郭建瑞
(山西壶化集团金星化工有限公司,山西 长治 047300)
起爆具作为一种工业炸药制品类爆破器材,一般采用梯黑(或梯太)熔注工艺生产而成,具有感度适中、起爆性能好、使用安全可靠等特点,广泛应用于各类中深孔矿山爆破工程,尤其适用于无雷管感度的现场混装炸药爆破作业,有利于提高爆破效果[1]。
近年来,在国家民爆行业产业政策的推动下,爆破现场低感度混装炸药的使用比例逐年增加,起爆具作为一种现场混装无雷管感度炸药的重要起爆源,市场需求也越来越大。
为满足起爆具市场需求,各生产企业投入大量资金,研究自动化生产工艺技术设备,使起爆具自动化生产工艺技术、关键设备、产品的质量性能得到快速提升。
由于起爆具生产的主要原材料为单质猛炸药,且生产工房计算药量以吨级计算,其危险感度和爆炸当量明显高于普通工业炸药,因此,起爆具自动化生产工艺技术及设备的安全性更加被关注和重视[2]。
笔者针对起爆具自动化生产工艺技术设备的安全风险进行分析,并就提高起爆具安全性的对策措施进行探讨。
1.1 炸药爆炸机理
炸药根据微观结构形态分为均质炸药和非均质炸药。
均质炸药的起爆过程用热爆炸理论解释为:外界能量作用于炸药后,首先受到能量激发作用的一层炸药整体被加热,发生爆轰化学反应,爆轰化学反应产生的能量推动未被激发的炸药以爆轰化学反应波的形式向前传播,直至形成稳定的爆轰过程[3]。
非均质炸药和均质炸药的起爆过程有很大区别。
一般认为,非均质炸药在外界能量作用(撞击、摩擦、挤压等)下,机械能转化为热能,热能并不是在均匀作用下平均加热,只是在炸药局部区域(空穴、空隙、杂质等)加热,该部分温度大大高于平均温度,从而局部形成热点,首先在热点部分燃烧,从而激发热点附近的炸药晶粒发生化学反应,反应所释放的能量以热点为中心迅速扩展,使更多的炸药卷入化学反应,更多的能量放出,最后演变为稳定爆轰反应。
笔者所述起爆具的主要成分为梯黑混合药,是由两种不同性质的单质炸药经熔混工艺制成,属于一种非均质炸药。
1.2 起爆具自动化生产工艺及设备
1.2.1 生产工艺流程
原料经筛检计量后,通过加料输送系统加入指定物料罐,其中,梯恩梯在熔化罐熔化后自动流入混合罐内,黑索金或太安通过振动装置加入混合罐内混药。
混合好的药液流入注药机内,注药工位信号开关检测到组装好的模具板到位后,开始注药,药液液位达到程序设定数值,关闭注药阀完成注药。
完成注药的起爆具半成品通过振动、常温、冷风护理后输送到退模工位进行卸冒口、退模、贴标,再输送至包装工序进行检测包装。
具体工艺流程如图1 所示。
图1 起爆具自动化生产工艺流程
1.2.2 主要生产设备及自动控制系统
熔化、混合、注药系统生产设备为起爆具生产线的关键设备,一般分为3 层布置:顶层布置有梯恩梯熔化罐、黑索金料仓,用于TNT 熔化及黑索金加料暂存;中层布置混合罐,用于TNT 与固相组分的混合;底层布置注药系统,用于药液的定量浇注。
倍速链自动输送、护理、退模及辅助系统等全部布置于地面,用于起爆具的输送、护理和退模等。
控制系统采用大容量可编程控制器为主导控制器件,具有检测、显示、记录工艺参数,现场和远距离调控,超限安全连锁等功能。
控制操作台显示温度、转速、液位等关键工艺参数[4]。
1.3 起爆具生产线安全风险分析
起爆具生产工艺技术相对其他民爆产品而言,具有工艺流程短、设备相对简单等特点,结合连续自动化熔注药生产工艺和民爆行业对安全生产的要求,起爆具生产线生产过程中的安全风险主要表现为以下3 个方面。
1.3.1 原材料安全风险
该环节安全风险包括以下因素:
1)入厂检验控制不严,导致固体物料细度不达标。
原料梯恩梯鳞片状大小对熔化过程安全性影响不大,而固体黑索金粉末细度指标控制不好会对物料混合过程产生影响:粒度太细,在混合罐微负压的环境中,会有一定量的黑索金粉末被吸入排风除尘管道而沉积在管道内壁,既造成药粉浪费,又造成新的安全隐患;粒度太粗,注药后护理过程固体物料容易产生沉淀分层,导致起爆具药体上下层密度不均匀,影响起爆具爆炸性能,在爆破工程中可能发生起爆具爆燃事故,增加现场处理盲炮的风险。
