gè)元件功能及其正常運(yùn)行條件，挖掘元件潛在故障及類型；②根據(jù)潛在故障模式，分析其出現(xiàn)時(shí)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響，從而確定嚴(yán)重度；③根據(jù)潛在故障模式，尋找其出現(xiàn)的原因并確定原因出現(xiàn)的頻率，從而確定發(fā)生率和不可測(cè)度；④根據(jù)FMEA評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；⑤根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，找出較危險(xiǎn)的設(shè)備，對(duì)其采取必要的安全措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)法

道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)法是一種基于工藝設(shè)備特點(diǎn)及所涉物料特性的對(duì)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算的定量分析方法[3]。本研究采用道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)法評(píng)價(jià)程序如圖1所示。

圖1 道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)法評(píng)價(jià)步驟

2 復(fù)合模型風(fēng)險(xiǎn)分析步驟

2.1 涉爆粉塵工藝系統(tǒng)的FMEA分析

本研究使用的FMEA標(biāo)準(zhǔn)為MIL-STD -1629A，此標(biāo)準(zhǔn)利用故障對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行影響的嚴(yán)重度(Severity，S)、故障原因的發(fā)生率(Occurrence，O)、監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)故障的不易探測(cè)度(Detection，D)來(lái)確定設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)大小，用危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(Risk Priority Number，RPN)表示[4]。嚴(yán)重度、發(fā)生率、不易探測(cè)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。RPN最小值為1，最大值為200，可以通過(guò)比較最終RPN辨識(shí)工藝系統(tǒng)中的事故節(jié)點(diǎn)。

表1 嚴(yán)重度、發(fā)生率、不易探測(cè)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 事故節(jié)點(diǎn)粉塵爆炸可能性分析

爆炸可能性分析需要測(cè)定粉塵爆炸特性參數(shù)，主要包括粉塵粒徑、最小點(diǎn)火能MIE、最大爆炸壓力Pmax、爆炸指數(shù)Kst、爆炸下限MEC、最低著火溫度MIT等。

2.2.1 確定可爆環(huán)境出現(xiàn)的危險(xiǎn)性

可燃粉塵在生產(chǎn)過(guò)程中有兩種存在方式：堆積狀態(tài)(粉塵層)和懸浮狀態(tài)(粉塵云)。確定爆炸性粉塵環(huán)境時(shí)，判定處于懸浮狀態(tài)的粉塵云濃度是否會(huì)達(dá)到爆炸下限是首先需要考慮的條件；同時(shí)也要考慮處于沉積狀態(tài)的粉塵層，因?yàn)槿玳_機(jī)振動(dòng)、料堆坍塌、設(shè)備維修、清掃衛(wèi)生、初始爆炸沖擊波等因素可以將沉積粉塵瞬間揚(yáng)起而形成爆炸性粉塵環(huán)境。依據(jù)粉塵爆炸性環(huán)境出現(xiàn)的可能性對(duì)其進(jìn)行分區(qū)，如表2所示。

表2 爆炸危險(xiǎn)環(huán)境出現(xiàn)可能性及分區(qū)

2.2.2 確定有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)的危險(xiǎn)性

由于設(shè)備在非正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩擦、撞擊、老化、漏電、人為失誤等情況，引發(fā)熱表面、火焰或高溫氣體、摩擦火花、靜電放電等點(diǎn)燃源的危險(xiǎn)因素。確定有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)的可能性，主要考慮粉塵著火的敏感性和點(diǎn)燃源出現(xiàn)的控制效果兩個(gè)方面，其中粉塵最小點(diǎn)火能和最低著火溫度是衡量粉塵著火敏感性的兩個(gè)重要指標(biāo)。若某粉塵樣品根據(jù)最低著火溫度和最小點(diǎn)火能得到的引燃危險(xiǎn)性級(jí)別不一致，則按較高級(jí)別確定。粉塵著火敏感性分級(jí)如表3所示，點(diǎn)燃源出現(xiàn)的控制效果分級(jí)如表4所示，有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)的可能性分級(jí)如表5所示。

表3 粉塵著火敏感性級(jí)別

表4 點(diǎn)燃源控制效果

表5 有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)可能性

2.2.3 確定粉塵爆炸發(fā)生可能性

根據(jù)可爆環(huán)境及有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)的危險(xiǎn)性，確定設(shè)備發(fā)生粉塵爆炸的可能性。粉塵爆炸可能性分級(jí)如表6所示。

表6 粉塵爆炸可能性級(jí)別

2.3 粉塵爆炸后果嚴(yán)重度分析

本文引入道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)法對(duì)粉塵爆炸的后果嚴(yán)重度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)火災(zāi)爆炸指數(shù)對(duì)粉塵爆炸后果進(jìn)行分級(jí)。粉塵爆炸后果危險(xiǎn)性等級(jí)如表7所示。

表7 火災(zāi)爆炸指數(shù)與危險(xiǎn)性等級(jí)

為計(jì)算火災(zāi)爆炸指數(shù)，需要確定物質(zhì)系數(shù)MF、一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)F1、特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)F2以及單元安全措施補(bǔ)償系數(shù)即工藝控制安全補(bǔ)償系數(shù)C1、物質(zhì)隔離安全補(bǔ)償系數(shù)C2、防火措施安全補(bǔ)償系數(shù)C3。其中，物質(zhì)系數(shù)反映所涉及物料的化學(xué)活性及易燃性，通過(guò)研究的粉塵特性參數(shù)確定。評(píng)估所涉及可燃性粉塵的物質(zhì)系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)如表8所示，其他參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)具體見第3節(jié)。根據(jù)F&EI=MF×F3=MF×F1×F2確定火災(zāi)爆炸指數(shù)，從而確定粉塵爆炸的后果嚴(yán)重度。

