火炸藥工藝安全性的研究方法

王曉峰

工藝安全是火炸藥產品實現工業制造的前提。隨著新材料、新工藝的不斷涌現,長期積累的老經驗不再完全適用和可靠,傳統的試錯型工藝研究方法又不再可行,如何實現和保障工藝安全,成為我們當前需要突破的一個重大“瓶頸”。

由于工藝安全工作涉及到方方面面,是一個復雜的系統工程,自然會引起各方的高度重視和積極作為。但是,在這個復雜系統中,如何抓住最基礎、最核心的要素,如何協同各方形成合力和取得實效,需要我們從認識論和方法論的高度進行系統思考。

1 工藝安全和工藝安全性

什么是“安全”?按照中文“無危則安,無缺則全”的釋義,“安全”是相對于“危險(hazard)”而言的,是指不受威脅,沒有危險、危害、損失。而實際上,危險無時無處不在,正如俗話所說的“人在屋中坐,禍從天上來”,絕對的安全是不存在的。所以,準確地講,“安全”應該是相對于“風險(risk)”而言的,“風險”是對某一危險的可能性和嚴重性的綜合度量。

按照國家標準(GB/T 28001)的定義,“安全”是免除了不可接受的損害風險的狀態。當風險的嚴重程度是合理的,在經濟、身體、心理上是可承受的,即可認為處在安全狀態;當風險達到不可接受的程度時,則形成不安全狀態。不可接受的損害風險指超出了法規的要求,超出了方針、目標和組織規定的其他要求以及超出了人們普遍接受程度的要求等。國際民航組織對“安全”的定義與此類似:安全是一種狀態,即通過持續的危險識別和風險管理過程,將人員傷害或財產損失的風險降低并保持在可接受的水平或其以下。

對“安全”概念的深究,是為了防止兩種傾向:一是追求絕對的安全,抓不住主要矛盾;二是認為安全不可控,從而放松應有的努力。

從范疇看,安全有廣義和狹義之分。廣義的安全是生產、生活、生存領域的大安全,是全民、全社會的安全;狹義的安全是指某一領域或系統中的安全,具有技術安全的含義,如生產安全、交通安全等。工藝安全是一種狹義的安全,是生產安全的核心內容,指的是在生產過程中,將工藝系統(物料、工裝、設備、設施)的運行狀態對人的生命、財產、環境可能產生的損害控制在可接受水平以下的狀態。

如何實現工藝安全? 在工藝設計和運行管理兩個階段中,工藝安全設計顯然是根本。從設計階段就對安全問題進行科學和周密的考慮,防止“先天不足”,是安全生產中一個至關重要的環節。

工藝安全設計就是把生產過程中潛在的不安全因素進行系統地辨識,這些不安全因素能在設計中消除的,就在設計中消除,達到“本質安全”;不能消除的,則要在設計中采取相應的控制措施和事故預防措施,如安全聯鎖系統、泄壓系統、隔離操作、消防噴淋等,來降低事故發生的概率和損失程度,達到“設計安全”。

本質安全是指采用無危險性物料和適宜的工藝條件來消除危險和實現安全?；鹫ㄋ?以及主要原材料、半成品等)本身就是危險品,所以,火炸藥工藝的本質安全,必須在工藝條件上下功夫——掌握工藝安全邊界條件,限定工藝參數調節范圍。誠然,由于火炸藥物料的特殊性,火炸藥工藝過程的本質安全并不容易實現,但安全設計的最終目的是要消除危害而不僅僅是要靠設計手段來控制它,因此,本質安全才是火炸藥工藝安全設計追求的核心目標,盡管很難,但絕不應回避。