2)上料过程筛检剔除工作不细致,导致杂质混入原料后流入熔化罐。
生产起爆具时主要危险性原材料为鳞片状梯恩梯和粉末状黑索金(或太安)。
梯恩梯包装形式一般为内衬牛皮纸袋、聚乙烯塑料袋、外套编织袋用棉线绳封口。
黑索金包装形式主要有木箱和人造木纤维圆桶,内衬牛皮纸袋、聚乙烯塑料袋用棉布条扎口,外包装用直径为0.5 mm 钢丝铅封。
若在上料过程筛检剔除环节出现工作疏忽,原材料在上料过程中可能混入金属或棱角状杂质,或将包装铅封及钢丝混入熔化罐和混合罐,在物料混合过程中,外来杂质与搅拌叶片发生碰撞、摩擦,严重时产生火花和热积累,可诱发物料燃烧、爆炸。
1.3.2 主要生产设备安全风险
1)熔化罐、混合罐及工艺管路
当熔化罐采用盘管式热水加热时,熔化效率低,且易造成梯恩梯局部堆积,存在重复加热的安全隐患。
过热水供热系统控制措施不完善或运行中出现故障,熔化罐内熔化后梯恩梯物料存在超温及混合罐混合的梯黑药液物料存在低温、超温失控的安全风险。
物料混合过程中,没有严格按照操作规程规定的加料速度和混合时间加入固体物料,导致部分固体粉末无法被TNT 液体充分包覆;注药过程注药阀开关动作对固体粉末颗粒产生摩擦挤压;药液温度降低至接近或低于凝固点,药液处于似凝非凝黏稠状态,搅拌叶片转动会产生较大黏滞力和摩擦作用,在搅拌过载联锁失效情况下,存在超温、摩擦,易引发燃烧、爆炸风险[5]。
设备维护保养不到位,运行期间搅拌叶片超过疲劳和极限强度,叶片损伤变形或脱落,与罐体底部或侧壁间隙缩小,叶片搅拌时与物料摩擦挤压发生危险。
罐体之间物料输送工艺管路上设有放料阀门,当管路保温措施失效,梯恩梯易结晶,导致放料阀门开关时,阀片对阀体内壁黏附的凝固危险物料挤压摩擦,存在燃烧、爆炸风险。
罐体设备排风除尘管路呈树状网络布置,沉积在网络管路内壁的药尘在外界能量激发下发生局部燃烧后,存在管路间燃烧反应互相串通导致危险扩大风险。
2)注药罐
采用上展型注药阀,阀垫发生老化破损,开关时阀芯与阀体产生金属摩擦,作用于残留凝固药体,存在燃烧爆炸风险。
采用称重注药模式计量,电子称重装置需要举升脱离模具板后,方可读取称量数据,由于举升装置和产品模具底部接触面积过小,加上注药称重装置举升过程对模具板剐蹭作用,产品容易倾倒,药液外洒,污染现场作业环境,增加残药清扫难度和危险性,同时降低生产效率。
1.3.3 生产工艺过程风险
起爆具自动化二次熔注工艺遵循传统手工浇注工艺特点设计,通过自动二次补注的作业方式既保证产品质量,又不产生冒口等工艺余料,但需增设一套独立式熔注设备,使得工艺设备布置较为复杂,同时增加了在线药量、管理难度和危险性。
生产过程控制不严格,关键工序温度、转速、加料速度、护理时间等工艺参数失控,影响生产工艺过程安全;块状工艺余料直接投入混合罐内,存在搅拌叶片与固体物料摩擦撞击的风险。
起爆具生产过程中的风险和安全隐患来自原材料、生产设备及工艺控制过程的各个环节,因此,必须高度重视和加强全方位、全过程的安全控制与保障措施,强化全员风险意识,做到安全关口前移,从安全技术和组织管理等多角度提升本质安全生产水平。
2.1 原材料控制措施
严格原材料进货质量控制和入厂检验,加强固体粉末物料细度指标的抽查检验,避免细度超标给生产和使用造成隐患,并兼顾生产安全与产品质量的平衡。
加强原料中的杂质处置工作,借助人工筛检、磁吸附、熔化、注药过滤装置等方式和技术手段保证原材料的质量,防止杂质混入。
2.2 主要生产设备控制措施
2.2.1 熔化罐、混合罐及工艺管路
目前,熔化罐多采用V 字形格栅式加热结构,格栅悬空在熔化罐的中下部位置,增加了换热面积,避免采用罐体周边盘管加热式熔化设备,消除重复加热,提高熔化效率,减少梯恩梯蒸气蒸发,实现了物料即熔即流。
完善熔混设备安全联锁控制系统,实现了生产过程的实时报警与故障自诊断功能。
当熔化罐热水上水温度超过工艺温度上限,系统发出声光报警;超过极限温度,系统自动停止热水泵,并启动设备内置消防水。
