壓縮空氣系統事故影響因素分析

步 彬，盧黨悅

1 前言

壓縮空氣由于清潔、易輸送，被廣泛應用于自動控制系統，成為僅次于電力的動力源。相對于電、燃氣和蒸汽等能源，由于空氣安全性能好，人們在生產使用中隱患意識不強，從而導致近年來壓氣系統安全事故頻發。本文結合生產實踐，利用安全工程理論，從辨識空氣系統事故為起點，運用事故樹和層次分析法，逐步剖析空氣系統事故，從而制定相應預防措施，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業的安全穩定發展。

2 研究背景

隨著產業技術革新，壓縮空氣應用日益廣泛，在企業生產中壓縮空氣的能耗占全部電力消耗的10%～40%，目前已是工業中應用最廣泛的動力源之一[1]。例如，以空壓機組耗電占工廠總耗電百分比為指標，糧食存儲中轉企業為15%[2]，橡膠制造業為30%[3]，而紡織廠則占總電耗的40%以上。根據壓縮機協會統計，壓縮機耗電占全國總發電量的8.9%，而歐洲及日本等主要發達國家約為10%。

3 壓縮空氣系統事故因素辨識

3.1 壓縮空氣系統事故種類

壓縮空氣系統出現的事故，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腔、管道等內部，形成積碳。積碳主要是由固態含氧物、碳氫化合物及金屬粉末組成，其含油量高達30%，一旦遇到靜電或火花，積碳中的油迅速汽化產生碳化氫為主的混合物，當濃度達到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）潤滑油質不合格；

（2）設備油氣密封不良；

（3）設備內部積碳層未不及時清理；

對空氣壓縮機組，應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的規定值。

表1 最大允許積碳厚度

根據相關研究，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，空氣流速應在12～18 m/s。因為，當空氣流速減慢時，不足以帶走積碳層孔隙內油氧化的熱量，就會使其積聚從而引起自燃。

（5）防靜電設施失效；

2）分離器蝕穿事故

分離器是根據氣、液的離心力不同而進行相分離的設備，當旋轉下降的氣流攜帶雜質到達底部轉而向上時，其切向速度最大。因此，椎體底部紊流最強，顆粒和壁面總在不斷摩擦，雜質侵蝕最嚴重。另一方面，碳鋼內部存在著空穴和夾雜物，當原子在內部逐漸擴散時，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，發生層狀裂紋或鼓泡現象。另外，鋼材中Mn類雜質物含量多時，也易減弱鋼材抗應力腐蝕能力，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，需要加熱空氣進行再生。但是由于加熱器程序、電氣開關故障等因素，常會發生電加熱元件持續加熱，引起容器材質蠕變形成鼓起，從而導致加熱器發生爆裂事故。

3.2 壓縮空氣積碳燃爆事故分析

1）構建積碳燃爆事故樹

首先，根據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

為了便于進行邏輯分析，可對事故樹進行簡化處理，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生的最低限度的基本事件集合。最小割集就多，就說明系統處于危險狀態，可利用布爾代數法求最小割集。

最小徑集，即不引發頂層事件所需的最低限度的基本事件的集合。

T′=A1+A2+X16

得出該事故系統的最小徑集9個，分別為：

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

3）構建層次分析結構

利用情景教學法開展教學的方式多種多樣，應在能力范圍內結合學生的實際情況，將教學內容進行合理的設計的運用，為學生創造出合適的、富有情感特色的教學情境，讓學生在情境的交融中體驗科學的魅力，積極的進行探索理解科學知識。例如在教學《陽光下的影子》時，教師可以用猴子撈月的故事進行導入，向學生提問：在生活中怎樣可以產生影子，產生的影子有什么區別？請同學畫一畫自己心目中的影子，帶領同學操場上驗證看看自己畫的影子是否準確，請學生尋找還有哪些物體有影子，使學生認識到只有在有光線的地方才能產生影子。生活中處處都有科學，從實際生活入手創設教學情境，改變原來沉悶的課堂氛圍，提高學生實際運用科學理論的能力。

根據前面采用的事故樹結構，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備質量、原料供應和維護操作問題劃分，形成以目標層、準則層和指標層等三個層次框架的結構模型,見圖3。

圖3 積碳燃爆事故層次分析結構模型

首先，通過建立層次分析結構模型，將積碳燃爆事故的基本事件進行歸納，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構基本事件表

利用事故層次分析結構模型，形成調查問詢表由專家評估，根據比例標度構建成對比較矩陣，見表3所示。

表3 B層對目標A判斷矩陣

其次，再通過問詢專家對該事故各個準則的下一層指標對該準則間的重要關系，得到各指標對相應準則的成對比較判斷矩陣。然后，將構造出的成對比較矩陣進行歸一化處理，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行一致性檢驗，以證明該矩陣邏輯的合理性，最后進行結果分析。

（1）矩陣一致性指標（CI）

其中n--矩陣的階數；λmax--矩陣的最大特征值。

（2）隨機一致性指標（RI）

可根據表4查詢對應成對比較矩陣階數的隨機一致性指標（RI）。

表4 隨機一致性指標RI值

（3）一致性比率（CR）

（4）計算該事故權重及一致性指標

根據公式（2）和公式（3）及成對矩陣，經計算得到表5。由表5可得，準則B層對目標A層的判斷矩陣的一致性比率為0.0372，指標C層對準則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。然后根據各指標的總權重分析，指標C9的總權重最高為0.4011，即油質不合格指標尤為重要；接著是指標C7和C2，即空氣質量差和油水分離器失效等指標為；其余指標所占比率較為接近，可作為一般控制措施。

表5 成對比較矩陣指標權重分析計算表

4）控制及預防措施

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

綜上所述，制定出如下的壓縮空氣系統積碳事故預防及控制措施：

（1）根據《空氣壓縮機油》（GB12961-90）要求，選用空壓機專用潤滑油，尤其注意潤滑油與其他油品不得混裝、混用。當機用潤滑油使用超過4000 h后，應及時更換。

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

（3）定期更換進氣過濾器芯，確保吸入空氣的清潔。

（4）做好空壓機組油氣密封件和級間填料層的保養維護工作，定期檢查油封間隙，應通過建立潤滑油耗臺賬加以統計分析，以此及時發現潤滑油跑入空氣系統中預兆。另外，也可以通過定期化驗末級冷卻器前空氣中含油量，進行化驗數據跟蹤比對。

（5）定期對空壓機組級間管道進行除銹噴砂，在條件允許的情況下，可在管道內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與氣油混合物夾雜后更易形成積碳。

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

4 結論

事故樹分析法有助于對事故產生原理進行邏輯分析，組織出導致事故發生因素間的邏輯關系結構，但進一步分析時需依據基本事件的概率統計，然而由于空氣系統安全研究起步較晚，關于空氣系統積碳燃爆事故的基礎統計較為匱乏，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行權重計算，從而形成系統的計量分析，有助于發現壓縮空氣積碳燃爆事故各致因間的關聯和權重，對企業的安全管理提供客觀、理性的決策依據。

[參 考 文 獻]

[1]周佃民.壓縮空氣系統節能技術綜述[J].上海節能，2010(10).

[2]于永勝，王自良.空氣壓縮機組安全經濟運行控制系統的設計[J].糧食流通技術，2010(3).

[3]蔡茂林.輪胎制造業的壓縮空氣系統整體節能技術[J].現代制造，2010(1).

[4]蔣其昂.壓縮空系燒爆任分析[J].裝備維修技術，2002(2).

[5]張琪;湯衛華;張龍.膜除濕技術在氣體干燥中的應用[J].艦船防化，2011(3).