本質安全的提出蘊含著一個基本邏輯,即存在著一種本征屬性,影響甚至決定著安全,這種本征屬性就是“安全性”。安全性是一種性質、特點,按照GJB 900A-2012《裝備安全性工作通用要求》的定義,安全性是“產品具有的不導致人員傷亡、裝備損壞、財產損失或不危及人員健康和環境的能力”。將該定義從產品延伸到工藝,工藝安全性則是指工藝系統(物料、工裝、設備、設施)具有的不導致事故發生的屬性和能力。工藝的本質安全(狀態)是由工藝系統的安全性(屬性)決定的,不承認這一點,就會走向安全不可控的虛無論。在工藝系統中,物料是內因,工裝、設備和設施等是外因,內因起決定作用,外因通過內因而起作用。對于物料而言,其安全性取決于其在加工過程中的穩定性;對于工裝、設備和設施而言,其安全性包括兩方面:一是其自身結構的穩定性和魯棒性;二是其功能屬性的準確性和可靠性。工裝、設備和設施的功能主要是對工藝條件的控制,而工藝條件中的具體安全要求則來源于物料的安全閾值,追根溯源,工藝安全性的核心是物料的安全性,抓住這個核心,才能為整個工藝系統的安全管控提供科學的依據。

2 火炸藥工藝安全性

火炸藥是一種亞穩態物質,在一定條件下可以穩定存在,但達到激發條件時會發生反應,以燃燒或者爆轟的物理化學方式釋放能量并實現對外作功。因其氧化劑和還原劑集于一身的組成特征,其組成元素的物理化學變化過程在封閉體系下即可自持完成,無需其他物質參與?；鹫ㄋ幾钔怀龅奶卣魇且谉岱纸?、易燃燒、易爆炸、易殉爆和易發生從熱分解到爆炸的鏈式反應,簡稱易燃易爆性。

正是因為火炸藥具有易燃易爆性和燃爆反應的劇烈性及其自持性,一旦發生事故,在民用行業常用的一些安全防護措施所能發揮的作用常常極為有限,即使事故未導致人員傷亡,所造成的財產損失、環境破壞和心理沖擊往往也難以承受,因此,火炸藥的工藝安全才更應該以本質安全為重心。

如前所述,要實現火炸藥加工的本質安全,必須研究、了解和掌握相應的火炸藥工藝安全性,其核心則是火炸藥物料的安全性。安全性是一種籠統的說法,并非特指某種具體屬性,而是指與安全有關的性質的集合。與安全有關的火炸藥物料的性質主要包括以下4類:(1)安定性:指與外界條件和時間有關的組成和結構的穩定性,包括化學安定性(分解)、物理安定性(揮發、升華、轉晶、遷移等)、結構(包括微結構)完整性(損傷及其演變)、接觸相容性等;(2)敏感性:指各種刺激(熱、機械、靜電和沖擊等)下的感度和點火閾值;(3)反應性:包括點火增長特性、反應熱力學和動力學行為以及反應烈度等;(4)破壞性:指燃燒、爆炸效應及其作用程度和作用范圍。

需要注意的是,火炸藥物料的安定性發生變化,其余性質都會隨之變化,尤其是敏感性。所以,絕不能以僵化、固定的眼光看待火炸藥物料,要高度關注物料的狀態變化及其影響(事實上,物料狀態在工藝過程中就是一直在變化的),狀態發生變化,應視之為一種新物料,需重新測定其相關性質參數的量值。

由此,可以將工藝過程中火炸藥物料安全性的研究內容分為以下兩類:

(1)從防范事故發生(事故可能性)的角度看:研究內容主要是火炸藥物料的安定性和敏感性,核心是外界刺激的類型及其強度與火炸藥物料響應特性、點火機制及其相關感度之間的定量關系;其落腳點是控制外界條件,使其作用于物料的刺激量小于物料在該種刺激下的點火閾值(當然需有相當大的裕度)。

(2)從控制事故破壞程度(事故嚴重性)的角度看:研究內容主要是火炸藥物料的反應性和破壞性,核心是反應動力學特性、反應效應與相關影響因素之間的定量關系;其落腳點一是控制反應劇烈度,包括反應類型、參與反應的物質的量和反應區域范圍;二是采用適配的距離、阻隔、屏蔽等方法進行安全防護。

3 火炸藥工藝安全性的研究方法

傳統的工藝安全性研究方法主要有試驗摸索法和相對比較法兩種。

試驗摸索法:顧名思義,就是對擬加工生產的產品,采用生產加工設備,改變工藝條件,摸邊探底,試圖找到安全邊界。這種方法的問題是:

(1)因工藝設備能力所限或試驗設計的局限,往往摸不到邊、探不到底;

(2)試驗本身存在風險,如果發生反應,將會造成設備和設施的損毀,所以不能在生產線上實施,只能進行代價高昂的外場試驗;

(3)試驗樣本量有限,結果的可靠性難以保證。

相對比較法:適用于變產品不變工藝的情形,通過對比新產品與之前生產的產品的感度來評判安全性。這種方法的問題是:

(1)火炸藥有多種感度,不同的感度代表不同的點火機制,應比較哪種感度?