当混合罐物料温度超过工艺温度上限,系统发出声光报警;超过极限温度,系统自动停止热水泵,并启动设备内置消防水;物料温度低于工艺温度一定梯度,固体物料停止振动加料,当物料温度升至工艺温度范围内,固体物料重新启动开始加料;当物料温度降至凝固点以上一定梯度,停止搅拌。
通过设定加料装置振动频率,控制固体物料加料速度,严禁快速大量添加固体物料,造成药液混合不均匀从而出现“干球”现象。
设备出现故障,人机界面窗口会弹出故障报警信息和故障特性,为技术人员处置故障提供参考。
在保证药液混合均匀前提下,尽量降低搅拌转速;在混合罐搅拌主轴安设振动测试仪,随时监测主轴运行情况,发生叶片损伤变形或脱落,搅拌运行失衡超限,系统发出声光报警;设置搅拌电机过载报警,实现搅拌出现异常的双重保护。
罐体之间工艺管路上进行无阀设计,实现熔化物料无障碍输送,工艺管路无死角、无积料,彻底消除管路阀门开关时,阀片对阀体内壁黏附的凝固危险物料的挤压摩擦作用,物料输送环节的安全性得到保障。
在单台罐体设备排风除尘管道上设置独立管道隔爆器,有效降低通风管道之间药尘殉爆风险。
2.2.2 注药罐
放料阀和注药阀采用保温夹管阀,通过气动元件控制夹管阀内氟橡胶双曲线阀管的开关,实现注药过程无金属挤压剪切作用,并设计为易于更换的快接结构,便于维修;注药阀外加集中热水保温夹套防止注药过程中物料结晶堵料。
该注药结构消除了上展注药阀在开关时金属阀芯上下移动时对物料产生挤压摩擦的安全隐患,提高了注药过程的安全性。
注药计量部分采用超声波液位检测计量模式,通过精准控制冒口液位实现定量注药。
注药时产品模具底座被嵌套在输送板定位坑内,产品在注药及输送过程中非常稳定,注药计量精度高,克服了称重注药模式产品在举升过程容易倾倒和药液四处飞溅的缺陷,减少了清理残药的频次,消除了安全隐患。
健全关键设备维护保养管理制度,强化日常维护保养,并重点关注阀门及传动部件的运行状况,对存在漏药、联锁控制失效、设备及管道内药料结晶等问题必须定期及时逐项排查,做到工艺设备生产运行稳定、安全联锁系统有效可靠、设备及管道内外始终处于清洁状态。
2.3 工艺过程控制措施
通过优化工艺设计,采用一次自动浇注工艺,配套专用保温冒口,可有效避免产生缩孔、裂纹等产品质量问题,简化生产工艺,减少危险因素和潜在危险点,提高生产工艺安全可控性,实现安全、质量与效率平衡统一。
生产工艺过程控制不放松,严格监控关键工序的温度、转速、加料速度、护理时间等工艺参数,使其始终处于合理范围之内,一旦超限,立即采取纠偏措施予以纠正;块状工艺余料严禁直接投入混合罐内,必须通过专用熔化设备熔化后再放入混合罐内使用。
通过分析,起爆具自动化生产工艺设备安全风险有以下几方面:原料入厂检验把关不严导致固体物料细度超标;物料筛检操作不仔细导致杂质混入混合罐;熔化罐盘管式加热结构使物料重复加热;加料速度过快导致药液混合不均匀;混合罐搅拌结构设计和制作加工质量问题使搅拌叶片过早疲劳变形;罐体之间工艺管路阀门和上展注药阀开关对物料结晶摩擦;称重模式计量增加工艺控制和残药清理难度;排风网络管路内药尘集聚互相串通风险;工艺设计缺陷和过程控制不严格;安全联锁参数设置不合理或出现故障导致工艺参数失控等。
针对此安全风险,可通过采取以下几方面对策措施,将起爆具生产过程存在的安全性风险降低,使生产安全始终处于可控状态,从而实现安全生产的目的。
1)严格控制原材料入厂检验,确保每批原材料特性符合工艺规定的技术指标要求;完善安全操作规程和生产过程控制规范,做到现场操作有章可依,规范操作,避免操作随意性引发的安全风险。
2)应重点关注熔注系统关键生产设备的安全特性,包括:定期检查固体物料添加装置运行可靠性,搅拌装置轴承密封和叶片的耐用性,强制对注药阀和液位检测传感器维护更换,低温、超温及过载安全联锁控制系统定期验证,定期清扫排风管路药尘等。
3)生产线选用的工艺技术路线应简单有效,实现产品质量、生产安全与效率的有机统一,既提高安全性,又能带来经济和社会效益。
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