VEBW技術生產特厚板的事故風險及其控制措施

張新法，龔 偉，曹瀧福

（1.遼寧省安全科學研究院，遼寧沈陽110004；2.東北大學冶金學院，遼寧沈陽110004；3.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司安全環保部，遼寧營口115000）

VEBW技術生產特厚板的事故風險及其控制措施

張新法1，2，龔 偉2，曹瀧福3

（1.遼寧省安全科學研究院，遼寧沈陽110004；2.東北大學冶金學院，遼寧沈陽110004；3.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司安全環保部，遼寧營口115000）

特厚板廣泛應用于工程領域，真空電子束焊接技術生產特厚板優勢明顯。真空電子束焊接生產特厚板的實驗和生產實踐，安全問題不容忽視。對特厚板的真空電子束焊生產系統的事故風險辨識與分析結果表明，機械傷害、電離輻射、起重傷害、觸電、火災及噪聲是主要事故風險類型，對主要的事故風險類型進行預先危險性分析。將安全技術標準提出的原則具體化、不斷提高設備本質生產水平等是特厚板真空電子束事故風險控制和事故預防的有效措施。

特厚板坯；真空電子束焊接；事故風險；安全措施

0 前言

高壓鍋爐、高強船板、核電、海洋石油平臺、大型橋梁建設等工程領域對特厚板坯（厚度大于100mm）有著大量需求。作為目前最高性能的焊接水平的代表，真空電子束焊接（VEBW）在大厚件焊接復合方面一直具有優勢[1]，日本JFE鋼鐵公司利用真空電子束焊接技術開發了一種生產特厚板坯的新工藝[2]。電子束焊接的最大特點是能量密度高度集中和局部高溫，與傳統模鑄工藝和新興電渣重熔技術相比[3]，特厚板真空電子束焊接技術具有生產效率高、成材率高的優勢。但是，真空電子束焊接技術作為新興的焊接技術手段，仍處于工業化應用階段，相關文獻報道也主要集中在工藝技術研究本身，安全生產技術方面的研究報道較少。因此，研究特厚板真空電子束焊接生產過程中的事故風險及其安全對策措施，清晰認識和預防、控制主要事故風險，既是不可回避的重要問題，也有利于推動特厚板VEBW技術的更好應用。

1 特厚板VEBW生產技術

特厚板真空電子束焊接系統的主要生產設備由焊前機械加工設備、真空電子束焊機和物料運輸設備三部分組成。其中，機械加工設備主要包括銑床、翻坯機、對齊裝置以及表面清掃裝置；電子束焊機主要由真空室、電子束焊槍、工作臺車、高壓電源、控制系統以及真空室和電子束焊槍的抽真空系統組成；物料運輸設備主要是起重機械和過跨車。此外，真空電子束焊機還有一些輔助設備，如電子槍冷卻水系統和儀表供氣系統。

特厚板真空電子束焊接生產的基本工藝流程如圖1所示。鋼鐵企業或機械加工企業的特厚板生產一般以連鑄坯為原料，在進行真空焊接前，需要對原料的焊接面進行機械加工處理，真空焊接復合生產出的毛坯還需進入后續的加熱和軋制工藝。近幾年，我國多家鋼鐵企業進行了真空焊接生產特厚板實驗和生產實踐，圖2為國內某鋼鐵企業采用真空電子束焊接技術生產的特厚板毛坯。

圖1 特厚板真空電子束焊接基本工藝流程Fig.1 Basic process route of vacuum electron beam welding for heavy-gauge plate production

圖2 真空電子束焊接生產的特厚板毛坯Fig.2 Heavy-gauge steel plate blank produced by electron beam welding technology

2 特厚板VEBW生產事故風險辨識與分析

2.1 事故風險辨識方法和依據

事故風險是指在現有生產和安全管理條件下，事故發生的可能性、后果及影響范圍的組合。目前，事故風險辨識在實際應用中主要依靠類比法和經驗法[4]。特厚板真空電子束焊接生產系統事故的風險辨識活動，以生產系統所涉及的物料、技術設備以及生產過程的固有特點為基礎，結合國家和行業相關安全技術標準進行。