(2)新產品感度高于原產品,或新產品和原產品的多種感度互有高低,如何比較?

(3)原產品的工藝就一定能保證安全嗎?

這兩種方法,一種基于有限條件去試錯,一種基于已有經驗去外延,都存在無法回避的問題,決定了這兩種傳統的方法在今后的實踐中都很難實施,迫切需要建立基于基本原理和本征數據的正向演繹型研究方法和研究范式。

這種新的研究方法可表述如下:“以物料為核心,以物料在外部作用下的動態響應為重點,采用模型和模擬相結合的方法,揭示總結點火機制;采用機制等效模型試驗,確定不同機制下的點火閾值;通過物料所受刺激量與點火閾值的對比分析,結合數理統計方法,實現對工藝本質安全性的科學評價?！?/p>

上述方法的內涵可以概括為四句話:一個核心,兩次轉換,機制為本,定量評判。

一個核心:即以火炸藥物料為核心,火炸藥工藝安全性取決于火炸藥物料的相關本質屬性,應把研究的重心轉移到物料上來、聚焦于物料的安全邊界上來,掌握了這一點,安全就是可控的。

兩次轉換:第一次轉換是“由外到內”,即把視角由外部設備、環境等加載的工藝條件轉換到工藝“黑箱”內部物料所感受到的刺激及其在刺激下的動態響應上來,因為外界的加載類型和加載量不等于物料受到的刺激類型和刺激量,比如烘干時的加熱溫度不等于物料的實際溫度、攪拌時的攪拌速度不等于物料的運動速度,等等。第二次轉換是“由內到外”,即將工藝安全閾值的獲取方式由工藝實證試驗轉換為物理模型試驗,因為我們無法在產線設備上進行工藝極限試驗以獲得內部物料的點火閾值,但卻可以在產線外另建機制等效的物理模型試驗裝置和方法,不僅方便易行,而且有足夠的樣本量,可保證所測點火閾值的可靠性。

機制為本:工藝過程中火炸藥物料發生點火,可能存在多種點火機制,若機制不明,則采取的措施就不能有的放矢,甚至會南轅北轍。要準確了解機制,就必須全面研究物料在外界刺激下的動態響應過程,掌握其響應特性,總結可能的點火機制,進而通過對比分析,明確主要機制,在此基礎上,才能采取針對性技術措施進行防控。

定量評判:在上述第一次轉換中,可獲得工藝過程中物料所受到的各類刺激的刺激量,在第二次轉換中,可測得不同類型刺激下物料的點火閾值。將刺激量和點火閾值相比較,再結合方差分析和顯著性檢驗等數理統計方法,就可實現本質安全度的定量評價。

4 火炸藥工藝安全性研究的技術挑戰

上述方法的道理并不難理解,但在實際運用時卻不易做到,需要解決4項技術難題。

一是工藝“黑箱”如何“透明”?

要實現本質安全,必須掌握安全機理,這就不能先入為主、自以為是,首先需要全面、客觀地了解工藝過程中的所有現象,之后才可能“透過現象看本質”。但工藝過程是個“黑箱”,既不能打開,又不能從外部直接觀察其內部狀態,所以在上述第一次轉換中,對于物料的時空演變過程,僅靠觀測的手段,所能獲得的信息極其有限,這就需要建立工藝模型,采用模擬的方法,完整呈現物料的動態響應行為和響應特性,為正確地揭示安全機理提供依據。模型和模擬(Model &Simulation)方法并不是什么新鮮事物,已被廣泛地接受和應用,在火炸藥工藝安全性研究領域也已開始推廣,但有兩方面的突出問題需要持續改進:一是模型的準確性,應充分地進行驗證修正,不斷迭代提升;二是模擬的尺度,由于火炸藥物料大多為非均質非均相材料,其點火都是基于局部“熱點”的產生和成長,所以不能停留在宏觀模擬,需實現由宏觀到細觀的跨尺度模擬。

二是點火機制如何確定?