表8 可燃性粉塵物質(zhì)系數(shù)取值

2.4 粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)是綜合考慮粉塵爆炸發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重度的結(jié)果，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的確定有多種方法，其中風(fēng)險(xiǎn)矩陣法應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣。本文采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法確定粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如圖2所示。

圖2 粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)矩陣

根據(jù)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，確定所評(píng)價(jià)的設(shè)備粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)是否可接受，對(duì)于不可接受風(fēng)險(xiǎn)，需要采取措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，主要包括預(yù)防爆炸性粉塵環(huán)境形成、預(yù)防有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)和降低爆炸后果嚴(yán)重度等3個(gè)方面的措施。

3 干式除塵系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)例

本節(jié)以某一木制品加工廠除塵系統(tǒng)為例，介紹了復(fù)合模型風(fēng)險(xiǎn)分析方法在干式除塵系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用情況。

3.1 干式除塵系統(tǒng)的FMEA分析

以袋式除塵系統(tǒng)為例，袋式除塵系統(tǒng)分為進(jìn)風(fēng)口、管道、箱體、清灰系統(tǒng)、灰斗和排灰系統(tǒng)等。針對(duì)其組成設(shè)備的部件可能發(fā)生的故障類型，即各類失常狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算RPN找出除塵系統(tǒng)粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)較高的設(shè)備，即關(guān)鍵事故節(jié)點(diǎn)。對(duì)袋式除塵系統(tǒng)FMEA分析結(jié)果如表9所示。由表可知，干式除塵系統(tǒng)中管道的粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)較高，其危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)為140，所以在FMEA的基礎(chǔ)上，從粉塵爆炸的可能性與后果的嚴(yán)重性方面對(duì)除塵管道展開細(xì)致分析。

3.2 除塵管道粉塵爆炸可能性分析

根據(jù)木粉的粉塵爆炸特性參數(shù)，確定可爆環(huán)境及有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)的危險(xiǎn)性，進(jìn)而確定木粉塵在除塵管道內(nèi)發(fā)生粉塵爆炸的可能性。常見的木粉塵特性參數(shù)[5]如表10所示。由表可知，木粉塵云爆炸下限質(zhì)量濃度為10～20 g/m3，在FMEA分析的基礎(chǔ)上可知，除塵管道為經(jīng)常出現(xiàn)可爆粉塵環(huán)境，根據(jù)表2可確定其為20區(qū)。木粉塵云最小點(diǎn)火能為7 mJ且最低著火溫度為360 ℃，根據(jù)表3可確定其著火敏感性為高。根據(jù)FMEA分析可知，除塵管道與輸送粉塵相互摩擦，產(chǎn)生靜電火花，且未采取相應(yīng)措施，故根據(jù)表4可確定其控制效果為差，從而根據(jù)表5確定除塵管道有效點(diǎn)燃源出現(xiàn)可能性為正常出現(xiàn)。綜合以上分析，可根據(jù)表6確定粉塵爆炸發(fā)生的可能性等級(jí)為V。

表9 袋式除塵系統(tǒng)的FMEA分析

表10 常見的木粉塵特性參數(shù)

3.3 除塵管道粉塵爆炸嚴(yán)重性分析

由表10可知，木粉塵云最大爆炸壓力上升速率為19.2 MPa·m/s，由表8可知，其爆炸指數(shù)的粉塵分級(jí)屬于St-1等級(jí)。按照NR為0～4的選取要求逐一對(duì)比，當(dāng)NR=3時(shí)，木粉能發(fā)生爆炸反應(yīng)但需在密閉條件下由強(qiáng)引發(fā)源引發(fā)，符合除塵管道木粉塵爆炸特性，故選取NR=3，從而可確定木粉塵的物質(zhì)系數(shù)MF=29。工藝設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算如表11所示，可確定除塵管道的一般工藝危險(xiǎn)系數(shù)F1=2.00、特殊工藝危險(xiǎn)系數(shù)F2=2.90。根據(jù)F&EI=MF×F3=MF×F1×F2可確定火災(zāi)爆炸指數(shù)為168.2，從而確定粉塵爆炸后果嚴(yán)重度等級(jí)為V。

表11 工藝設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)

3.4 粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)除塵管道木粉塵爆炸可能性和嚴(yán)重度的結(jié)果，通過(guò)圖2可確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)。工藝設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算如表12所示，由表可知，單元安全措施補(bǔ)償系數(shù)為0.45。通過(guò)采取相應(yīng)安全措施，火災(zāi)爆炸指數(shù)降為75.7，爆炸后果嚴(yán)重度等級(jí)降為II，除塵管道木粉塵爆炸可能性等級(jí)降為III，從而可知采取安全措施后，除塵管道木粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D，為可接受風(fēng)險(xiǎn)。

表12 單元危險(xiǎn)安全補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算

4 結(jié)論

(1)本文提出了一種基于粉塵爆炸特性參數(shù)的融合FMEA及DOW分析于一體的復(fù)合模型風(fēng)險(xiǎn)分析方法，并通過(guò)實(shí)踐證明了該方法的有效性和可行性。

(2)本文以干式除塵系統(tǒng)為例，對(duì)所提出的半定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法的使用步驟進(jìn)行說(shuō)明，為涉粉企業(yè)各個(gè)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的具體操作提供依據(jù)。

(3)本文提出的復(fù)合模型風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)粉塵爆炸事故分析較為透徹，操作性強(qiáng)，也可用于其他設(shè)備系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而系統(tǒng)判定涉爆粉塵企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)大小。