特厚板真空電子束焊接生產系統事故風險辨識主要的標準依據是現行國標《生產過程危險和有害因素分類與代碼》（GB/T13861-2009）和《企業職工傷亡分類》（GB6441-1986）以及主要生產設備如機械設備、真空泵、電熱裝置等的相關安全技術標準。GB/T13861將生產過程中的危險與有害因素分為四大類，即人的因素、物的因素、環境因素和管理因素。GB6441綜合考慮起因物、事故誘導因素、致害物及傷害方式等，將企業職工的傷亡事故分為物體打擊、車輛傷害、機械傷害、起重傷害、觸電、淹溺、灼燙、火災、高處墜落、爆炸、中毒和窒息等，共二十大類。

2.2 事故風險辨識與分析結果

機械傷害無疑是機械加工工序最主要的事故類型。人、機、物、法、環任何一個環節的缺陷都可能導致機械傷害事故。火災事故主要是由于為翻坯機和對齊裝置提供動力源的液壓裝置使用丙類火災危險性（閃點約170℃~180℃）物質——礦物液壓油。液壓裝置若采用已在主體冶金設備液壓裝置上成功應用的水-乙二醇抗燃液壓油，可以有效避免火災事故風險[5]。

真空電子束焊接的電離輻射危害源于電子束焊接過程中產生的X射線。電子束焊機工作時，高速運動的電子束與焊件撞擊使1%的能量轉換為X射線；此外，還可能由于電子束聚焦不全，散射電子轟擊真空室壁而產生X射線[6-7]。電子束焊槍電壓越高，產生的X射線穿透力越大。電子焊槍工作時因冷卻水供水不足、大量泄漏或管路堵塞，冷卻水會迅速汽化升壓引起物理爆炸[8]。由于電子束焊接作業在嚴密隔離的真空室中進行，有效地改善了勞動條件[9]，大大降低了灼燙傷害的可能性，焊接作業產生的粉塵危害也基本可以忽略。然而，配套的真空泵若旋轉部位缺乏有效的安全防護可能誘發機械傷害；抽真空作業也會帶來持續性的空氣動力學噪聲，其中最大的噪聲危害來自于破真空作業；而未充分破真空和通風換氣就進入有限空間的真空室中則會導致缺氧窒息。

起重傷害事故主要發生在板坯的吊運作業中，起重司機和指揮工是最易受到傷害的崗位。起重傷害的直接原因包括吊物墜落、擠壓碰撞、觸電和機體傾翻等方面；間接原因包括作業人員安全素養差、安全技術培訓不到位、起重機械維修保養與檢驗不及時、起重設備本身有缺陷、設備安裝留下的隱患等[10]。

供電設施火災包括變壓器火災、線纜火災以及電氣設備火災；觸電傷害則包括電擊和電傷。具有大功率電子槍的裝置常使用絕緣油的變壓器，變壓器油火災危險性為丙類（閃點約135℃~140℃），高溫、電火花和電弧都會引燃變壓器以至形成火災[11]。電子槍高壓電源是引起高壓電擊的第一類危險源；高壓電擊的原因包括接地不良、未進行安全聯鎖和等電位連接等。

各工藝功能區事故風險辨識結果見表1。其中，特厚板真空電子束焊接生產系統的主要事故風險為機械傷害、電離輻射、起重傷害、觸電、火災及噪聲。

表1 特厚板真空電子束焊接生產系統事故風險辨識結果Table 1 Analysis results of VEBW production system of heavy-gauge plate

2.3 主要事故風險的預先危險性分析

預先危險性分析法（Preliminary Hazard Analysis，PHA）主要用于分析、確定生產系統存在的危險因素導致事故的觸發條件、可能性、危險指數大小、可接受程度和采取的措施。其目的是發現系統中的潛在危險因素，確定其危險等級，提出相應的防范措施，防止這些危害因素發展成為事故。預先危險性分析法評價指標如表2所示[12]。根據事故風險辨識與分析結果，特厚板VEBW生產系統主要事故風險預先危險性分析的具體內容如表3所示，工程項目中常見的起重傷害和觸電傷害在此不做分析。

表2 危險等級劃分Table 2 Classification of risk degree

3 事故風險控制的安全技術措施

3.1 主要的相關安全技術標準

在我國現行的標準體系中，真空電子束焊接最具針對性的安全技術標準是《電熱裝置的安全第7部分：對具有電子槍的裝置的特殊要求》（GB5959.7-2008）和《真空泵安全要求》（GB22360-2008）；機械加工最具針對性的安全技術標準是《機械工業職業安全衛生設計規范》（JBJ18-2000）。與特厚板坯電子束焊接相關的安全技術標準還包括：GB5959.1《電熱裝置的安全第1部分：通用要求》、GB18871《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》、GB50414《鋼鐵冶金企業設計防火規范》以及GB6067.1、《起重機械安全規程第1部分：總則》等。