從實際工況和物料狀態的多樣性來看,往往會感到“亂花漸欲迷人眼”,覺得火炸藥工藝安全性難以把握。但是,如果以物料為核心,從火炸藥物料本質屬性的角度去看,按照火炸藥點火和起爆的基本理論,工藝過程中物料意外點火機制的問題就有了可依據的知識體系以及解決的技術途徑和方法?；鹫ㄋ幩芡獠看碳さ念愋秃蛷姸入m然在不斷增加,但究其機理,點火機制并不多,可歸納為沖擊起爆(點火)和非沖擊點火兩大類,安全性問題涉及的主要是非沖擊點火,常見的無非熱、撞擊、摩擦、剪切和靜電等幾類。相關研究本身并不復雜,而實際工況的復雜性在于往往存在多種機制的耦合和轉化,從中辨別出主機制,就需要對物料感受到的各類刺激進行量化表征。

三是刺激量值如何獲取?

由設備施加的外圍工藝參數很容易測量獲取和調節控制,但物料本體受到的刺激參數以及刺激下的響應參數則幾乎是不可測的,通常只能測得物料表界面處的少量參數,而物料內部參數(尤其是動態參數)只能通過工藝模型進行計算。由于不是直接測量,計算結果的準確性就更難保證。在運用工藝模型計算時,需要輸入物料自身的一些材料性質參數,所以,計算結果的準確性主要取決于材料性質參數數據的準確性和工藝模型的準確性。為保證材料性質參數數據的準確性,需要建立標準測量方法,進而建立材料數據庫。而工藝模型的準確性,需要進行足夠樣本量的多級亞尺寸工藝試驗乃至全尺寸工藝試驗,用可測參數的預估值和計算值進行比對,反復校核和修正模型,達到一定的精度要求后再計算不可測參數。

四是點火閾值如何測定?

如前所述,點火閾值的測量不能在實際產線設備上實現,需要進行第二次轉換,另建機制等效的物理模型試驗裝置和方法。對于刺激類型單一和點火機制明確的工藝,很容易轉化成一個標準的物理模型試驗,如烘干等靜態加熱工藝,其物理模型試驗就是自發火試驗或烤燃試驗等,通過一定樣本量的試驗,就可獲得熱引發機制的點火閾值(自發火溫度或烤燃溫度)。對于刺激類型多樣和多種機制并存的工藝,需要將其分解為單一機制,分別建立機制等效物理模型試驗,以獲取不同機制的點火閾值。比如加熱攪拌混合工藝,刺激類型有熱刺激和機械刺激,點火機制有熱、摩擦、剪切等多種,就需要分別建立熱、摩擦、剪切等物理模型試驗方法;考慮到熱力耦合效應,可以在熱試驗方法附加機械攪拌功能,也可以在摩擦、剪切等試驗方法中附加加熱功能。

可以看出,上述技術突破后,最核心的成果就是工藝模型和數據庫,有了這兩項成果,火炸藥工藝安全性的研究就可形成基于模型和數據雙驅動的正向設計模式。

5 結束語

上述方法的實施,要求實施者具有深厚的專業知識和全面的技術能力,這對任何個人而言都是難以做到的,必然要求物料、設備、工藝、測試和模擬等多專業的密切協同,這對當前的科研組織模式、管理模式和評價模式也提出了新的挑戰。

上述方法的成效,最終取決于相關領域的技術底蘊和技術水平,必然要求持之以恒地體系性加強基礎研究和應用基礎研究,克服急功近利思想和傳統路徑依賴,堅持走技術科學發展道路,讓基礎研究成果在工程實踐中創造不可替代的價值。

王曉峰

二〇二四年二月