表3 特厚板VEBW主要事故風險的預先危險性分析Table 3 Result of PHA analysis for main risk types of VEBW production system of heavy-gauge steel plate

3.2 將安全技術標準提出的原則具體化

目前，項目建設領域在設計、施工時普遍存在重工藝、輕安全的現象，這與國家對安全生產工作的重視日益提高形勢相悖。在項目設計和施工階段，特別是編寫建設項目初步專篇安全設施設計時，應將相關安全技術標準提出的原則落實到項目設計和建設中，并提出針對性、具體化的措施，如電子束焊機冷卻水系統水溫、水箱水位的監控；電子槍室被打開并接近帶電部件或高壓電纜被斷開或被錯誤連接或高壓電源外殼打開時電子槍電源應被安全聯鎖切斷等措施以及PHA分析時提出的主要安全措施。

應注意的是，我國工業應用的真空電子束焊機多引自電子束技術研究發達的國家如美國、德國和烏克蘭。技術引進項目同樣應符合我國的安全技術標準要求；若相關安全標準缺乏，應通過專家論證，提出必要的防范措施。

3.3 不斷提高關鍵設備的本質安全水平

真空電子束焊機無疑是特厚板真空電子束焊接的關鍵設備。目前，真空電子束焊機安全技術研究集中在以下方面：高壓電源系統（主要是高壓油箱和電纜）火災和高壓觸電防范技術[16-17]，電子束流的穩定控制技術[18-19]，電離輻射的屏蔽與監測技術[20-22]，以及抽真空系統的噪聲控制技術。通過優化設計、選擇先進材料、工程防護等工作不斷提高真空電子束焊機系統的本質安全水平，是實現特厚板真空電子束焊接安全的最有效手段。

4 結論

特厚板真空電子束焊接生產系統的主要事故風險為機械傷害、電離輻射、起重傷害、觸電、火災及噪聲，事故產生的原因包括布局不合理、缺乏有效的安全聯鎖和監控措施、安全防護不到位等。在項目建設和技術引進時，將安全技術標準提出的防范原則具體化是特厚板電子束焊接安全生產的基本保障；不斷提高關鍵設備的本質安全水平是特厚板電子束焊接安全的最有效手段。同時，重視安全技術培訓、提高操作人員事故現場處置能力也是實現特厚板電子束焊接安全生產的重要方面。

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圖8 斷口形貌

（2）標準焊縫的缺口張開位移遠大于含類裂紋缺陷焊縫，前者形成的斷口表面更粗糙。

（3）標準焊縫的尺寸敏感斷裂抗力δm（8）均值為0.127 mm，含類裂紋焊縫的尺寸敏感斷裂抗力δm（8）均值為0.061 mm，且前者數據波動小。大量殘留銅絲是導致后者斷裂韌度小的主要原因。

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Accident risk and the countermeasures for special thick steel plate production using vacuum electron beam welding

ZHANG Xinfa1，2，GONG Wei1，CAO Shuangfu3
（1.Liaoning Academy of Safety Science，Shenyang 110004，China；2.School of Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China；3.Safety and Environmental Protection Department of Ansteel Bayuquan Steel division，Yingkou 115000，China）

The technology of vacuum electron beam welding(VEBW)shows great advantage in producing special thick steel plate that is a type of promising material in some engineering fields.To ensure safety in pilot and industrial production is of significant importance in application of VEBW for heavy-gauge steel plate production.The accident risk identification and analysis is carried out and the result indicates that main accident risk of heavy-gauge steel plate production system are machinery injury，ionizing radiation，fire，crane injury accident，electric shock and noise hazard.Also，the main accident risk of this production system is analyzed using PHA.Concretizing and specializing principles of the relevant safety codes，and continuously enhancing intrinsic safety level of the production equipment are effective means for preventing and controlling accident risk in heavy-gauge steel plate production using VEBW.

special thick steel plate；VEBW；risk；precautions

TG456.3

B

1001－2303（2017）02－0113-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.23

2016-04-21；

2017-01-23

張新法（1982—），男，山東曹縣人，工程師，在讀博士，主要從事冶金安全生產技術研究與應用、風險評估及安全培訓工作。

獻

張新法，龔偉，曹瀧福.VEBW技術生產特厚板的事故風險及其控制措施[J].電焊機，2017，47（02）：113-118.